CC BY
58
Змисний М.М, , Кулик И.В. МАЖОРИТАРНАЯ СТРУКТУРА В ПРОЕКТИРОВАНИИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЕКСПЛУАТАЦИИ
Аннотация - Объектом рассмотрения являются радиоэлектронные системы длительной эксплуатации, которые проектируются как отказоустойчивые системы на основе мажоритарной структуры. Рассматриваются два варианта эксплуатации таких систем: с техническим обслуживанием и без него. В системах без технического обслуживания важно учитывать реконфигурацию мажоритарной структуры и старение ее элементов. В обслуживаемых системах определяющим является выбор варианта стратегии технического обслуживания. Разработаны математические модели для двух вариантов реализации отказоустойчивых систем на основе мажоритарной структуры.
Ключевые слова - надежность, отказоустойчивая система, мажоритарная структура, техническое обслуживание, немарковская модель.
1. ВВЕДЕНИЕ
При разработке радиоэлектронных систем длительной эксплуатации, для обеспечения необходимого уровня надежности, широко используется отказоустойчивая система (ОС) на основе мажоритарной структуры (МС) [1, с. 150 - 165; 2, с. 96-102]. Однако при длительной эксплуатации такие отказоустойчивые системы не обеспечивают требуемые значения показателей надежности. Надежность таких отказоустойчивых систем повышают введением в ОС скользящего резерва, обеспечением возможности реконфигурации МС и использованием соответствующей стратегии технического обслуживания (ТО).
Для проектирования таких систем создана технология аналитического моделирования [3], которая организована в программном модуле ASNA и позволяет автоматизировать процесс разработки модели в виде графа состояний и переходов.
Однако при построении аналитических моделей систем на основе марковских процессов возникает проблема повышения их уровня адекватности. Уровень адекватности модели определяет учет старения компонент системы и технического обслуживания. Продолжительность этих процессов не соответствует экспоненциальному закону распределения, как это принято в марковских системах.
Для построения моделей систем, надежностное поведение которых отображается немарковским дискретно-непрерывным случайным процессом, существует ряд методов [4].
В данной работе для построения модели отказоустойчивой системы, поведение которой отображается немарковским дискретно-непрерывным случайным процессом, используется метод эквивалентной интенсивности потока [5] и подстановка функций интенсивностей в систему дифференциальных уравнений Колмогорова-Чепмена.
2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Необходимо провести оценку возможности применения ОС на основе МС в радиоэлектронных системах длительной эксплуатации. Для этого нужно провести разработку моделей, учитывающих старение и приработку элементов системы, реконфигурацию МС и техническое обслуживание.
3. ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектом исследования является ОС на основе МС, состоящая из нечетного количества N однотипных модулей рабочей конфигурации, обеспечивающие реализацию алгоритма функционирования с заданным уровнем качества, мажоритарного элемента и резервной группы - скользящего резерва, который состоит из S модулей.
Для обеспечения автоматической замены модулей, которые отказали в составе радиоэлектронной системы, предусмотрен комплекс средств восстановления работоспособности. Он включает в себя из набора средства контроля, диагностики и коммутации.
Средства восстановления работоспособности должны фиксировать факт выхода из строя модуля ОС, обнаруживать неисправные модули в случае отказа и отключать их из рабочей конфигурации. На место модулей, которые вышли из строя средства коммутации подключают резервные модули.
В МС предусмотрено реконфигурацию в случае, когда выйдут из строя (PN +1)/2 модулей.
4. ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ
В соответствии с технологией аналитического моделирования [3] разработано структурноавтоматную модель ОС на основе МС. С помощью программного модуля ASNA проведена оценка показателей надежности ОС на основе МС в зависимости от ее конфигурации.
4.1. ИССЛЕДОВАНИЕ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ МАЖОРИТАРНОЙ СТРУКТУРЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ
Как указано выше, для обеспечения отказоустойчивости необходимо выбрать соответствующую стратегию ТО. В работе рассматриваются три стратегии ТО. Проводится исследование зависимости средней длительности работы ОС на основе МС до катастрофического отказа от количества запланированных ремонтов для каждой из стратегий технического обслуживания.
Стратегия № 1. Ремонтник находится на объекте и приступает к ремонту модулей сразу после их отказа.
Приступая к ремонтным работам, ремонтник знает, сколько модулей стоит в очереди на ремонт. Предаварийная ситуация в данной отказоустойчивой системе характеризуется тем, что резерв исчерпан и в рабочей конфигурации мажоритарной структуры есть (PN +1)/2 модулей.
Стратегия № 2. Ремонтника нет на объекте, и он приезжает в предаварийной ситуации и восстанавливает все неисправные модули.
Профилактическое восстановление модулей отказоустойчивой системы в данной стратегии ТО не предусмотрено, неисправные модули после отказа поступают в очередь на ремонт. Модуль в очередь не становится, если исчерпано допустимое количество ремонтов. В такой ситуации он изымается из конфигурации отказоустойчивости системы.
Стратегия № 3. Ремонтника нет на объекте, и он приезжает туда периодически и восстанавливает все неисправные модули.
Ремонтник осуществляет ТО, для чего по графику прибывает на объект, на котором эксплуатируется данная отказоустойчивая система. На объект ремонтник прибывает по плану, но время прибытия точно не определено. Ремонтник всегда застает систему в работоспособном состоянии. Лишь известный порядок (после n-го объекта) и ориентировочно время (в этом месяце или на этой неделе).
Таблица 1. Влияние стратегии технического обслуживания на продолжительность работы до катастрофического отказа.
Количество запланированных ремонтов S Время до катастрофического отказа Т, час
Стратегия №1 Стратегия №2 Стратегия №3
0 2566,4 2999,1 2999,1
1 2726,5 4988,7 3628,4
2 2790,2 6 9 65,9 4385,8
3 3055,6 8930,6 5128,3
4 3257,7 10883 5775,7
5 3376,8 12825 6416,3
4.2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОЙ СИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ МАЖОРИТАРНОЙ СТРУКТУРЫ БЕЗ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ
В системах без технического обслуживания важно учитывать полный цикл эксплуатации радиоэлектронный аппаратуры. Для этого надо осуществить построение немарковской модели надежности.
С помощью метода эквивалентной интенсивности потока (МЭИП) и непосредственной подстановкой функции интенсивности перехода формируются немарковские модели системы (далее модель 1 и модель
2).
При проведении сравнительных исследований модели 1 и модели 2 принято, что процессы отказа основных модулей системы протекают по закону распределения Эрланга.
В результате анализа моделей 1 и 2 получены следующие значения среднего времени наработки на отказ:
Т модельї 4776 Час. Т модель2 4812 Час.
Полученные результаты отличаются менее чем на 0,7 5%.
Следующее исследование предполагает сравнение показателей надежности МС полученных на основе марковской и немарковской моделей.
На основе решения системы дифференциальных уравнений Колмогорова-Чепмена получены зависимости вероятности безотказной работы системы (рис. 1).
1
0$
08 07 0 j6
Pi(ty
0-5
ИОД
04
03 02
0.1 0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 1 10*
t год
Рис. 1. Изменение во времени вероятности безотказной работы P1 (t)-марковская модели системы; P2 (t)-немарковская модели системы
Тс.марк 2683 часов Тс.немарк 1689 часов
ВЫВОДЫ
Осуществлена разработка марковской модели отказоустойчивой системы на основе МС, учитывающая различную начальную конфигурацию МС, резерв, работу СКД и возможность реконфигурации системы. Разработаны три надежностные модели отказоустойчивой системы на основе МС с разными стратегиями технического обслуживания. На основе этих моделей продемонстрированы возможности решения задач надежностного анализа и надежностного параметрического синтеза для отказоустойчивой системы на основе МС. Осуществлен сравнительный анализ стратегий технического обслуживания и выбрано стратегию, использование которой позволяет снизить требования к надежности модулей основной конфигурации.
Осуществлено построение немарковской модели двумя методами. Немарковская модель учитывает процессы старения и приработки модулей. Проведено сравнительное исследование марковских и немарковских моделей МС, которое выявило значительные различия между полученными показателями надежности системы. Это подтверждает актуальность построения немарковских надеждностных моделей для повышения точности результатов полученных при моделировании.
ЛИТЕРАТУРА
1. Арсеньев Ю.Н., Журавлев В.М. Проектирование систем логического управления на микропроцес-сорних средствах. - Москва: Высшая школа, 1991. - 319 с.
2. Надежность и эффективность в технике: Справочник: Том 4. Методы подобия в надежности. Под
редакцией академика В.А. Мельникова. - Москва: Машиностроение, 1987. - 280 с.
3. Волочій Б. Ю. Технологія моделювання алгоритмів поведінки інформаційних систем. - Львів: Вид-во Національного університету "Львівська політехніка", 2004. - 220 с.
4. Кочегаров В.А., Фролов Г.А. Проектирование систем распределения информации. - Марковские и немарковские модели.-М.: Радио и связь, 1991.-216с.
5. Мандзій Б.А., Беляєв В.П., Волочій Б.Ю. Метод надійнісного моделювання самовідновлювальних бортових інформаційних систем // Космічні науки і технології.- 1998, Т. 4, № 3-4.- С.62 - 67.
