CC BY
38
Муляк А. , Гыла В. МНОГОВАРИАНТНЫЙ АНАЛИЗ РАДИОЭЛЕКТРОННИХ УСТРОЙСТВ, ПОСТРОЕННЫХ НА ОДНОТИПНЫХ МОДУЛЯХ СО СКОЛЬЗЯЩИМ И ОБЩИМ РЕЗЕРВИРОВАНИЕМ
Отказоустойчивая система с комбинированным структурным резервированием используется при проектировании узла памяти сервера и источника бесперебойного электропитания систем ответственного назначения. Предложенные надежностные модели таких устройств имеют высокую степень адекватности и позволяют решать задачи многовариантного анализа при приемлемых для проектанта затратах времени.
Ключевые слова: надежность, отказоустойчивая система, комбинированное структурное резервирование.
1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Рис. 1. Конфигурация отказоустойчивости системы. 1 - модули основного устройства (МОУ), 2 -модули скользящего резерва (МСР) основного устройства, 3 - резервные устройства (РУ), СКД - средства контроля и диагностики.
К радиоэлектронным системам ответственного назначения, предъявляют высокие требования к их надежности. Чтобы обеспечить эти требования устройства проектируют как отказоустойчивые системы с использованием комбинированного структурного резервирования. Рассматриваются устройства, построенные из однотипных модулей, для которых предусмотрено скользящее резервирование модулей и общее резервирование устройства альтернативным устройством (рис. 1). Для надежностного проектирования таких систем в теории надежности существует технология разработки математических моделей в виде дискретно - непрерывной стохастической отказоустойчивой системы [1, с.132-228]. Но использование
известной технологии в процессе проектирования при решении задач многовариантного анализа требует значительных затрат времени, которые являются неприемлемыми для проектанта. Поэтому в данной работе используется усовершенствованная технология аналитического моделирования дискретнонепрерывных стохастических систем [2,3], которая позволила автоматизировать процесс разработки модели в виде графа состояний и переходов, что в свою очередь уменьшает время исследования сложных систем. Данная технология реализована в программном модуле ASNA, предназначенном для решения задач надежностного проектирования отказоустойчивых систем.
Целью работы является разработка надежностных моделей узла памяти сервера и источники бесперебойного электропитания (ИБЭ) систем ответственного назначения.
2. ИССЛЕДУЕМЫЕ СИСТЕМЫ И ТРЕБОВАНИЯ К ИХ НАДЕЖНОСТНЫМ МОДЕЛЯМ
На сегодняшний день трудно представить радиоэлектронную систему без использования управляющих серверных систем, которые в свою очередь должны иметь высокую надежность. Исходя из практики использования таких систем видно, что особое внимание необходимо уделять надежности таких узлов системы, как: оперативная память, блок питания, дисковые массивы памяти и системы охлаждения.
Узел памяти сервера, состоит из блоков ЯАІБ-массива, устройства переключения, средств контроля и диагностики (подробно рассматривается структура одного блока ЯАІБ-массива, а другие выступают в роли общего резерва устройства). Структурная схема узла памяти сервера представлена на (рис.2).
Рис. 2. Структурная схема узла памяти сервера
Основным требованием является постоянное бесперебойное обращение к узлу памяти в течение 35 000 часов, что обусловлено амортизацией оборудования. И после эксплуатации в течение указанного периода времени проводится полная замена оборудования.
При построении надежностной модели узла памяти сервера были использованы следующие его параметры : количество модулей основного устройства п, количество модулей скользящего резерва т, количество резервных устройств Ь, интенсивность отказа модулей основного устройства и резервных модулей Ьт, интенсивность отказа работающего резервного устройства Ьр^, среднее значение времени необходимого для подключения резервного модуля Тргт, среднее значение интервала времени, необходимого на ремонт резервного устройства Т^.
Рис. 3. Структурная схема источника бесперебойного электропитания
Источник бесперебойного электропитания состоит из блока питания, в составе которого есть однотипные модули рабочей конфигурации и такие же модули скользящего резерва. Два аккумулятора осуществляют общее резервирование блока питания и для них предусмотрено определенное количество зарядок. Средства контроля и диагностики осуществляют контроль работоспособности блока питания и локализацию неисправного модуля в нем, а также контроль работоспособности аккумуляторов. Первый аккумулятор подключается к нагрузке в момент отказа блока питания или при отключении электросети. Второй аккумулятор подключается тогда, когда первый разрядился, или вышел из строя. При отсутствии электросети питание на зарядное устройство аккумулятора подается от генератора. Функцию переключения электросеть/генератор осуществляет автоматический переключатель.
Структурная схема ИБЭ представлена на рис. 3. Блок питания представлен заданным количеством однотипных модулей рабочей конфигурации Бмкр и заданным количеством таких же модулей скользящего резерва Бмкр • Модули скользящего резерва подключаются вместо неисправных модулей рабочей конфигурации переключателем. Подключение резервного модуля вместо неисправного осуществляется за время, среднее значение которого равно Тпрм. Это время включает в себя время на локализацию неисправного модуля и время на замену неисправного модуля резервным. Подключение аккумулятора осуществляется с помощью автоматического переключателя за очень краткое время. Все устройства переключения являются надежными и процедуры подключения выполняются всегда. Надежностная модель блока бесперебойного электропитания необходима для определения показателей в зависимости от требований и условий его эксплуатации.
3. НАДЕЖНОСТНЫЕ МОДЕЛИ
Надежностные модели узла памяти сервера и источника бесперебойного электропитания разрабатываются согласно технологии, которая предусматривает: формирование вербальной модели объекта исследования, разработку его структурно-автоматной модели (САМ) и ее верификацию.
Разработка САМ (табл.1) узла памяти сервера включает: определение базовых событий, определение условий и обстоятельств при которых происходят базовые события, компоновку формул расчета интенсивностей событий (ФРИС), компоновку формул расчета вероятностей альтернативных переходов (ФРВАП) и формирование правил модификации компонент вектора состояния (ПМКВС).
Таблица 1
Базовые события Условия и обстоятельства ФРИС ФРВАП ПМКВС
1. Отказ модуля в рабочей конфигурации основного устройства 1. (V1=n) AND (V4=1) AND (V3>0) AND (V5<V7) V1*Xm 1 V1:=V1-1; V4:=2; V3:=V3-1; V5:=V5+1
2. (V1=n) AND (V4 = 1) AND (V3>0) AND (V5=V7) V1*Xm 1 V1:=V1-1; V4:=2; V3:=V3-1
3. (V1=n) AND (V4 = 1) AND (V3=0) V1*Xm 1 V1:=V1-1; V4:=0
Базовые события Условия и обстоятельства ФРИС ФРВАП ПМКВС
4. (V1>0) AND (V=2) AND (V5<V7) V1»Xm 1 V1:=V1-1; V5:=V5+1
5. (V1>0) AND (V4=2) AND (V5=V7) V1»Xm 1 1 - 1 V = 1 V
2. Отказ резервного модуля основного устройства 1. (V2>0) AND (V5<V7) V2»Xm 1 V2:=V2-1; V5:=V5+1
2. (V2>0) AND (V5=V7) V2»Xm 1 1 - 2 V = 2 V
3. Окончание процедуры подключения резервного модуля 1. (V1=(n-1)) AND (V2>0) 1/Tprm 1 1 + 3 V = 3 V \—1 = 4 V 11 + 1 12 VV == 12 VV
2. (V1<(n-1)) AND (V2>0) 1/Tprm 1 11 + 1 12 VV == 12 VV
4. Отказ работающего резервного устройства 1. (V 6=2) AND (V3>0) AND (V6<V8) Xprs 1 V3:=V3-1; V6:=V6+1
2. (V 6=2) AND (V3>0) AND (V6=V8) Xprs 1 1 - 3 V = 3 V
3. (V4=2) AND (V3=0) Xprs 1 0 = 4 V
5. Отказ неработающего резервного устройства 1. (V4 = 1) AND (V3>0) AND (V6<V8) V3»Xnrs 1 V3:=V3-1; V6:=V6+1
2. (V4 = 1) AND (V3>0) AND (V6=V8) V3»Xnrs 1 1 - 3 V = 3 V
3. (V4 = 2) AND (V3>0) AND (V6<V8) V3»Xnrs 1 V3:=V3-1; V6:=V6+1
4. (V4 = 2) AND (V3>0) AND (V6=V8) V3»Xnrs 1 1 - 3 V = 3 V
6. Окончания процедуры ремонта неисправных модулей и устройств, которые имеются в очереди 1. (V5>0) 1/(Tpr +V5*Tr m) 1 V2:=V2+V5; V7:=V7-V5; V7:=0
2. (V6>0) 1/(Tpr +V6*Tr s) 1 V3:=V3+V6; V8:=V8-V6; V8:=0
Критерий катастрофического отказа (V4=0)
Рис. 4. Тестовая модель узла памяти сервера в виде графа состояний и переходов
При разработке САМ допускаются ошибки, поэтому для ее верификации необходимо разработать тестовую модель, которая строится методом логического анализа. На рисунке 4 представлена тестовая модель со следующими параметрами отказоустойчивой системы: количество модулей основного устрой-
ства п=2,
количество модулей скользящего резерва т=1, количество резервных устройств Ь=1, На основе выявленных несоответствий при сравнении графа состояний и переходов, который получаем с помощью программного модуля ASNA, с тестовой моделью, проводится верификация САМ.
Для описанного в п. 2 источника бесперебойного электропитания также разработана структурно-автоматная модель, которая в данной статье не приводится.
4. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ПРОЕКТНЫХ ЗАДАЧ
4.1 Исследование вариантов реализации узла памяти сервера
При разработке узла памяти сервера разработчика интересует, какое должно быть количество резервных модулей при определенном количестве модулей основного устройства и резервных устройств. Рассмотрим вариант, когда для модулей основного устройства предусмотрено одно восстановления
Smos=1 и для резервных устройств также предусмотрено одно восстановления Srs=1. Считаем, что ремонт производится одним ремонтником. Результаты исследования представлены в таблице 2.
Таблица 2
т, шт 0 1 2 3 4 5 6 7
Тр.к.в, час 9138 11598 1287 9 13945 14828 15568 16194 16731
2000 4000 ваоо вооо «эаао 12000 14000 геаоо 1ваоо дэооо 22000 кооо збооо 20000 зоаоо згаоо здаос
Т, вод
Рис. 5. Зависимость вероятности безотказной работы от времени при различном количестве модулей резерва
Из результатов анализа следует (рис. 5), что с увеличением количества резервных модулей эффект от их использования падает. Ведь прирост наработки на отказ при использовании одного резервного модуля составляет 26,9%, введение второго - 11,0%. При дальнейшем увеличении количества резервных модулей прирост времени наработки на отказ является не значительным.
При проектировании также необходимо определить количество резервных устройств, которые должны использоваться в данной отказоустойчивой конфигурации. Ведь использование каждого дополнительного резервного устройства является довольно затратным и требует основательной аргументации его использования. Результаты исследования представлены в таблице 3.
Таблица 3
Ь, шт 0 1 2 3 4 5
Тр.к.в, час 4 995 11598 12379 12807 13195 13548
Из результатов анализа (рис. 6) следует, что использование одного резервного устройства значительно увеличивает время наработку на отказ. Использование двух и более резервных устройств не дает существенного выигрыша. Поэтому можно сделать вывод, что в данном рассмотрении использование более одного резервного устройства не является целесообразным.
2000 «ООО 6000 0000 «0000 12000 14000 *«000 ЮООО 20000 22000 24000 20000 20000 30000 32000 >4000
Т, вод
Рис. 6. Зависимость вероятности безотказной работы от времени при различном числе резервных устройств
4.2 Исследование вариантов реализации источника ИБЭ
500 1 ООО 1 500 2 ООО 2 500 3 ООО 3 500 4 ООО
Рис. 7. Определение влияния на надежность ИБЭ количества модулей скользящего резерва, типа аккумуляторов и генератора при заданной ненадежности электросети
В первом исследовании ставится цель определить влияние на надежность ИБЭ количества модулей скользящего резерва. В этой задаче было задано 8 вариантов реализации ИБЭ со следующими параметрами: интенсивность отключения электросети — Лвем, интенсивность включения электросети — Лввеи,
среднее значение интервала времени работы генератора — Трг, интенсивность отказа генератора — Лвг, номинальное количество модулей в рабочей конфигурации блока питания Бмрк, начальное количество модулей скользящего резерва — Бмкр, интенсивность отказов одного модуля в блоке питания — ^мз, максимальное количество циклов заряд-разряд аккумулятора — Би, среднее значение интервала времени, необходимого для зарядки аккумулятора — ТЗА, интенсивность разряда работающего аккумулятора — ХРПа
500 1 ООО 1 500 2 ООО 2 500 3 ООО 3 500 4 00<*
Рис. 8. Определение допустимой ненадежности электросети при заданных параметрах ИБЭ
Необходимо определить какой вариант реализации ИБЭ обеспечит время работы на отказ не менее 1000 часов. Результаты показывают (рис. 7), что 2 варианта обеспечивают время работы до катастрофического отказа менее 1000 часов, 6 вариантов - больше. К поставленным требованиям ближайшим является третий вариант реализации ИБЭ.
Представляет практический интерес задача определения надежности ИБЭ при работе с ненадежной электросетью. Исследование проведено для трех вариантов ненадежности электросети. На рис. 8 показаны результаты исследования.
5. ВЫВОДЫ
С использованием усовершенствованной технологии аналитического моделирования дискретнонепрерывных стохастических систем разработаны надежностые модели узла памяти сервера и источника бесперебойного электропитания, которые относятся к классу отказоустойчивых систем с комбинированным структурным резервированием.
Программный модуль ASNA на основе разработанных структурно-автоматных моделей позволяет формировать модели в виде графа состояний и переходов большой размерности (сотни состояний и тысячи переходов, см. рис. 7 и 8). Продолжительность построения графа и расчетов составляет несколько минут, что важно при решении проектных задач в интерактивном режиме.
Приведенные результаты исследований иллюстрируют возможности разработанных моделей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Половко А.М. Основы теории надежности / А.М. Половко, С.В. Гуров. - Санкт-Петербург: БВХ-Петербург, 2006 г. - 704с
2. Мандзий Б.А., Волочий Б.Ю., Озирковский Л.Д. Новые возможности для исследования эффективно-
сти стратегий технического обслуживания отказоустойчивых систем с комбинированным резервированием // Надежность и качество: Труды международного симпозиума, Пенза, 21 - 31 мая 2007, Т.2. Под ред.
Н.К. Юркова. - Россия, Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2007. - С. 31 - 35.
3. Мандзий Б.А., Волочий Б.Ю., Малиновский А.В., Улыбин Д.А. Программное средство интерактив-
ного надежностного проектирования отказоустойчивой системы с комбинированным резервированием замещением // Надежность и качество. Труды международного симпозиума / Под ред. Н.К. Юркова. - Рос-
сия, Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005. - С. 252 - 255.
