CC BY
73
Петров Б.М., Мороз Д.Ю.
ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СТРУКТУРНОГО ПОДХОДА ПРИ РАЗРАБОТКЕ НАДЕЖНОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
СИСТЕМ КОНТРОЛЯ БРЭС
На настоящий момент при разработке программного обеспечения (ПО) в системе контроля (СК) бортовых радиоэлектронных систем (БРЭС) отсутствует единообразие в методах подхода к проектированию и реализации ПО СК, что влечет за собой излишнее усложнение процесса разработки и, как следствие, появление множества трудно локализуемых ошибок в коде программ.
Существующие технологии разработки ПО СК используют различные, зачастую несовместимые друг с другом, программные платформы от разных производителей ПО. Результатом этого подхода является невозможность повторного использования уже существующего кода и необходимость неоднократного возобновления процесса разработки под каждый заказ практически с нуля.
В разрабатываемом ПО не полностью используются или не используются вовсе современные технологии и подходы к разработке, появившиеся в последнее время в среде профессиональных разработчиков ПО, снижающие трудоемкость разработки готовых программных решений и улучшение структуры программы и «прозрачность» ее для разработчика. Кроме того, в составе современных средств разработки присутствует большое количество тщательно протестированных библиотек готовых универсальных программных блоков, что избавляет разработчика от необходимости самому заниматься обеспечением рутинных интерфейсов ПО и позволяет ему сразу приступить к решению целевой проблемы, не отвлекаясь на второстепенные вопросы.
Большое количество используемых программных платформ не позволяет сосредоточиться на одном направлении разработок и заставляет неэффективно использовать ресурсы, выделенные на разработку. В современном производстве зачастую возникает необходимость разрабатывать и внедрять технологические средства достаточно универсального характера с возможностью их перенастройки на выпуск новых типов изделий (с использованием коэффициента адаптивности) при активном использовании в их составе встроенных вычислительных машин.
В настоящее время стоит вопрос о разработке технологических средств, перенастраиваемых с минимальными затратами, на базе широкого применения управляющих встроенных вычислительных систем и интеллектуальных контроллеров. В то же время практика свидетельствует о том, что затраты на разработку ПО составляют основную часть общих затрат на разработку всей системы. В связи с этим промышленный подход к созданию ПО играет решающую роль во всем процессе создания современных систем контроля.
Одной из основных сложностей при производстве ПО является проблема создания надежного и высокоэффективного ПО. Одним из перспективных путей их решения является реализация детально регламентированного технологического процесса. При этом необходимый уровень регламентации может быть достигнут в результате структурного подхода к обеспечению заданных характеристик надежности создаваемых программ на различных стадиях жизненного цикла ПО.
Суть структурного подхода-сокращение ошибок в программах путем их своевременной локализации, уменьшение трудоемкости их выявления и исправления за счет четкой и упорядоченной структуры и связей комплекса программ (КП), структурная организация процессов проектирования и разработки всех компонентов комплекса. Известно, что одним из основных методов снижения сложности объектов является структурный подход к их проектированию.
Структурный подход-это методология анализа и уточнения знаний применительно к объекту путем последовательной, иерархической детализации его составляющих. Он опирается на декомпозицию объектов по тем или иным признакам, на упорядочение входящих компонентов, организацию их рациональных связей, применение модульно-иерархической структуры объекта. Конкретная реализация и содержание структурного подхода определяются принадлежностью проектируемого объекта к той или иной области и спецификой этой области. В зависимости от степени сложности проектируемого объекта меняется уровень отработки методов реализации структурного подхода. Так, при создании БРЭС структурный подход опирается на широко развитые автоматизированные методы конструирования различных компонентов, организацию четких и определенных связей между частями аппаратуры, обеспечение автономности и максимальной независимости каждого компонента.
До сих пор надежность связывалась с методами отладки и тестирования, степенью и качеством отлаженности программ, что вполне отвечает смысловому содержанию понятия надежности. В то же время существует тесная связь между надежностью и сложностью КП; очевидно, что снижение сложности должно способствовать повышению надежности. Поскольку один из основных путей снижения сложности — это структурный подход к проектированию, возникает задача установить зависимость между надежностью и снижением сложности при структурном проектировании.
В связи с указанным, а также с необходимостью повышения производительности, сокращения сроков и снижения трудоемкости разработки ПО, проблема техники и методологии проектирования программ стала предметом серьезных исследований. Для получения требуемой общей структуры в большой программной системе необходимо выделять определенные структурные компоненты, а для понимания способов структурирования программ и данных обязателен процесс абстрагирования проблемы.
Одной из основных является проблема выработки приемлемых требований к программному обеспечению. Среди нескольких направлений решения этой проблемы выделяется использование спецификаций требований на программные системы и их отдельные компоненты.
Целесообразно рассмотрение методики анализа показателей надежности БРЭС с учетом влияния систем контроля, на ранних этапах проектирования, использование которых позволяет совершенствовать процесс разработки, за счет: повышения точности расчетов при обеспечении
отказоустойчивости; сокращения сроков проведения разработки; снижения стоимости проводимых мероприятий, направленных на выполнение показателей надежности БРЭС.
В настоящее время отсутствуют методы расчета показателей надежности ТС и ПО БРЭС с учетом влияния основных характеристик систем контроля, т.е. коэффициентов: полноты контроля, глубины
контроля, достоверности контроля, оперативности (своевременности), однозначности контроля (адаптивности), автомодельности дефектообразования в процессах дислокации и дисклинации.
Трудности анализа современных БРЭС возникают из-за повышения сложности, так система, состоящая из нескольких тысяч элементов, имеет степень интеграции сотни миллиардов транзисторов. Использование новых технологий цифровой и аналоговой обработки сигнала и средств микроэлектроники приводит к значительному усложнению БРЭС, имеющих десятки-сотни (п) высокоэффективных элементов: микропроцессоров (МП), транспьютеров (ТП), нейрокомпьютеров (НК), которые содержат более 100 млн активных элементов (Нсд. МП = 1,0 х 108) в одном корпусе, и имеют средний ресурс более 100 тысяч
часов ^р.мп = 1х105часов), что соответствует сложности элемент МП-часам и 1х1013 или сложности
БРЭС-часам и 1х1014 -г- 1х1015 эл.хчас.
При интенсивности отказов активного элемента Аак.эл и 1х10-8 1/ч. и при прямо-пропорциональной зависимости интенсивности отказов БРЭС от степени интеграции входящих элементов, интенсивности отказов БРЭС будет составлять Абрэс и п х Ысл. мп х Аак.эл = 10 х 1х108 х 1х10-8 = 10 1/ч., а наработка на отказ БРЭС будет составлять всего То = 1 / Абрэс = 0,1 часа, тогда как требуемая То должна быть не менее 10 - 100 тысяч часов (То.брэс = 1х104 - 1х105часов).
Чтобы обеспечить высокие уровни средних наработок БРЭС в течение длительных средних сроков службы и ресурсов необходимо рассматривать не только надежность: безотказность,
ремонтопригодность, долговечность, сохраняемость ТС и правильность ПО, но и живучесть: отказоустойчивость (сбоеустойчивость) ТС, устойчивость ПС, контролепригодность ТС и ПС.
Современные системы (в отличие от систем с традиционными структурами) имеют: большое
количество простых, низкоскоростных ПРОЦЕССОРОВ; интегрированную в процессоры, распределенную ПАМЯТЬ с адресацией по содержанию (в обычных системах код адреса памяти не связан с содержанием, что приводит часто к ошибкам); параллельные, распределенные, самообучающиеся ВЫЧИСЛЕНИЯ; высокоэффективную (по полноте, глубине, оперативности, достоверности, однозначности локализации неисправностей) встроенную систему КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИКИ; большую структурную, информационную, функциональную, программную и алгоритмическую ИЗБЫТОЧНОСТЬ, все это позволяет нейтрализовать сбои, ошибки, постепенные, внезапные и перемежающиеся отказы и тиристорные эффекты в ТС и ПС и обеспечить высокую ЖИВУЧЕСТЬ систем.
Надежность и живучесть БРЭС Надежность элементной базы (МП, команд, данных) интолерантный подход Живучесть структуры толерантный подход
свойство показатель свойство показатель
Технические средства БРЭС безотказност ь Тотс- средняя наработка на отказ в технических средствах отказоустой чивость Р( t ) - вероятность, что не произойдет срыва выполнения задания, из-за отказов в ТС
Программные средства БРЭС правильность Топс- средняя наработка на ошибку в программных средствах устойчивост ь Р( t ) - вероятность, что не произойдет срыва решения задачи и из-за появления ошибки в ПС
Использование принципов обеспечения живучести больших биологических систем позволяет перейти от интеграции схем к интеграции систем и удовлетворить все возрастающее требования заказчиков к быстродействию, точности и количеству решаемых задач при разработке современных аппаратно-
программных комплексов управления и обработки информации, основой которых являются микропроцессорные системы (МПС), транспьютерные системы (ТПС), нейрокомпьютерные системы (НКС) и брейнпьютерные системы (БПС). Показатели надежности и живучести ТС и ПО приведены в таблице.
На следующим этапе проводится контроль структуры процесса функционирования БРЭС, который описывается полумарковским процессом (ПМП), с учетом влияния полного набора отказов, характерных для БРЭС; с целью укрупнения сложного фазового пространства состояний и замены полумарковского процесса вложенным марковским процессом (ВМП), позволяющим провести расчет живучести БРЭС с учетом сбоев, перемежающихся и внезапных отказов.
Такая последовательность применения методов декомпозиции и укрупнения для контроля, между
которыми существует взаимно - однозначное соответствие, вызвана несколькими причинами, основные
из них следующие:
- необходимость построения наглядной физической модели контроля, позволяющей проводить анализ отказоустойчивости, с учетом избыточности;
- потребность в уменьшении объема контроля при расчете безотказности систем с большим количеством элементов и связями между ними;
- необходимость контроля связей между укрупненными каналами для разработки методов нейтрализации различных видов отказов и обеспечения отказоустойчивости МПС.
Для проведения расчетов живучести перспективных БРЭС с учетом структуры надо разработать методику расчета вероятности безотказной работы БРЭС, использующих алгоритмы прямых и быстрых дискретных ортогональных преобразований с учетом контроля, состоящий из трех этапов.
На первом этапе проводить декомпозицию устройства на алгоритмическом уровне с использованием метода факторизации векторно-матричного пространства представлений параметров передаточной функции устройства.
На втором этапе рассматривается контроль аппаратурных реализаций, соответствующих выбранным физическим моделям, на основе интерпретации структуры вычислительного процесса в виде набора каналов по модели «т из п», с учетом структуры и использованием аппарата характеристических функций.
На третьем этапе проводится контроль структуры процесса функционирования БРЭС, который описывается полумарковским процессом, с целью укрупнения сложного фазового пространства состояний и замены полумарковского процесса вложенным марковским процессом, позволяющим провести расчет живучести МПС с учетом сбоев, перемежающихся и внезапных отказов.
Опыт показывает, что целесообразно при построении зависимостей для различных коэффициентов влияния системы контроля использовать: метод наименьших квадратов для определения коэффициентов полноты контроля, глубины контроля, и достоверности контроля; метод кубических сплайн функций дефекта один для построения коэффициентов оперативности (своевременности), однозначности контроля; метод вейвлет - анализ для построения коэффициентов адаптивности и автомодельности.
