73. Обеспечение надежности функционирования ивс

Информационно-вычислительная система — это сложная человеко-машинная система, включающая в свой состав эргатические звенья, технические средства и программное обеспечение. Все методы обеспечения надежности и достоверно­сти ИВС можно отнести к двум классам. Один включает в себя методы, обеспе­чивающие безошибочность (безотказность, бессбойность) функциональных тех­нических, эргатических и программных звеньев ИВС, то есть в конечном счете повышающие их надежность. Другой включает методы, обеспечивающие обна­ружение и исправление ошибок, возникающих в информации, то есть методы контроля достоверности информации и ее коррекции, косвенно также повышаю­щие функциональную надежность системы.

Названные классы не исключают, а взаимно дополняют друг друга, поскольку в такой сложной системе, как ИВС, обеспечить высокую надежность и достовер­ность функционирования можно, только сочетая методы обоих классов.

Виды обеспечения надежности

Для построения надежных информационных систем можно использовать различ­ные виды обеспечения:

• экономическое;

• временное;

• организационное;

• структурное;

• технологическое;

• эксплуатационное;

• социальное;

• эргатическое;

• алгоритмическое;

• синтаксическое;

• семантическое.

Обеспечение можно определить как совокупность факторов (элементов, методов, приемов, процедур, ресурсов и т. п.), способствующих достижению поставлен­ной цели. Экономическое и временное обеспечение, обусловливаемые необхо­димостью, соответственно, материальных и временных затрат, используются для реализации процедур обеспечения достоверности. Организационное, эксплуата­ционное, техническое, социальное и эргатическое обеспечение применяются пре­имущественно для повышения надежности систем, а структурное и алгоритми­ческое обеспечение — для обоих классов методов.

Организационное обеспечение включает в себя вопросы разработки:

• правовых и методических аспектов функционирования ИВС;

• нормативов достоверности информации по функциональным подсистемам и этапам преобразования информации;

• методики выбора и обоснования оптимальных структур, процессов и про­цедур преобразования информации и т. д.

Назначением структурного обеспечения является повышение надежности функ­ционирования технических комплексов и эргатических звеньев, а также ИВС в целом. Должно быть обосновано рациональное построение структуры ИВС, непосредственно зависящее от качества решения таких вопросов, как выбор структуры технологического процесса преобразования информации, обеспече­ние обоснованных взаимосвязей между отдельными звеньями системы, резерви­рование элементов, узлов, устройств системы и использование специальных уст­ройств, осуществляющих процедуры аппаратного контроля, и т. д.

Технологическое и эксплуатационное обеспечения предназначены для повышения надежности работы технических средств и технологических комплексов. Техно­логическое обеспечение включает в себя выбор схемных и конструктивных ре­шений применения отдельных технических устройств, технологий и протоколов реализации информационных процессов. Эксплуатационное обеспечение связа­но с выбором режимов работы устройств, технологий профилактического их об­служивания.

Социальное и эргатическое обеспечения имеют своим назначением повышение надежности работы эргатических структурных звеньев системы. Поскольку по­давляющее большинство ошибок в информации возникает как раз из-за функ­циональной ненадежности именно этих звеньев (человеческого фактора), в лите­ратуре особенности их работы рассмотрены весьма обстоятельно. В одной из лучших работ на эту тему [16] указываются пять типов причин ошибок, возни­кающих в эргатических звеньях:

• психологические — неадекватность восприятия информации, выработка и реа­лизация неоптимальной стратегии;

• мотивационные — неправильная постановка задачи, несогласованность целей субъекта с целями управления;

• эмоциональные — неустойчивые изменения преобразующих свойств субъекта от внешних и внутренних причин;

• интуитивные — неформализованный в сознании субъекта опыт, отражающий реальную ситуацию нерелевантно;

• эволюционные — устойчивые изменения преобразующих свойств субъекта в результате обучения или забывания.

Указанные причины могут привести к субъективным ошибкам трех типов:

• потере части полезной информации;

• внесению дополнительной (полезной или вредной) информации, не содержа­щейся в исходном сообщении;

• неадекватному преобразованию информации.

К социальному обеспечению относятся, например, такие факторы, как создание здоровой психологической обстановки в коллективе, повышение ответственно­сти за выполненную работу, повышение квалификации специалистов, увеличе­ние моральной и материальной заинтересованности в правильности выполнения работы. Особенно важно обеспечить согласованность целей субъекта с целями управления: лишь тогда, когда работник заинтересован в получении объектив­ных, достоверных данных, они могут быть получены.

Эргатическое обеспечение включает в себя комплекс факторов, связанных с ра­циональной организацией работы человека в системе. Это, в первую очередь, правильное распределение функций между людьми и техническими средствами, обоснованность норм и стандартов работы, оптимальность интенсивности и рит­мичности, построение рабочих мест в соответствии с требованиями эргономики.

Алгоритмическое обеспечение широко применяется для повышения надежности системы (обеспечение высокого качества и безошибочности алгоритмов и про­грамм преобразования информации) и для реализации контроля достоверности информации.

Информационное синтаксическое и семантическое обеспечения заключаются во введении в ИВС специальной информационной избыточности, соответственно, избыточности данных и смысловой избыточности, обусловливающих возможность проведения контроля достоверности информации.

Поскольку понятие «избыточность» — очень важное понятие в теории надежно­сти, причем наличие избыточности является необходимым условием возможно­сти проведения контрольных процедур, рассмотрим его более подробно.

Избыточность информационных систем

Первоначально понятие избыточности использовалось только применительно к информации. Так, X. Найквист, впервые применивший данный термин, избы­точной считал ту бесполезную составляющую сигнала, которая не передает сооб­щения; К. Шеннон количественно определил избыточность источника информа­ции через свою любимую энтропию. В настоящее время понятие избыточности существенно отличается от первоначального: оно расширилось и максимально приблизилось к понятию «резервирование». Согласно ГОСТ 18347-75, резерви­рование — это метод повышения надежности объекта введением избыточности. Там же избыточность определена как дополнительные средства и возможности сверх минимально необходимых для выполнения объектом заданных функций. Избыточность чаще всего используется для выражения относительной катего­рии, но может иметь и абсолютное исчисление. Так, количественно абсолютную избыточность R_а6с можно определить как разность между используемым разно­образием V_i системы по рассматриваемому виду элементов обеспечения и мини­мально необходимым ее разнообразием V_0i достаточным для выполнения возло­женных на систему функций:

R_абс=V_i-V_oi

Относительная избыточность, или просто избыточность, R:

R= R_а6с / V_0i= V_i / V_0i -1.

Отношение К_из6 = V_i/V_0i носит название коэффициента избыточности.

Виды избыточности, как правило, совпадают с видами обеспечения, в рамках ко­торого они формируются. Например, в структурном обеспечении используется структурная избыточность, в алгоритмическом обеспечении — алгоритмическая избыточность и т. п. Но понятие «обеспечение» шире понятия «избыточность», поскольку обеспечение обусловливает как возможность проведения процедур, так и сами процедуры, а избыточность — только саму такую возможность.

Синтаксическая избыточность информации непосредственно связана с поняти­ем информативности (содержательности). Если сообщение, содержащее объем данных V_д можно отобразить меньшим объемом данных V_0д то говорят, что дан­ное сообщение имеет синтаксическую избыточность R_а6с = V_д – V_0д.

Если информация закодирована в системе счисления с основанием т, то синтак­сическая абсолютная избыточность может быть определена как разность между количеством содержащихся в ней символов п и минимально возможным количе­ством символов n₀, необходимых для представления всего множества семантиче­ски различимых сообщений N.

Поскольку n₀ = log_mN, то R_абс = п - log_mN

Избыточная семантическая информация — это информация, превышающая пол­ную информацию и формально являющаяся лишней в сообщении, то есть такой, без которой можно точно установить смысл и значение сообщения.

Избыточность, как правило, вводится в систему искусственно, специально для повышения надежности системы и обеспечения достоверности преобразуемой информации, но может быть и естественной, внутренне присущей самой сис­теме. Последнее часто относится к семантической избыточности — семантиче­ская избыточность связана с наличием в сообщении сведений, коррелирующих между собой или уже известных пользователю.

Следует заметить, что многие виды обеспечения надежности и достоверности тесно взаимосвязаны и пересекаются друг с другом, особенно это касается видов обеспечения, связанных с введением соответствующей им избыточности. Прак­тически применение только одного какого-либо вида избыточности для обеспе­чения надежности и достоверности работы системы встречается довольно редко; значительно более эффективным оказывается комплексное использование сразу нескольких видов избыточности для одних и тех же процедур преобразования информации.

70. Критерии надежности восстанавливаемых систем

Показателями надежности восстанавливаемых элементов и систем могут быть также показатели надежности невосстанавливаемых элементов. Это имеет место в тех случаях, когда система, в состав которой входит элемент, является неремонтируемой по условиям ее работы (необитаемый космиче­ский аппарат, аппаратура, работающая в агрессивных средах, самолет в про­цессе полета, отсутствие запчастей для ремонта и т. п.). Надежность восста­навливаемых объектов оценивают следующими показателями:

- Т — среднее время работы между отказами (средняя наработка на отказ);

- Т_в —среднее время восстановления;

- ω(t) — параметр потока отказов;

- K_г(t) — функция готовности — вероятность того, что система исправна в момент t;

- K_п(t) — функция простоя— вероятность того, что в момент t система неисправна и восстанавливается;

- К_г — коэффициент готовности — вероятность того, что система будет исправной при длительной эксплуатации (стационарный режим);

- К_п — коэффициент простоя — вероятность того, что система будет неис­правной при длительной эксплуатации.

Рассмотрим эти показатели несколько подробнее.

Среднее время работы между отказами и среднее время восстановления

Среднее время между отказами Т определяется отношением средней сум­марной наработки к среднему числу отказов при длительной работе объекта. Среднее время восстановления Т_в определяется отношением среднего сум­марного времени восстановления к среднему числу восстановлений при дли­тельной работе объекта. По статистическим данным среднее время между отказами вычисляется по формуле:

где t_i — время между отказами i-го образца, полученное при условии, что испытания ведутся с восстановлением отказавших образцов техники или их заменой. В этом случае число испытуемых образцов техники N_Q остается постоянным.

Параметр потока отказов

Параметром потока отказов ω(t) называется производная (скорость измене­ния) среднего числа отказов объекта в момент t.

Статистически параметр потока отказов определяется как отношение числа отказавших образцов техники в единицу времени к числу образцов, постав­ленных на испытание при условии, что отказавшие образцы заменяются ис­правными или отремонтированными:

(2.20)

где n(t, t + Δt) — число отказавших образцов за промежуток времени [t, t + Δt], N_о — число образцов, первоначально поставленных на испытания.

Параметр потока отказов обладает следующими свойствами:

• в случае экспоненциального закона времени работы объекта с параметром λ и мгновенного восстановления ω(t) = λ;

• при мгновенном восстановлении предел, к которому стремится параметр потока отказов при T->∞, равен величине, обратной среднему времени безотказной работы, т. е. lim ω(t) =1/T ; t->∞

- при мгновенном восстановлении параметр потока отказов и плотность распределения времени до отказа связаны следующим интегральным уравнением Вольтерра второго рода:

Это уравнение устанавливает зависимость между показателями надежно­сти восстанавливаемой и невосстанавливаемой техники. Оно позволяет определить по статистическим данным об отказах восстанавливаемой тех­ники в процессе ее эксплуатации показатели надежности невосстанавли­ваемой техники

ПРИМЕР 2.2. Время до отказа объекта имеет нормальное распределение с математическим ожиданием T = 1000 час и средним квадратическим откло­нением σ = 300 час. Привести графическую иллюстрацию плотности распре­деления f(t) и параметра потока отказов ω(t).

Решение. Графики функций изображены на рис. 2.2. Параметр потока отка­зов ω(t) получен путем численного решения уравнения Вольтерра.

Для относительно небольшого времени функционирования объекта параметр потока отказов близок к плотности распределения, но при длительной работе плотность распределения стремится к нулю, тогда как параметр потока отка­зов приближается к своему стационарному значению, равному 1/T= 0,001 час^-1.

0,0016

300 600 900 1200 1500 1800 2100 2400 2700 t, час

Рис. 2.2. Графики плотности распределения f(t) и параметра потока отказов ω(t)

Функция готовности и функция простоя

Функцией готовности K_г(t) называется вероятность того, что восстанавли­ваемая система исправна в момент времени t.

Функцией простоя K_п(t) называется вероятность того, что в момент времени t система находится в отказовом состоянии (в ремонте).

Приведем основные зависимости между введенными показателями:

K_г(t) + K_п(t) = 1, (2.21)

Данные показатели являются наиболее важными для восстанавливаемых элементов и систем.