- •Е.Л. Кон, м.М. Кулагина надежность и диагностика компонентов инфокоммуникационных и информационно-управляющих систем
- •Оглавление
- •1. Основные теоретические сведения 9
- •2. Надежность аппаратурного обеспечения 31
- •3. Создание надежного программного обеспечения 130
- •4. Диагностика состояния сложных технических систем 205
- •Введение
- •1. Основные теоретические сведения
- •1.1. Информационно-управляющие и инфокоммуникационные системы
- •1.2. Основные определения теории надежности
- •1.2.1. Надежность и ее частные стороны
- •1.2.2. Виды надежности
- •1.2.3. Отказы
- •1.2.4. Эффективность
- •1.2.5. Восстановление
- •1.3. Понятие случайных событий и случайных величин
- •1.3.1. Надежность систем при основном (последовательном) и параллельном соединении элементов
- •1.3.2. Основное соединение элементов
- •1.3.3. Параллельное соединение элементов
- •1.4. Элементы теории нечетких множеств
- •1.4.1. Понятие принадлежности и основные операции для четких подмножеств
- •1.4.2. Понятие принадлежности и основные операции для нечетких подмножеств
- •1.4.3. Отношение доминирования
- •1.4.4. Простейшие операции над нечеткими множествами
- •1.4.5. Расстояние Хэмминга
- •Вопросы и задания
- •Список литературы
- •2. Надежность аппаратурного обеспечения
- •2.1. Надежность невосстанавливаемых систем без резервирования
- •2.1.1. Показатели надежности невосстанавливаемых объектов
- •2.1.2. Законы распределения случайных величин, используемые в теории надежности
- •Показательное (экспоненциальное) распределение
- •Усеченное нормальное распределение
- •Распределение Вейбулла
- •Гамма-распределение
- •Практическая область применения законов распределения времени безотказной работы
- •2.1.3. Использованиеи-характеристик для решения практических задач
- •2.1.4. Особенности расчета надежности при проектировании различных систем
- •2.1.5. Расчет надежности по блок-схеме системы
- •2.1.6. Расчет надежности при подборе элементов системы
- •2.1.7. Расчет надежности системы с учетом режимов работы элементов
- •2.1.8. Учет цикличности работы аппаратуры
- •2.2. Надежность невосстанавливаемых систем с резервированием
- •2.2.1. Пути повышения надежности
- •2.2.2. Методы резервирования
- •2.2.3. Расчет надежности сложных систем при постоянно включенном резерве
- •2.2.4. Расчет надежности системы при резервировании замещением
- •2.2.5. Резервирование замещением в случае нагруженного резерва
- •2.2.6. Резервирование замещением в случае облегченного резерва
- •2.2.7. Резервирование замещением в случае ненагруженного резерва
- •2.2.8. Расчет надежности систем с функциональным резервированием
- •2.3. Расчет надежности восстанавливаемых систем
- •2.3.1. Критерий надежности систем с восстановлением
- •Характеристики потока отказов
- •Характеристики потока восстановления
- •Комплексные характеристики надежности систем с восстановлением
- •2.3.2. Расчет надежности по графу работоспособности объекта
- •2.3.3. Определение среднего времени наработки на отказ системы с восстановлением
- •2.3.4. Расчет надежности систем с восстановлением при основном (последовательном) и параллельном соединении элементов
- •2.3.5. Расчет надежности сложных инфокоммуникационных систем
- •Структура и функции стс
- •Определение надежностных характеристик блоков стс
- •Составление структурно-логической схемы надежности и графа состояний
- •2.3.5.4. Расчет коэффициента готовности стс
- •Определение надежностных характеристик блоков аиис
- •Составление структурно-логической схемы надежности и графа переходов
- •Расчет коэффициента готовности аиис «Алтайэнерго»
- •Расчет коэффициента готовности аиис
- •2.4. Расчет надежности восстанавливаемых систем при наличии системы контроля
- •2.4.1. Система встроенного контроля абсолютно надежна
- •2.4.2. Система встроенного контроля самопроверяемая, и ее отказ обнаруживается сразу же
- •2.4.3. Система встроенного самоконтроля несамопроверяемая
- •2.5. Расчет надежности в условиях нечетко заданных исходных данных
- •2.5.1. Выбор оптимального варианта для невосстанавливаемых систем
- •2.5.2. Выбор оптимального варианта для восстанавливаемых систем
- •2.6. Расчет надежности систем на этапе эксплуатации
- •2.6.1. Планирование и расчет периодов профилактик
- •2.6.2. Планирование и расчет числа запасных изделий
- •Вопросы и задания
- •Список литературы
- •3. Создание надежного программного обеспечения
- •3.1. Надежность программного обеспечения
- •3.1.1. Ошибки в по и их типы
- •Типы ошибок в программном обеспечении
- •3.1.2. Причины появления ошибок в программном обеспечении
- •3.1.3. Отношения с пользователем (заказчиком)
- •3.1.4. Принципы и методы обеспечения надежности
- •3.1.5. Последовательность выполнения процессов разработки программного обеспечения
- •3.1.6. Сравнение надежности аппаратуры и программного обеспечения
- •3.2. Основные этапы проектирования программного обеспечения
- •3.2.1. Правильность проектирования и планирование изменений
- •3.2.2. Требования к по
- •3.2.3. Цели программного обеспечения
- •Цели продукта
- •Цели проекта
- •Общие правила постановки целей
- •Оценка целей
- •3.2.4. Внешнее проектирование
- •Проектирование взаимодействия с пользователем
- •Подготовка внешних спецификаций
- •Проверка правильности внешних спецификаций
- •3.2.5. Проектирование архитектуры программы
- •Независимость модулей
- •Прочность модулей
- •Сцепление модулей
- •3.2.6. Методы непосредственного повышения надежности модулей
- •Пассивное обнаружение ошибок
- •Активное обнаружение ошибок
- •Исправление ошибок и устойчивость к ошибкам
- •Изоляция ошибок
- •Обработка сбоев аппаратуры
- •3.2.7. Проектирование и программирование модуля
- •Внешнее проектирование модуля
- •Проектирование логики модуля
- •Пошаговая детализация
- •3.2.8. Стиль программирования
- •Ясность программирования
- •Использование языка
- •Микроэффективность
- •Комментарии
- •Определения данных
- •Структура модуля
- •3.3. Тестирование и верификация программ
- •3.3.1. Проблемы тестирования программ
- •3.3.2. Технологии тестирования программ
- •3.3.3. Принципы тестирования
- •3.4. Модели надежности по
- •3.4.1. Модель роста надежности
- •3.4.2. Другие вероятностные модели
- •3.4.3. Статистическая модель Миллса
- •3.4.4. Простые интуитивные модели
- •3.4.5. Объединение показателей надежности
- •Вопросы и задания
- •Список литературы
- •4. Диагностика состояния сложных технических систем
- •4.1. Предмет, задачи и модели технической диагностики
- •4.1.1. Предмет технической диагностики
- •4.1.2. Основные аспекты, задачи и модели технической диагностики
- •4.1.3. Классификация диагностических процедур и их краткая характеристика
- •4.2. Построение тестов
- •4.2.1. Построение тестового набора методом активизации существенного пути
- •4.2.2. Алгоритм построения тестового набора для комбинационной схемы методом активизации существенного пути
- •4.2.3. Построение тестов для схем с памятью
- •Комбинационная модель последовательностной схемы
- •Построение тестовой последовательности по комбинационной модели последовательностной схемы
- •4.3. Функциональный контроль и диагностирование сложных технических систем
- •4.3.1. Полностью самопроверяемые цифровые устройства
- •4.3.2. Схемы встроенного контроля
- •4.3.3. Схемы сжатия
- •4.3.4. Микропроцессор как объект функционального контроля
- •4.3.5. Модель мп с точки зрения функционального контроля
- •4.3.6. Диагностическая модель уу мп системы
- •4.3.7. Критерии оценки методов контроля механизмов выборки, хранения и дешифрации команд
- •4.3.8. Встроенный функциональный контроль механизмов хранения и дешифрации команд
- •Методы пошагового контроля правильности хода программ
- •Методы контроля, реализующие раскраску команд
- •Метод контроля, использующий раскраску без учета структуры команд
- •Преобразованная программа приведена ниже:
- •Цвет Четность Цвет гса
- •Метод контроля команд, реализующий раскраску с учетом структуры команды
- •Раскраска без внесения в команду избыточных разрядов
- •Методы контроля механизмов дешифрации и хранения команд с помощью веса перехода
- •Метод контроля с помощью алгебраических кодов
- •Методы блокового контроля правильности хода программ
- •Блоковый контроль программ по методу разбиения программы на фазы (блоки)
- •Блоковый контроль правильности хода программ с помощью сигнатур
- •Метод контроля программ на основе полиноминальной интерпретации схем алгоритмов (программ)
- •Сравнительный анализ свк, реализующих методы блокового и пошагового контроля
- •4.4. Экспертные системы диагностирования сложных технических систем
- •4.4.1. Обучение и его модели. Самообучение
- •4.4.2. Экспертные системы и принципы их построения
- •4.4.3. Проблема разделения в самообучаемых экспертных системах
- •4.4.4. Алгоритмы обучения экспертных систем
- •Частота события находится по следующей формуле:
- •4.4.5. Асу «интеллектуальным зданием»
- •4.4.6. Система, принимающая решения по максимальной вероятности
- •4.4.7. Система, принимающая решения по наименьшему расстоянию
- •4.4.8. Повышение достоверности решений экспертной системы
- •4.4.9. Прогнозирование технического состояния узлов
- •Вопросы и задания
- •Список литературы
- •Приложение Интенсивность отказов компонентов иус
- •Кон Ефим Львович, Кулагина Марина Михайловна надежность и диагностика компонентов инфокоммуникационных и информационно-управляющих систем
3.2. Основные этапы проектирования программного обеспечения
Проектирование любого программного продукта состоит из нескольких различных этапов. При хорошо поставленном руководстве проектированием эти этапы явно выражены, так что могут быть установлены контрольные сроки, выбрана методология и по завершении каждого этапа можно проверить его результаты.
На рис. 3.2 представлены этапы проектирования типичной программной системы. Отметим, что приведенные этапы не зависят от методологии. Все указанные действия должны выполняться в той или иной форме, независимо от того, какой язык программирования был принят, писал ли пользователь исходные требования, использовалось ли «структурное программирование» или «объектно-ориентированное программирование».
Отметим, что проектирование ПО носит итеративный характер. Если на одном из этапов проектирования обнаружена ошибка, то для ее исправления иногда приходится возвращаться на один из предыдущих этапов, куда именно – зависит от типа ошибки. Этот итеративный подход отражен на рис. 3.2. наличием стрелок, по которым возможны переходы между этапами, как при наличии ошибок, так и при отсутствии ошибок. Рассмотрим сначала последовательность этапов проектирования в предположении, что ошибок обнаружено не было.
Рис. 3.2. Этапы проектирования надежного ПО
На первом этапе составляется перечень требований, т.е. четкое определение того, что пользователь ожидает от готового продукта. Следующий этап касается постановки целей – задач, которые ставятся перед окончательным результатом и самим проектом. Затем выполняется внешний проект высокого уровня. На этом этапе определяется взаимодействие с пользователем, но не рассматриваются многие его детали, такие как, например, форматы ввода-вывода.
Исходный внешний проект приводит к двум параллельно выполняемым этапам. В процессе детального внешнего проектирования завершается определение взаимодействия с пользователем, описываются его мельчайшие подробности. На этапе разработки архитектуры системы выполняется разложение ее на множество программ, подсистем или компонент и определяются сопряжения между ними. Эти два этапа ведут к этапу проектирования структуры программы, в котором проектируются модули, их сопряжения и взаимосвязи для каждой программы, компоненты или подсистемы. Следующий этап – внешнее проектирование модуля – это точное определение всех сопряжений модуля. За ним следует этап проектирования логики модуля, т.е. разработки внутренней логики каждого модуля системы, он включает также выражение этой логики текстом конкретной программы.
Если в ПО предусмотрена база данных, то наличествует этап ее проектирования. Это определения всех внешних для программной системы структур, например записей в файле или в базе данных.
Как уже говорилось, в работе над любым реальным проектом последовательность этапов проектирования не так проста. Есть и существенная обратная связь между этапами. Например, во время одного из шагов этапа внешнего проектирования могут быть обнаружены погрешности в формулировке целей, тогда нужно немедленно вернуться и исправить их. При проектировании структуры программы можно внезапно обнаружить, что указанная во внешних спецификациях функция неосуществима или обойдется слишком дорого, тогда может понадобиться принять компромиссное решение и изменить внешние спецификации.
В качестве примера проектирования рассмотрим ПО для системы управления «интеллектуальным зданием», реализованной по технологии Feildbus. Это распределенная система, под которой понимают совокупность автономных контроллеров управления и систем, объединенных в коммуникационные подсети для накопления данных и действующих совместно для решения общей задачи диспетчерского управления «интеллектуальным зданием». Посредством сети происходит координация распределенных процессов и обмен информацией. В отличие от централизованных систем здесь нет единого устройства управления. Различные процессы, такие как обеспечение потребителей электроэнергией, газом, холодной и горячей водой, информационными ресурсами, охранная и аварийная сигнализация, не только управляются автономно, но и внутри отдельного процесса возможно распараллеливание задач. В системе также наличествует база данных, учитывающая потребление каждого вида ресурсов, а также все аварии и сроки их устранения.
Для некоторых программных систем не все этапы, приведенные на рис. 3.2, являются обязательными. Часто отсутствуют этапы проектирования архитектуры системы и проектирования базы данных; этапы исходного и детального внешнего проектирования также зачастую сливаются воедино. В данном учебном пособии в качестве единого сквозного примера возьмем один из проектов, в которых реализуются не все этапы – разработку лабораторной работы для изучения циклических кодов (ЦК). ЛР содержит 4 задачи:
1. Тестирование при допуске к ЛР. Тестирование осуществляется стандартной программой тестирования и требует только разработки собственно тестов.
2. Проектирование в среде Matlab (создание проекта системы). Проектирование состоит в построении функциональных моделей кодера ЦК, канала передачи данных и декодера ЦК с использованием библиотеки Simulink.
3. Исследование и анализ характеристик смоделированной системы. Характеристики изучаются на базе аналитической и имитационной моделей, которые программируется на базе встроенного в Matlab языка программирования.
4. Внедрение проекта, в частности программирование промышленных контроллеров с использованием соответствующей инструментальной среды (Triplex Isagraf 4.2) для реализации спроектированной системы передачи данных или отдельных ее функциональных узлов.