Методика построения комплексов аппаратно-программных средств на основе ресурсосберегающих технологий

Размещено на http://www.allbest.ru/

¹ АО «НИИ «Рубин», Санкт-Петербург, Россия

² СПбГУ им. проф. Бонч-Бруевича, Санкт-Петербург, Россия

Методика построения комплексов аппаратно-программных средств на основе ресурсосберегающих технологий

В.И. Курносов ¹, А.В. Шестаков ²

Аннотация

Рассматривается комплексная методика обоснования структуры комплексов аппаратно-программных средств, обладающей минимальной избыточностью с возможностью рационального расхода ресурса в процессе эксплуатации.

Ключевые слова: методика, эксплуатационная надежность, ресурсосбережение, функциональные преобразования, аварийное множество, дефекты, производительность.

Abstract

The complex method of substantiation of the structure of hardware and software systems with minimal redundancy with the possibility of rational resource consumption in the process of operation is considered.

Keywords: methods, robustness, resource saving, functional conversion, emergency multiple, defects, performance

Эксплуатационно-экономические показатели телекоммуникационной системы (ТКС) во многом будут определяться эксплуатационно-техническими возможностями комплексов аппаратно-программных средств (КАПС), их образующих. При этом одним из важнейших показателей современных КАПС, определяющих характер функционирования мультисервисной ТКС, является их надежность. Сложность реализации используемого и вновь разрабатываемого радиоэлектронного оборудования, многообразие режимов его функционирования, динамика условий применения по назначению определяют реализуемость требований по надежности к КАПС, которые в ряде случаев не выполняются.

Вместе с тем вопросы обеспечения безотказности КАПС приобретают особое значение, что обусловлено рядом объективных и субъективных факторов: возрастанием цены отказов; появлением у интегрированных комплексов новых свойств, обусловленных их различной аппаратно-программной реализацией, усугубляющих последствия отказов; необходимость обеспечения высокой эффективности работы ТКС в условиях дестабилизирующих факторов и т.д. [1].

В соответствии с множественным описанием принципов функционирования КАПС в ТКС и разработанным на его основе комплексом аналитических моделей [2] качество обработки информации в информационных направлениях связи (ИНС) ТКС зависит от средней наработки на отказ КАПС, среднего времени их восстановления и вероятности безотказной работы непересекающихся множеств функциональных преобразований (НМФП), определяемых в том числе их коэффициентом приведения при эксплуатации.

Во многих работах [3, 4 и др.] приведена достаточно подробная классификация способов обеспечения выполнения требований по эксплуатационной надежности и отказоустойчивости КАПС на всех стадиях их жизненного цикла. Однако техническая реализация при современном состоянии технологий производства телекоммуникационного оборудования, пока не позволяет получить значительного увеличения (в 10-15 раз) средней наработки на отказ КАПС, необходимого для устойчивого функционирования ТКС и эффективного управления ТВФ [5]. Это вызывает необходимость дальнейшего поиска путей повышения безотказности РЭА. В частности, в известной литературе недостаточно полно определена возможность улучшения эксплуатационной надежности КАПС за счет применения ресурсосберегающих способов эксплуатации в процессе применения их по назначению.

Решение задачи обеспечения максимальной эффективности функционирования КАПС

Из проведенного анализа принципов построения инвариантных по каналообразованию транспортных сетей и выполненных исследований характера функционирования КАПС на сетях, решение задачи «качество сетевого ресурса - расход энергетических ресурсов (материальных средств)» целесообразно рассматривать на основе переключающегося критерия, отвечающего концепции адаптивной организации поведения сложных технических систем [6]:

(1)

Задача (1) формулируется следующим образом:

необходимо обеспечить такое распределение времени использования различного оборудования многофункциональных КАПС при эксплуатации их в ТКС на заданном интервале времени Т: , где - количество НМФП в структуре КАПС, которые максимизировали бы: среднюю наработку на отказ комплекса при для всех ; обслуживание всей поступающей нагрузки Z(t) на различные виды услуг с требуемым качеством (при условии, что минимально необходимая производительность КАПС меньше его возможностей, а энергетические возможности превышают их требуемое количество), или: достижение максимальной средней производительности на интервалах времени Z(t)=Z_max; выполнение требований по своевременности и достоверности передачи различных видов информации на заданном периоде эксплуатации оборудования (при условии, что энергетические возможности комплекса используются в полном объеме с задействованием всех ресурсов, в том числе в случаях воздействия дестабилизирующих факторов и ограничений на объем ресурсов: ).

Критерий (1) соответствует рассмотрению КАПС на уровне качества самоорганизации [6], отображает целевое предназначение КАПС в ТКС и отвечает системе предпочтений ЛПР. Критерий показывает возможность обмена разнородным трафиком в сети с требуемым качеством и минимальным расходом различных ресурсов.

Во многих случаях показатели, входящие в выражение (1), имеют противоречивые изменения под воздействием одних и тех же факторов. Так, например, увеличение за счет уменьшения нагрузки на КАПС; увеличение скорости и достоверности передачи сообщений, за счет увеличения мощности и дополнительного расхода ресурсов; уменьшение количества различных функциональных подмножеств, включаемых в КАПС для обеспечения возможности использования принципов ресурсосбережения [6] с целью повышения и возможность реализации мультисервисной, мультипротокольной архитектуры их построения; увеличение скорости передачи в ветвях КАПС для обеспечения своевременности и производительности и уменьшение ее для повышения достоверности; использование адаптивных систем управления ресурсами коммутационных центров (КЦ), цифровых систем передачи (ЦСП) (частотными, временными, пространственными, энергетическими) для повышения своевременности и достоверности в ЧНН и снижение за счет усложнения оборудования, приводящее к ухудшению производительности .

Таким образом, задача обеспечения максимальной эффективности функционирования КАПС является сложной, оптимизационной и требует разумного компромисса между путями повышения W(t), и .

В этом случае цель рационального управления ресурсами: достижение желаемого результата в пределах некоторого интервала времени [7] и обеспечение такого распределения времени активной работы между элементами КАПС, при котором их средняя наработка на отказ (или ) становится максимальной. Достижение второй составляющей данной сложной цели, в соответствии с критериальной функцией (1), осуществляется за пределами ЧНН и позволяет получить максимум производительности КАПС в рамках последнего за счет использования ресурсосберегающих технологий.

Комплексная методика обоснования структуры КАПС

Общую методику построения таких КАПС целесообразно рассматривать комплексно в сочетании двух других методик: “Методики сбора и обработки исходной информации для решения задачи построения ресурсосберегающих КАПС” и “Методики построения ресурсосберегающих КАПС”.

Первая включает в себя следующие основные этапы [6].

1. Анализ архитектуры, топологии построения ТКС, ранжирование ее элементов по степени критичности, определение перечня критичных элементов, т.е. КАПС, отказ которых однозначно приводит к перерывам в выполнении функциональных задач, либо к увеличению продолжительности подготовки сетевых ресурсов для предоставления услуг потребителям при выполнении задач по предназначению.

2. Составление обобщенной функциональной схемы КАПС, обеспечивающей выполнение требований W_ТР по эксплуатационной надежности (ЭН) для всех видов услуг и ИНС ТКС.

3. Сбор и первичная обработка данных по следующим направлениям:

топологическое преобразование функциональной схемы КАПС для выделения НМФП;

обоснование принципов модульной структуры КАПС (на основе базовых несущих конструкций (БНК));

выбор элементной базы для реализации КАПС с требуемой интенсивностью отказов невосстанавливаемых элементов;

составление логической структурной схемы надежности КАПС;

определение математического ожидания энергетических характеристик КАПС за счет совместного использования режимов работы функциональных подмножеств.

4. Расчет вероятностей исправной и безотказной работы НМФП КАПС для внезапных отказов на основе справочных данных в заданные интервалы времени: расчет вероятности повреждений НМФП.

5. Оценивание степени равнопрочности НМФП КАПС.

6. Построение функций вероятности безотказной работы (ВБР) конфигураций КАПС.

Основным содержанием второй методики является получение оценок ВБР конфигураций КАПС от объема различных видов избыточности и режимов их эксплуатации, а также разработка алгоритмов реконфигурации структуры, в зависимости от внешних и внутренних условий эксплуатации. Она включает в себя следующие основные этапы:

1. Определение необходимого для каждого КАПС объема резерва максимизирующего (1) на заданном периоде функционирования ТКС.

2. Построение зависимостей значений ВБР элементов КАПС в зависимости от видов вводимой избыточности в КАПС.

3. Определение рационального плана формирования резервов элементов КАПС. На этом этапе производится:

отыскание вектора рациональных управляющих воздействий для каждого элемента КАПС с учетом их коэффициентов приведения;

расчет ВБР каждого элемента КАПС, достигаемых при реализации рационального плана формирования резервов;

определение рационального значения суммарных эксплуатационных затрат на содержание каждого элемента КАПС;

расчет вероятности успешного выполнения функциональных задач всеми конфигурациями критичных КАПС в перспективных ТКС.

Структура методики построения КАПС представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Структура методики построения ресурсосберегающих КАПС ТКС.

Учитывая тот факт, что “Методика сбора и обработки информации для решения задачи построения КАПС” включает этапы, содержание которых достаточно подробно отражено в известной научно-технической литературе, целесообразно основное внимание уделить второй методике [2].

Проведенный анализ процессов эксплуатации и восстановления КАПС показал, что для решения широкого класса задач по управлению функционированием ТКС важное значение имеет умение оценивать состояние ее элементов. Следовательно, качество эксплуатации КАПС в значительной мере определяется уровнем организации диагностического обеспечения. Под последним понимают [8] комплекс взаимоувязанных правил, методов, алгоритмов и средств, необходимых для осуществления диагностирования на всех этапах жизненного цикла объекта.

Для выявления наиболее существенных параметров, влияющих на производительность КАПС, рассмотрим процесс его функционирования, который в виде состояний и событий приведен на рисунке 2 и соответствует обобщенному виду (1) множества состояний.

Рис. 2. Схема основных состояний КАПС и событий, характеризующих
возможную их смену.

На рисунке 2 цифрами обозначены следующие события: 1 - повреждение; 2 - отказ; 3 - восстановление работоспособности; 4 - восстановление правильности функционирования; 5 - восстановление исправности. аппаратный программный избыточность рациональный

Переход КАПС из состояния в состояние происходит вследствие дефектов. Применительно к исследуемому объекту все их можно разделить следующим образом:

дефекты, фиксируемые встроенной системой технического диагностирования (ВСТД), вызывающие переход КАПС в неисправное, но работоспособное состояние;

дефекты, фиксируемые ВСТД, приводящие к переходу КАПС в одно из частично работоспособных состояний (характеризуемое уменьшением производительности);

нефиксируемые дефекты, непосредственно не влияющие на работоспособность объекта;

дефекты, вызывающие полный отказ КАПС или переводящие его в состояние “не функционирует”.

Первая группа дефектов характерна для НМФП, обладающих резервом в структуре КАПС. При их появлении происходит автоматическое включение резервного множества (РМ) на основе идентификации повреждения и его устранения за время . Потери производительности для этой группы определяются временем перехода (Т_п) с основного множества (ОМ) на РМ.

Другая часть дефектов, переводящих КАПС в неисправное состояние и непосредственно не влияющих на его работоспособность, но снижающих качество функционирования, также увеличивает потери производительности. Так, отказы ВСТД усложняют решение задач поиска повреждений, и в процессе эксплуатации КАПС они не всегда обнаруживаются, а, следовательно, при дефектах НМФП приводят к существенному увеличению Т_В работоспособности КАПС, которое уменьшает производительность последнего.

Третья часть дефектов ОМ вызывает переход комплексов в аварийный режим работы, и тогда потери производительности ветвей ТКС, образованных КАПС, определяются как Т_П, так и временем восстановления ОМ (Т_в). Иногда отказы порежимных множеств функциональных преобразований (ФП) ТТС (для каналообразующих КАПС - канального оборудования) приводят к возникновению частично работоспособных состояний, и потери зависят только от их Т_В.

Четвертая группа дефектов переводит КАПС в состояние “не функционирует”, т.е. происходит его полный отказ - событие, заключающееся во временном прекращении его применения по назначению. Тогда потери производительности зависят от времени восстановления ОМ, исходом которого является возникновение одного из состояний: либо “правильно функционирует”, либо “работоспособно”.

Таким образом, средние потери производительности КАПС ТКС зависят от большого количества факторов, влияющих на изменения Т_п и Т_В. Анализ специальных работ в области разработки системы постоянного мониторинга и управления техническими состояниями техники связи и АСУ и исследование состояния существующего парка техники электросвязи показал, что наиболее существенными из всей совокупности являются:

уровень агрегатов, заменяемых при отказах;

виды запасных частей в ЗИП и их соответствие принятому уровню агрегатирования;

типы повреждений и отказов КАПС;

наличие ВСТД и степень полноты проверки ею правильности функционирования НМФП;

наличие системы внешнего контроля (СВК), позволяющей осуществить ручной поиск дефектов;

наличие диагностических программ, обеспечивающих возможность восстановления КАПС операторами с недостаточно высокой квалификацией и др.

Из рисунка 2 следует, что для снижения средних потерь производительности требуется увеличивать полноту автоматической проверки правильности функционирования НМФП, которая снижает число отказов в неконтролируемой части КАПС, и добиваться уменьшения Т_В и Т_п. Однако уменьшение Т_В и Т_П за счет автоматизации процессов поиска дефектов приводит к усложнению ВСТД, безотказность которой влияет на качество применения КАПС. Более того, если в КАПС исключить возможность участия оператора с помощью системы внешнего контроля в процессе восстановления, то при отказе ВСТД резко возрастет функция потерь за счет увеличения Т_В. В целом разделение процессов восстановления КАПС на восстановление правильности функционирования (способности комплексов передавать информационные потоки сообщений) Т_ВФ, работоспособности Т_ВР и исправности Т_ВИ позволяет сократить время простоя аппаратуры при увеличении общего времени перевода системы в исправное состояние. Сложный характер взаимосвязи между отдельными параметрами КАПС требует более детального исследования вопросов определения путей снижения потерь производительности ТКС из-за отказов НМФП.

В [6] показано, что для решения этой задачи в общем виде может быть использована модель, которая учитывает, что у ОМ в КАПС есть аварийное множество (АМ):

, (2)

где ; - параметры инерционности ВСТД и оператора, соответственно.

Если элементы основного множества КАПС зарезервированы , выражение (2) примет вид:

где Р_ом - вероятность безотказной работы ОМ; С _ параметр, связывающий вероятность безотказной работы АМ с Р_ом, который лежит в пределах 0С1; Q_ом=1 - Р_ом; ₁0 - параметр, связывающий вероятность безотказной работы встроенной системы функционального контроля (ВСТД-1) с Р_ом; ₂ - параметр, связывающий вероятность безотказной работы встроенной системы локализации дефектов (ВСТД-II) с Р_ом, (0₂1); L - количество РЭМ в структуре ОМ КАПС; В=В - В_р, В - пропускная способность КАПС при работоспособности ОМ; В_р - пропускная способность при переходе КАПС на АМ; у=В/В, Z=t_o/t_B, t_o - время поиска повреждений с помощью СВК; t_B - время поиска повреждения с помощью ВСТД-II; t_пo - время идентификации отказов ОМ ВСТД-I и перехода КАПС на АМ; t_пр - время идентификации отказа ОМ СВК и перехода КАПС на АМ.

Проведем анализ влияния параметров a₁, t_по и t_пр на потери производительности КАПС. На рисунке 3 показаны зависимости относительного выигрыша снижения потерь производительности от использования аварийного режима (от параметра y) для фиксированных значений C, a₂, a₁, Z, P_ом. Из них видно, что уменьшение безотказности ВСТД-I существенным образом (параметр a₁) ограничивает эффективность применения КАПС.

Более того, в области малых значений y невысокая надежность ВСТД-I приводит к снижению выигрыша, получаемого от введения в КАПС ТКС ВСТД-II. Следовательно, при оценке целесообразности применения аварийного режима для ОМ с автоматизированной проверкой правильности функционирования в рабочем режиме требуется детальный анализ эксплуатационной надежности технических средств контроля. При этом желательно обеспечивать их безотказность, значительно более высокую, чем у основного множества (a₁<0,1). Важное значение для практических решений имеет также возможное снижение эффективности функционирования КАПС, когда улучшаются параметры ВСТД-I (a₂) за счет увеличения веса t_пр, вызванного возможными ошибками оператора, а следовательно, дополнительными затратами времени на проверку работоспособности ОМ с помощью автоматизированного поиска дефектов. Однако относительное ухудшение качества КАПС при уменьшении a₂ может быть компенсировано снижением времени ручного перехода на АМ. Это достигается с помощью косвенных методов контроля работоспособности ОМ или параллельным контролем РЭМ1 с подачей видео и (или) звуковых сигналов оператору. На рис. 4 представлены графики снижения средних потерь производительности КАПС ТКС, учитывающие комплексное использование аварийного режима с ВСТД-I для ОМ с ВСТД-II. Из них следует, что, когда y>2, применение АМ всегда целесообразно и даёт выигрыш (совместно с ВСТД-II) .

Рис. 3. Оценка влияния безотказности ВСТД-I на эффективность применения аварийного режима в КАПС.

Таким образом, наибольший выигрыш в повышении эффективности КАПС достигается увеличением параметра - y (рисунок 4), а значит, совершенствованием структурных взаимосвязей основного оборудования и обеспечением высокой производительности АМ. Проведённое исследование влияния параметров системы восстановления и её безотказности на производительность КАПС ТКС показывает существование областей, в которых наиболее целесообразно изменять тот или иной параметр функции (2), что возможно использовать при синтезе рациональной структуры подсистем (ОМ, АМ) комплексов на основе критериальной зависимости (1).

Рис. 4. Общий выигрыш в эффективности функционирования КАПС от применения аварийного режима с ВСТД-I,II.

Заключение

Таким образом, комплексная методика (рисунок 1) позволяет обосновать структуру КАПС, обладающую минимальной избыточностью с возможностью рационального расхода ресурса в процессе эксплуатации.

В общем случае решение задач, рассмотренных в данном параграфе, позволяет создать ТКС с показателями, обеспечивающими предоставление пользователям сетевого ресурса требуемого качества в заданных объемах, в различных условиях и задачах по связи.

Однако реализация потенциальных возможностей создаваемого сетевого ресурса возможна только при эффективном управлении данным ресурсом на всех уровнях обеспечения эксплуатации ТКС. Поэтому в дальнейшем целесообразно исследовать методический аппарат управления формируемым ресурсом и возможную техническую реализацию основных предложений по построению ресурсосберегающих КАПС.

Литература

1. Рябинин И.А. Надежность и безопасность структурно-сложных систем.- СПб.: Политехника, 2000.- 248 с.

2. Курносов В.И. Методологические основы управления качеством функционирования ведомственных телекоммуникационных систем. Монография. - СПб.: ФГУП «НИИ «Рубин», 2007. - 412 с.

3. Бакланов И.А. Измерительные технологии в телекоммуникационных системах.- М.: Эко-Трендз, 1998.- 183 с.

4. Сифоров В.И. О методах расчета надежности работы систем, содержащих большое число элементов. // Радиотехника, 1995, № 4-5.

5. Курносов В.И., Лихачев А.М. Тенденции технического и технологического развития телекоммуникационных сетей. - СПб.: Изд-во «АБРИС», 1997.- 439 с.

6. Курносов В.И., Лихачев А.М. Методология проектных исследований и управление качеством сложных технических систем электросвязи. - СПб.: Изд-во «ТИРЕКС», 1998.- 496 с.

7. Петухов Г.Б. Основы теории эффективности целенаправленных процессов. Ч.1. Методология, методы, модели. -Л.: Изд-во МО, 1989. - 660 с.

8. Ксенз С.П., Лихачев А.М., Климентов В.И. Теоретические и прикладные задачи диагностирования средств связи и автоматизации / Под ред. С.П. Ксенза -Л.: ВАС, 1990. - 227 c.

Размещено на Allbest.ru