Разработка программы для интерактивного выполнения расчета надежности ВС

Содержание

Введение

      На  сегодняшний день надежность вычислительной системы имеет главенствующее значение, так как является средством обеспечения своевременной и достоверной информации на ее выходе.

      Несмотря  на широкое разнообразие существующих методов создание специализированных программных средств по расчету надежности на сегодняшний день редкость. Естественно проведение расчетов надежности сложная, тесно связанная с процессом проектирования и разработки задача, алгоритмизация которой проблематична. Тем не менее выполнение ориентировочного расчета, позволяющего судить о принципиальной возможности обеспечения требуемой надежности, необходимо при выборе той или иной конфигурации, вычислительной системы или выборе ее компонентов.

      Целью данного проекта являлась разработка алгоритмического и программного обеспечения ориентировочного расчета надежности вычислительных средств.

    Для этого было необходимо решить следующие задачи:

• проанализировать особенности вычислительных систем, как объекта расчета надежности;
• осуществить выбор метода расчета надежности вычислительной системы;
• разработать алгоритмическое и программное обеспечение для проведения ориентировочного расчета надежности вычислительных систем.

1. Анализ особенностей расчета надежности  
вычислительных систем

1.1. Особенности вычислительной системы как объекта с позиции надежности

      Информационно-вычислительная система – это сложная программно-аппаратная система, включающая в свой состав эргатические (человеко-машинные) звенья, технические или аппаратные средства и программное обеспечение. При анализе надежности вычислительных средств, необходимо учитывать две их составляющие: надежность аппаратных средств и надежность программного обеспечения. Если методы исследования и обеспечение надежности технической (аппаратной) составляющей системы аналогичны соответствующим мероприятиям других устройств, то программное обеспечение отличается от подобной методологии. Так, при исследовании этих структур имеется в виду достоверность информации, ее корректность, правильность ее интерпретации.

      Названные категории не исключают, а взаимно  дополнят друг друга, поскольку в  такой сложной системе, как вычислительно-информационная, обеспечить необходимый уровень надежности можно, только учитывая особенности ее составляющих.

      Самые совершенные начальные технические  характеристики технических устройств являются необходимыми, но недостаточными условиями высоких эксплуатационных качеств этих устройств. Начальные характеристики технических устройств показывают его потенциальные технические возможности. Важным является способность технических устройств сохранять эти характеристики в течение всего жизненного цикла или в процессе эксплуатации.

      Способность технических устройств сохранять  свои первоначальные технические качества в процессе эксплуатации называется надежностью.

      Эта способность зависит как от свойств, которые были заложены в устройства в процессе проектирования и изготовления, так и от интенсивности эксплуатации, правильности и своевременности технического обслуживания. Поэтому физический смысл надежности состоит в способности сохранять эти свойства, сопротивляться агрессивным эксплуатационным факторам. Надежность может выступать как в качестве самостоятельной эксплуатационной характеристики, так и служить составляющей других эксплуатационных характеристик.

      Определение надежности в соответствии с ГОСТ 27.002-83, отражает важную эксплуатационную сущность этого показателя. Под надежностью понимается свойство устройств выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные характеристики в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки в определенных условиях эксплуатации.

      В соответствии с определением, надежность является сложным свойством. Именно благодаря надежности, устройство выполняет определенные функции, делая это в течение некоторого срока, с заданным качеством. Это происходит вследствие наличия таких составляющих надежности, как безотказность, ремонтопригодность, долговечность и сохраняемость.

      Основными признаками, по которым подразделяют изделия при задании требований по надежности, являются определенность назначения изделия, число возможных (учитываемых) состояний изделий по работоспособности в процессе эксплуатации, режим применения (функционирования), возможные последствия отказов и (или) достижения предельного состояния при применении и (или) последствия отказов при хранении и транспортировании, возможность восстановления работоспособного состояния после отказа, характер основных процессов, определяющих переход изделия в предельное состояние, возможность и способ восстановления технического ресурса, (срока службы), возможность и необходимость технического обслуживания, возможность и необходимость контроля перед применением.

      По  определенности назначения изделия  подразделяют на изделия конкретного назначения (ИКН), имеющие один основной вариант применения по назначению и изделия общего назначения (ИОН), имеющие несколько вариантов применения. Большинство используемых ВС используются для обработки и хранения информации и поэтому могут быть классифицированы как ИОН.

      По  числу возможных (учитываемых) состояний (по работоспособности) изделия подразделяют на изделия вида I, которые в процессе эксплуатация могут находиться в двух состояниях - работоспособном или неработоспособном и изделия вида II, которые, кроме указанных двух состояний, могут находиться в некотором числе частично неработоспособных состояний, в которые они переходят в результате частичного отказа.

      Для ВС возможно частично неработоспособное  состояние, например, когда не хватает  оперативной памяти для запуска  приложения или отказ произошел в компоненте, который может рассматривать как резервированный – клавиатура и мышь.

      По  режимам применения (функционирования) изделия подразделяют на изделия непрерывного длительного применения, изделия многократного циклического применения, изделия однократного применения (с предшествующим периодом ожидания применения и хранения).

      По  возможности восстановления работоспособного состояния после отказа в процессе эксплуатации изделия подразделяют на восстанавливаемые и невосстанавливаемые. При анализе надежности, особенно при выборе показателей надежности объекта, существенное значение имеет решение, которое должно быть принято при отказе объекта. Если в рассматриваемой ситуации восстановление работоспособности данного объекта в случае его отказа по каким-либо причинам признается нецелесообразным или неосуществимым (например, из-за невозможности прерывания выполняемой функции), то такой объект в данной ситуации является невосстанавливаемым. Таким образом, один и то же объект в зависимости от особенностей или этапов эксплуатации может считаться восстанавливаемым или невосстанавливаемым.

      Поскольку в техническом задании не указано  конкретное назначение ВС, то критические системы не рассматриваются и можно при расчетах надежности считать ВС – восстанавливаемым объектом.

1.2. Выбор номенклатуры показателей надежности ВС

      Под номенклатурой показателей надежности понимают состав показателей, необходимый и достаточный для характеристики объекта или решения поставленной задачи. Полный состав номенклатуры показателей надежности, из которой выбираются показатели для конкретного объекта и решаемой задачи, установлен ГОСТ 27.002-89.

      Количественные характеристики надежности всегда принимаются во внимание при решении различных вопросов эксплуатации и технического обслуживания. Количественное определение надежности появилось с возникновением теории надежности. Математической платформой теории надежности информационных систем являются теория вероятностей и математическая статистика. Действительно, отказы в ТУ происходят случайным образом в неожиданные моменты времени. Это характерно даже для множества однотипных устройств, изготовленных на одном предприятии и поставленных на эксплуатацию в одно и то же время. Несмотря на единый проект, одинаковость технологии производства – каждый из них имеет индивидуальную способность сохранять свои первоначальные качества. Первоначально кажется, что никакой закономерности в появлении отказов нет. Тем не менее, такая закономерность существует. Проявляется она тогда, когда ведется наблюдение не за одним, а за многими техническими устройствами, находящимися в эксплуатации.

      В качестве основной количественной меры надежности технических устройств, характеризующей закономерность появления отказов во времени, принята вероятность безотказной работы.

      Вероятность безотказной работы (ВБР) – это  вероятность того, что за определенное время работы устройства и в заданных условиях эксплуатации отказа не происходит.

      На  практике определяют оценки этих вероятностей. Пусть N – это общее количество однотипных устройств, эксплуатируемых в течение времени t . За это время N(t) устройств работало безотказно, а n(t) – отказало. Статистическая вероятность безотказной работы определяется выражением (N-n(t))/N или N(t)/N.

      Вероятность безотказной работы P(t), как количественная характеристика надежности, обладает следующими достоинствами:

      характеризует изменение надежности во времени;

      она входит во многие другие характеристики аппаратуры (например стоимость изготовления);

      охватывает  большинство факторов, влияющих на надежность, и поэтому достаточно полно характеризует надежность;

      может быть получена расчетным путем до изготовления системы;

      является  характеристикой как простейших элементов, так и сложных систем.

      Это явилось причиной наибольшего распространения  этой характеристики, однако она имеет существенные недостатки:

      характеризует надежность восстанавливаемых систем только до первого отказа;

      не  дает возможности установить будет  ли готова система к действию в данный момент;

      Эти недостатки позволяют сделать вывод, что вероятность безотказной работы, как, впрочем, и любая другая характеристики, не полностью характеризуют такое свойство как надежность, и поэтому не может быть с ним отождествлена.

      Числовой  характеристикой, которая путем  учета отказавших однотипных объектов позволила бы определить уровень надежности этих объектов в любой момент времени, является интенсивность отказов. Она определяется количеством отказов Dn в интервале Dt, отнесенных к исправно действующим однотипным устройствам в данном интервале.

      Интенсивность отказов как количественная характеристика надежности позволяет охарактеризовать надежность аппаратуры лишь до первого отказа.

      Интенсивность отказов имеет характерные изменения  в процессе эксплуатации. Характерными являются 3 участка, получившие название периодов приработки, нормальной эксплуатации (II) и период износа и старения (III). В первом периоде проявляются конструктивно производственные недостатки, и временная зависимость отказов скачкообразно изменяется. Во II периоде отказы происходят в основном из-за нарушений или изменений условий эксплуатации, поэтому считается, что  при выполнении условий эксплуатации интенсивность отказов постоянна и не зависит от времени. В связи с этим на практике интенсивность отказов наиболее часто используемая характеристика надежности, которая приводится в нормативно-справочной документации или в специальных справочниках по надежности элементов и узлов, а также легко может быть получена по другим известным показателям надежности.

      В технических описаниях компонентов  вычислительных систем наиболее часто приводят значения среднего время безотказной работы или средней наработки на отказ. Если некоторое количество из множества однотипных устройств, находящихся в эксплуатации, проработает безотказно какое-то время t£T, причем каждый из устройств – свое, остальные же откажут раньше, чем наступит время T . Отсюда время T можно рассматривать как математическое ожидание отрезков времени безотказной работы этих однотипных устройств.