Разработка программы для интерактивного выполнения расчета надежности ВС

      Основным  достоинством среднего времени безотказной работы является его простота вычисления из экспериментальных данных об отказах аппаратуры. Однако оно характеризует надежность до первого отказа. Среднее время до отказа является естественным показателем надежности, но не применимо в тех случаях, когда:

      время работы системы гораздо меньше среднего времени безотказной работы;

      система резервированная;

      время работы отдельных частей сложной  системы разное.

      У восстанавливаемых объектов, среднее  время до первого отказа может существенно отличаться от среднего времени между первым и вторым отказами, вторым и третьим и т.д. Поэтому надежность аппаратуры длительного использования оценивают, в отличие от среднего времени безотказной работы, так называемой наработкой на отказ. Наработкой на отказ называется среднее значение времени между соседними отказами, при условии восстановления каждого отказавшего элемента. Наработка на отказ является достаточно наглядной характеристикой надежности, поэтому получила широкое распространение на практике. Однако, наработка на отказ характеризует надежность ремонтируемого объекта и не учитывает времени, затрачиваемого на его восстановление и не характеризует готовность объекта к выполнению своих функций в нужное время. Для этой цели используют коэффициент готовности.

      Коэффициент готовности – вероятность того, что восстанавливаемый объект окажется работоспособным в произвольный момент времени его использования по назначению. Согласно статистическому определению коэффициент готовности – отношение времени исправной работы к сумме времен исправной работы и вынужденных простоев изделия, взятых за один и тот же календарный период.

      Коэффициент готовности, как правило, учитывает  свойства аппаратурной безотказности и восстанавливаемости. Если под отказом понимать не только отказ аппаратуры, но любой отказ системы в выполнении заданных функций (в том числе вызванный дефектами программного обеспечения, снижением достоверности и т.п.), тогда коэффициент готовности может выполнять роль комплексного показателя надежности информационно-вычислительной системы, учитывающего и другие свойства системы.

      Ремонтопригодностью называется способность технического устройства к восстановлению в процессе эксплуатации. Показателями ремонтопригодности могут быть: вероятность восстановления системы за заданное время Pв(t), среднее время восстановления tв, и интенсивность восстановления m.

      Наиболее  часто для оценки ремонтопригодности ВС применяется среднее время восстановления. Эта характеристика наиболее наглядна, она во многом определяет такой важный показатель качества ВС, как готовность к работе. Она является интегральной, поэтому обладает следующим недостатком: неполно характеризует ремонтопригодность ВС, если закон распределения времени восстановления не однопараметричный и для оценки ремонтопригодности требуется знание моментов высшего порядка. В процессе эксплуатации среднее время восстановления может быть получено экспертными методами.

      Важнейшей характеристикой ремонтопригодности технических устройств вычислительных машин и систем является интенсивность их восстановления. Это объясняется тем, что большинство показателей качества ВС в процессе их проектирования вычисляются через интенсивности восстановления их устройств.

      Выбор показателя зависит в основном от общего назначения системы, но на него может влиять также и степень важности или ответственности функций, выполняемых системой. При рассмотрении ВС – как восстанавливаемой в качестве основного показателя надежности следует выбрать комплексный - коэффициент готовности, характеризующий одновременно безотказность и ремонтопригодность, а дополнительно использовать единичные – безотказности – среднюю наработку на отказ и ремонтопригодности - среднее время восстановления.

1.3. Анализ возможностей применения различных методов для оценки надежности вычислительных средств

      Методы  расчета надежности подразделяют:

      по  составу рассчитываемых показателей  надежности ;

      по  основным принципам расчета.

      Показатели  надежности принято классифицировать по следующим признакам:

      1) по свойствам надежности различают:

      - показатели безотказности;

      - показатели долговечности;

      - показатели ремонтопригодности;

      - показатели сохраняемости;

      2) по числу свойств надежности, характеризуемых показателем, различают:

      - единичные показатели (характеризуют одно из свойств надежности);

      - комплексные показатели (характеризуют одновременно несколько свойств надежности, например, безотказность и ремонтопригодность);

      По числу характеризуемых объектов различают:

      Групповые показатели – показатели, которые могут быть определены и установлены только для совокупности объектов; уровень надежности отдельного экземпляра объекта они не регламентируют.

      Индивидуальные  показатели – показатели, устанавливающие  норму надежности для каждого  экземпляра объекта из рассматриваемой  совокупности (или единичного объекта).

      Смешанные показатели могут выступать как групповые или индивидуальные.

      По источнику информации для оценки уровня показателя различают:

      расчетные показатели, 

      экспериментальные показатели,

      эксплуатационные  показатели,

      экстраполированные  показатели.

      По размерности показателя различают показатели, выражаемые  наработкой, сроком службы, ресурсом и  безразмерные (в том числе, вероятности событий).

      При рассмотрении показателей надежности следует различать:

      наименование  показателя;

      формулировку  показателя, содержащую указания о способах экспериментального или расчетного определения его численного значения;

      численные значения показателя.

      По  основным принципам расчета свойств, составляющих надежность, или комплексных показателей надежности объектов различают:

      методы  прогнозирования,

      структурные методы расчета,

      физические  методы расчета.

      Методы  прогнозирования основаны на использовании  для оценки ожидаемого уровня надежности объекта данных о достигнутых значениях и выявленных тенденциях изменения ПН объектов, аналогичных или близких к рассматриваемому по назначению, принципам действия, схемно-конструктивному построению и технологии изготовления, элементной базе и применяемым материалам, условиям и режимам эксплуатации, принципам и методам управления надежностью (далее - объектов-аналогов).

      Структурные методы расчета основаны на представлении  объекта в виде логической (структурно-функциональной) схемы, описывающей зависимость состояний и переходов объекта от состояний и переходов его элементов с учетом их взаимодействия и выполняемых ими функций в объекте с последующими описаниями построенной структурной модели адекватной математической моделью и вычислением ПН объекта по известным характеристикам надежности его элементов.

      Физические  методы расчета основаны на применении математических моделей, описывающих физические, химические и иные процессы, приводящие к отказам объектов (к достижению объектами предельного состояния), и вычислении ПН по известным параметрам нагруженности объекта, характеристикам примененных в объекте веществ и материалов с учетом особенностей его конструкции и технологии изготовления.

      Экспертные  методы основаны на использовании результатов  опроса экспертной группы, располагающей  информацией о надежности данной технологической системы и факторах, влияющих на качество изготовляемой продукции. Стандарт рекомендует использовать экспертные методы при невозможности или нецелесообразности использования расчетных, опытно-статистических или регистрационных методов (недостаточное количество информации, необходимость разработки специальных технических средств и т.п.).

      Методы  исследования и оценки надежности технических  средств и технологических процессов  обработки информации можно разделить на 4 группы: аналитические; экспериментальные; методы, основанные на статистическом моделировании; комбинированные.

      Под аналитическим исследованием надежности некоторой системы понимают расчет ее надежности на основе данных о надежности компонентов, структуре, условиях функционирования и режиме обслуживания. Применительно к информационно-вычислительным системам аналитическое исследование сводится к определению показателей безотказности и восстанавливаемости. Аналитическим путем может быть определено влияние различных факторов, найдены оптимальные требования к надежности ИС и ее компонентов, режимы технического обслуживания и т.д.

      Под экспериментальной оценкой надежности понимается определение и контроль различных показателей по результатам испытаний или наблюдений в процессе эксплуатации. Отличительной чертой экспериментальных методов является то, что они не требуют знания о надежности свойств компонентов системы. Экспериментальная оценка надежности ИС может реализовываться в двух вариантах: 1) организация специальных испытаний и 2) сбор статистических данных о работе системы в условиях нормальной или подконтрольной эксплуатации. Второй путь значительно дешевле первого, но результаты такой оценки формируются со значительным сдвигом во времени по отношению к моменту установки и сдачи системы. При экспериментальной оценки надежности решаются типичные задачи математической статистики, часто встречающейся на практике.

      Методы  статистического моделирования, как  и аналитические, требуют наличия данных о надежности компонентов. Метод статистического моделирования состоит в генерировании (с помощью случайных чисел) случайных отрезков времени безотказной работы и времени восстановления отдельных компонентов ИС, т.е. искусственном воспроизведении процесса функционирования системы. Комбинированные методы объединяют методы, рассмотренные ранее. Так, оценка характеристики отдельных компонентов ИС может устанавливаться в результате проведения экспериментов, а полученные результаты использоваться для статистического моделирования.

      Достоинством  методов статистического моделирования  является их универсальность для объектов любой структуры и при любых распределениях наработки на отказ и времени восстановления и может быть применен при отсутствии адекватных аналитических моделей.

Выводы  первой части

      1. Проведенный анализ показал, что  условия применения вычислительных систем допускают ее восстановление, поэтому за исключением критических систем, при расчетах надежности можно рассматривать вычислительную систему как восстанавливаемый объект общего назначения.

      2. Применение действующего стандарта  позволяет использовать в качестве количественной характеристики надежности – коэффициент готовности, определяемый как отношение времени исправной работы к сумме времен исправной работы и вынужденных простоев изделия, взятых за один и тот же календарный период. Выбор именно коэффициента готовности оправдан еще и его широкой распространенностью, так в большинстве научно-технических публикаций в качестве оценки надежности используется, именно этот показатель надежности.

      3. Анализ известных методов оценки  надежности показал, что сложность и трудоемкость экспериментальных методов не позволяет их использовать для конфигурируемых не в промышленных масштабах ВС, методы статистического моделирования являются наиболее универсальными и могут быть применены для окончательного расчета надежности, учитывающего режимы работы элементов. Для ориентировочного расчета надежности на этапе выбора конфигурации наиболее оптимально использование структурного расчета надежности, основанного на анализе структуры системы и справочных данных о серийно-выпускаемых компонентах ВС.

2. Обоснование выбора методов оценки производительности для построения экспертных оценок