Контрольная работа: Надежностная модель микроопераций и команд в бортовом радиотелеметрическом комплексе

Надежностная модель микроопераций и команд в бортовом радиотелеметрическом комплексе

Содержание

Введение. Постановка задачи

. Надежностная модель микроопераций и команд в БРТК

. Математическая модель фрагмента структуры БРТК как системы массового обслуживания

Выводы

Литература

Введение. Постановка задачи

В техническом задании на проектирование бортового радиотелеметрического комплекса (БРТК) заданы количественно требуемые показатели надежности: вероятность безотказной работы, коэффициент готовности, время работоспособности между отказами. Особенности БРТК, как объекта контроля, предъявляют к нему повышенные требования по выполнению поставленной перед ним задач. Одним из эффективных методов обеспечения требуемых показателей является разработка встроенного в БРТК автомата контроля его работоспособности и диагностики состояния.

Таким образом, очевидна общая постановка задачи контрольной работы:

разработать и формализовано представить математическую модель оценки надежности, учитывающую как функциональное, так и алгоритмическое обеспечение БРТК;

разработать и исследовать математическую модель «БРТК-автомат контроля и диагностики (АКиД)»;

разработать и исследовать модель «БРТК - АКиД» при реальном уровне надежности АКиД и с учетом выполнения соотношения аппаратно-программных затрат АКиД и БРТК в диапазоне 10-15%;

синтез перестраиваемой структуры АКиД, обладающей свойством самодиагностики.

Модель позволяет формировать различные рекомендации по повышению надежности за счет обоснованного выбора структуры системы, правил ее использования и методов технического обслуживания. Чем сложнее система и принципы организации ее структуры, функционирования и обслуживания, тем эффективнее на различных этапах проектирования, разработки и эксплуатации использование математических методов анализа и синтеза.

Каждая математическая модель является абстрактным описанием, и то лишь в той или иной плоскости, реального объекта. Она отражает лишь те стороны реального явления, которые являются решающими в конкретном исследовании. Другие, менее существенные свойства могут быть просто проигнорированы. Это может привести к тому, что модель может оказаться в определенном смысле несостоятельной. Однако необходимость исследования системы в целях устранения неполадок, отыскания путей ее улучшения, разработка методов и моделей рациональной эксплуатации приводит к необходимости более глубокого изучения системы. В этом смысле любая "наилучшая" математическая модель процессов функционирования сложной системы является лишь наиболее полным возможным приближением к исследуемому процессу на данном уровне его понимания.

Уточнение математической модели возможно лишь при дальнейшем изучении реального объекта, при сравнении теоретических результатов с опытными данными. Процесс создания адекватной математической модели заключается не только в теоретической разработке какой-либо гипотезы о реальном поведении объекта, но и в постоянной проверке соответствия принятой гипотезы имеющимся статистическим данным, получаемым опытным путем. Расчет надежности функционирования очень полезен на ранних этапах проектирования, когда возникает вопрос о сравнении различных возможных вариантов построения системы, ее архитектуры, организации вычислительных и информационных процессов и выбор наилучших из них. Расчеты надежности производятся на стадии технического проектирования, когда детально известны состав, структура и принципы функционирования системы, позволяющие проверить правильность принятых решений, найти слабые места и выработать рекомендации по повышению надежности функционирования.

Разработка математических моделей, адекватно описывающих процесс функционирования БРТК оказывается весьма сложной и трудоемкой, т.к. любая математическая модель отражает лишь часть определенных свойств исследуемой системы, причем в меру наших знаний о ней. В определенном смысле моделируется не сама система, как хотелось бы, а наше представление о ней. Тем не менее, даже порой чисто качественные и умозрительные представления о структуре системы с учетом всех существующих в ней связей, о характере ее функционирования с учетом всей возможной неопределенности различных внешних и внутренних факторов могут привести к построению таких математических моделей, анализ которых окажется невозможным даже при использовании самых современных ЭВМ. Эти модели будут слишком сложны, слишком большой размерности, исходные данные о различных важных факторах будут либо весьма недостоверными, либо вообще неизвестными.

Из этих замечаний следует, что к построению математических моделей необходимо относиться искусно: нужно уметь строить достаточно простую модель, которая при этом могла бы все же приводить к конструктивным выводам об исследуемой системе, хотя бы на качественном уровне.

Какие требования могут быть предъявлены к математической модели БРТК?

1)  математическая модель должна отражать основные свойства исследуемого объекта с точки зрения интересующей группы параметров;

2)  математическая модель должна быть достаточно простой в содержательном смысле, т.е. результаты ее анализа должны быть легко интерпретируемы. Это означает, например, что слишком подробная модель, обеспечивающая одновременное получение большого числа взаимосвязанных параметров, может и не быть наилучшим вариантом;

3)  математическая модель должна быть адаптированной под имеющиеся исходные данные. Как правило, наличие неполных или слишком недостоверных данных (а именно это и является, к сожалению, отличительной особенностью данных о надежности) делает оправданным упрощение математических моделей;

4)  математическая модель должна быть легко модифицируемой при появлении новых исходных данных или новых сведений о внутренней природе системы;

5)  математическая модель БРТК - объекта весьма сложного и содержательного характера, включающего в себя достаточно большое количество подсистем и устройств - должна быть сформулирована так, чтобы размерность этой модели позволяла бы проводить достаточно конструктивным образом расчеты на средствах вычислительной техники в разумные сроки. Особенно это касается моделей, которые предназначены для использования в режиме советчика в реальном масштабе времени.

В надежностных вероятностных моделях БРТК расчет различных характеристик производится исходя из структурных особенностей и непрерывности работы составляющих БРТК элементов, с учетом условий их эксплуатации. Такой подход к расчету надежностных характеристик дает существенно заниженные значения достоверной реализации задач контроля и управления, поскольку в известных моделях не учтено влияние реализации алгоритмов задач, так как в реальных структурах при выполнении большинства команд принимает участие лишь часть элементов, объединенных в подструктуру, соответствующую только определенной задаче или классу задач. Естественно, синтез систем поддержки функционирования БРТК на базе таких моделей приводил бы к низкой эффективности аппаратно-программных методов контроля.

Постановка задачи при логико-вероятностном подходе могла быть сформулирована следующим образом. Пусть БРТК, именуемая в дальнейшем объектом контроля (ОК) может быть представлена структурой , где S_i - подструктура, реализующая алгоритм  задач управления, образующий входной информационный поток. Появление на входе ОК может быть оценена вероятностными характеристиками (вероятностью появления , интенсивностью ). Каждая подструктура S_i в свою очередь образуется функциональными элементами, работающими в импульсном, непрерывном, импульсно-непрерывном режимах, а также принимающих высоко - импедансное состояние в зависимости от алгоритма задачи управления. Необходимо определить надежностные характеристики элементов подструктур, структуры в целом в зависимости от программно-аппаратных особенностей ОК, т.е. синтезировать алгоритмически - структурную модель БРТК. Поставленная задача будет рассматриваться в предположении простейшей модели информационного потока, простейшего потока отказов элементов и не восстанавливаемости элементов системы и безизбыточности подструктур.

Некоторым отдельным элементам поставленной задачи посвящено всего лишь несколько работ, которые представляют собой первые шаги по решению этой проблемы. Дело в том, что физико-химические процессы, приводящие к отказам элементов БРТК, очень сложны. К настоящему времени их природа исследована в очень малой степени.

Решение такой задачи жизненно необходимо при синтезе адекватных моделей надежности БРТК с многопроцессорной реализацией, матричных многопроцессорных систем с иерархической коммутацией, программируемой архитектурой, коммутационных структур с внешним управлением, коммутационных структур с самонастройкой, сосредоточенных систем сбора и обработки технической информации, в которых при решении определенной задачи используются не все элементы системы, а лишь определенная их часть, либо вся система в целом используется случайным образом.

Графически вышесказанное можно пояснить рисунком 1.

В общем случае структура БРТК может быть представлена статической структурой (S) и программным обеспечением (А). Под статической структурой будем понимать набор неделимых функциональных элементов Э_i функционально и конструктивно связанных между собой при проектировании, предназначенных для реализации полного набора программного обеспечения. Под динамической структурой S_i(A_i) будем понимать набор функциональных элементов и связей между ними для реализации заданного алгоритма А_i на определенном отрезке времени работы системы, т.е.  В силу специфики эксплуатации однородных по структуре БРТК возникают ситуации не использования части динамических структур.

Рисунок 1 - Структуры БРТК с произвольным использованием элементов в зависимости от алгоритмов решаемых задач: а) структура матричной БРТК с общим входным и выходным интерфейсом; б) структура матричной БРТК с терминальными интерфейсами; в) структура иерархической БРТК с радиальным интерфейсом; г) структура БРТК с магистральным интерфейсом

Детальный анализ структуры мультимикропроцессорной системы с изменяемой структурой показывает, что алгоритм А_i образуется базовым набором операций, микроопераций, набором элементарных команд и набором макроопераций. Элементарные команды образуются путем соответствующих суперпозиций микроопераций, которые реализуются организацией необходимой подструктуры микропроцессорной системы (МПС). Такую подструктуру могут образовывать элементы пространственно - распределенного коммутатора, ограниченное число элементарных процессоров - сумматоров (S), умножителей (М), интеграторов (И), дифференциаторов (Д), логических устройств (Л), памяти (П) и внутренней системы коммутации (КС) (рисунки 2, 3). Такой микропроцессор с перестраиваемой структурой практически универсален и может быть запрограммирован на любую необходимую крупную операцию О_iÎO, входящую в заданный набор макроопераций, путем соответствующей настройки КС и образования необходимых каналов связи между элементарными процессорами.

Программа П(О), содержащая коды операций О_i и перерабатываемая информация I поступают в МП по шинам данных и операций и расшифровываются местным устройством управления, которое выбирает из постоянной памяти в соответствии с заданной операцией необходимую программу коммутации и организует на ее основе необходимую систему каналов связи в коммутационной структуре, после чего соответствующая макрооперация реализуется образованной системой элементарных процессоров (рисунок 2).

Рисунок 2 - Микропроцессор (МП) с базовым набором элементарных процессоров, где ПП - постоянная память; МОП - местная операционная память; МУУ - местное устройство управления; КС - коммутационная структура

Рисунок 3 - Фрагмент формирования подструктуры S₁ в архитектуре мультипроцессорной системы при реализации алгоритма А₁

Фрагмент подструктуры S₁ в архитектуре мультипроцессорной системы формируется на выполнение алгоритма А₁ путем настройки каналов связи элементарных процессоров, выполняется в виде однородной регулярной структуры, состоящей из элементарных процессоров и окружающей их коммутационной структуры. Причем, для реализации алгоритма А₁ используются только необходимое для этого число элементарных процессоров, остальные элементарные процессоры коммутационной структуры остаются незадействованными (рисунок 3).

1. Надежностная модель микроопераций и команд в БРТК

Как было показано выше, для выполнения каждой микрооперации командой управления формировалась определенная структура, составленная из набора функциональных элементов (дешифраторов, регистров, счетчиков, коммутирующих элементов и т.п.), которые реализуют логическую функцию микрооперации. В свою очередь, микрооперации объединяют в команды, используемые при реализации конкретных алгоритмов. При расчете надежностных характеристик конкретных микроопераций необходимо учитывать лишь надежностные характеристики тех элементов структуры, которые принимают участие в их исполнении. Надежностные характеристики команд являются функциями надежностных характеристик микроопераций, используемых для их реализации, т.е. надежностные модели команд можно построить на основе надежностных моделей микроопераций. При таком подходе степень влияния сбоев элементов аппаратуры на выполнение различных микроопераций и команд различны. Для построения надежностной модели микрооперации необходимо знать состав и тип элементов аппаратуры, участвующих в ее выполнении, из взаимодействие, а также надежностные характеристики по отношению к сбоям. Задача расчета вероятности бессбойного выполнения микроопераций сводится к тому, чтобы определить, какие элементы аппаратуры, сколь раз и в какой последовательности срабатывают в процессе выполнения конкретной микрооперации.

Если использовать метод надежностных характеристик ЭВМ, где в качестве исходных надежностных характеристик отдельных логических элементов и устройств выбраны вероятности правильного однократного срабатывания, то для их определения необходимо знать вероятности поступления различных наборов логических единиц и нулей на входы, а также совокупность всех возможных состояний логического элемента или устройства при наличии или отсутствии сбоев по отдельным входам и вероятности появления этих состояний на основании данной информации вероятность правильного однократного срабатывания P_пос записывается в виде:

  (1)

где - вероятность поступления на входы логического элемента j-го набора входных сигналов;

 - вероятность появления -го состояния логического элемента при наличии или отсутствии сбоя;

m - число входов;

k - число состояний логического элемента.

Аналогично рассчитывают надежностные характеристики логических устройств, в состав которых входит ряд логических элементов.

Описанный метод расчета надежностных характеристик базируется на знании наиболее вероятного состава входной информации всех логических элементов и устройств и вероятностей безошибочного изменения их состояний. Первую часть необходимой информации рекомендуется определять путем экспертных оценок, а вторую - экспериментально, моделированием, регистрируя все сбои отдельных элементов в некотором интервале времени наблюдения и определяя интенсивность их появления.