Міністерство освіти і науки України

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського
“Харківський авіаційний інститут”

ГЕРАСИМЕНКО Олександр Дмитрович |

УДК 621.039: 681.5.09

МОДЕЛІ ТА МЕТОД КОНФІГУРАЦІЙНОГО СИНТЕЗУ ІНФОРМАЦІЙНО-УПРАВЛЯЮЧИХ СИСТЕМ З ВИКОРИСТАННЯМ РАНІШЕ РОЗРОБЛЕНИХ КОМПОНЕНТІВ

05.13.06 – автоматизовані системи управління та
прогресивні інформаційні технології

АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Харків – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: | кандидат технічних наук, доцент

Скляр Володимир Володимирович

Державний науково-технічний центр ядерної та радіаційної безпеки, провідний науковий співробітник відділу аналізу безпеки управляючих та інформаційних систем АЕС.

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор

Лисенко Едуард Вікторович

Національний аерокосмічний університет
ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, професор кафедри менеджменту;

кандидат технічних наук, доцент

Одарущенко Олег Миколайович

Полтавський військовий інститут зв‘язку, начальник кафедри телекомунікаційних систем та мереж.

Провідна установа: | Харківський Національний університет радіоелектроніки, кафедра автоматизації проектування обчислювальної техніки, Міністерство освіти і науки України, м. Харків.

Захист відбудеться “26” січня 2007 р. о 14-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.01 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17, радіотехнічний корпус, ауд. 232.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут".

Автореферат розісланий “7” грудня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради М. О. Латкін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дослідження. Сучасні технології створення цифрових інформаційно-управляючих систем (ІУС), апаратних засобів (АЗ) і програмного забезпечення (ПЗ), у тому числі, для комплексів критичного застосування, характеризується тим, що ІУС розробляються не “з нуля”, а містять у собі численні раніше розроблені компоненти. Такого роду системні компоненти отримали назву OTS (Off-The-Shelf), тобто готові продукти “з полиці”.

Результати проведеного аналізу методів забезпечення надійності та безпеки ІУС АЕС, технічних комплексів критичного використання (ТККВ) показали, що одним з найбільш ефективних є застосування програмно-апаратних рішень апробованих практичним досвідом експлуатації або відповідними дослідженнями та випробуваннями. Даний метод реалізується через типізацію раніше розроблених програмних і апаратних компонентів, включаючи готові комерційні компоненти.

Застосування раніше розроблених компонентів, з одного боку, може підвищити надійність і безпеку ІУС за рахунок застосування апробованих продуктів з відомими експлуатаційними характеристиками та з позитивним досвідом використання. У той же час виникає ризик того, що в нових умовах експлуатації функції раніше розроблених компонентів можуть виконуватися неадекватним чином. Це підтверджується результатами аналізу аварій ракетно-космічних систем та відмов обладнання АЕС.

У контексті використання раніше розроблених компонентів функціональна безпека ІУС забезпечується такими властивостями, як апробованість i надійність та реалізується шляхом керування конфігурацією таких систем при створенні та вико-ристанні. Підвищення апробованості та надійності компонентів та відповідний рівень якості конфігурування систем дозволяє знизити ризики, які виникають внаслідок відмов ІУС.

Проблеми вдосконалювання методів керування конфігурацією, підвищення надійності та безпеки ІУС при використанні раніше розроблених компонентів одержали розвиток у працях А. Авiжениса, Ж.-К. Лапрі, Н. Левенсон, Б. Літтлвуда, I. Срнковича, В.В. Ліпаєва, О.Є. Федоровича, В.С. Харченка та інших. Деякі вимоги щодо використання OTS-компонентів та керування конфігурацією ІУС, важливих для безпеки ТККВ, систематизовані у стандартах Міжнародної агенції з ядерної енергії (МАГАТЕ), Міжнародної електротехнічної комісії (МЕК) та інших міжна-родних та національних інституцій.

Незважаючи на збільшення кількості публікацій, присвячених даній проблемі, аналіз показав, що у відомих роботах не повною мірою вирішений ряд досить важливих питань щодо IУС, пов'язаних:

по-перше, з розвитком формальних методів подання ієрархічних структур багатокомпонентних систем з урахуванням множини реалізованих функцій, які надають можливість ураховувати зміни властивостей різних компонент у процесі еволюції;

по-друге, з розробкою моделей надійності складних резервованих систем з додатковими компонентами, що вводяться внаслідок змін технологій підвищення вимог до надійності та безпеки;

по-третє, з розробкою методів конфігураційного синтезу ІУС при використанні раніше розроблених компонентів, що ураховують вимоги для систем, важливих для безпеки.

Таким чином, актуальною науково-технічною задачею є розробка моделей та методів оцінки функціональної безпеки, аналізу та вибору структур ІУС з використанням раніше розроблених компонентів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких викладені в дисертації, проводилися у відповідності з наступними планами і програмами:– 

Комплексною програмою модернізації та підвищення безпеки енергоблоків атомних станцій (розпорядження Кабінету міністрів України № 504-р від 29.08.2002 р.);– 

Програмою проведення вузлової заміни підсистем АСУ ТП енергоблоків з ВВЕР-1000 та ВВЕР-440 на 2000-2010 рр.;– 

“Розробка науково-методичних основ й інформаційних технологій оцінки та забезпечення відмовостійкості та безпеки комп'ютеризованих систем аерокосмічних комплексів, інших комплексів критичного застосування” (Національний Аерокос-мічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, №Г503-42/2003, № U003502, 2005);– 

“Розробка методів і інформаційних технологій оцінки, підтримки верифікації та проектування ІУС, важливих для безпеки АЕС” (Національний Аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, №503-13/2005, 2006).

Роль автора у зазначених науково-технічних програмах і НДР, у яких дисертант був безпосереднім виконавцем, полягає у розробці моделей, методів, алгоритмів, програмних і апаратних засобів моделювання, оцінки та вибору варіантів побудови відмовостійких ІУС при використанні раніше розроблених програмних і апаратних компонентів.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є підвищення функ-ціональної безпеки інформаційно-управляючих систем на основі вдосконалення методів оцінки, формального опису та конфігураційного синтезу ІУС з використанням раніше розроблених компонентів. Відповідно до поставлених мети та науково-технічної задачі необхідно вирішити наступні часткові задачі.

1. Аналіз методів конфігураційного керування при використанні раніше роз-роблених програмних і апаратних компонентів.

2. Розробка еволюційно-компонентної моделі інформаційно-управляючих систем для опису ієрархічної структури програмно-апаратних складових ІУС, їхніх
функцій і послідовних змін у діяльності проектних i виробничих організацій.

3. Розробка моделей надійності резервованих ІУС з додатковими компонентами для організації мережного мажоритування.

4. Розробка методу конфігураційного синтезу ІУС при використанні раніше розроблених компонентів.

5. Розробка методик, алгоритмів, апаратних i програмних засобів та інших елементів інформаційної технології забезпечення функціональної безпеки IУС АЕС при використанні раніше розроблених компонентів.

6. Практичне впровадження моделей, методів i засобів підвищення надійності та безпеки при розробці та модернізації IУС АЕС.

Об’єкт дослідження – процеси розробки інформаційно-управляючих систем з використанням раніше розроблених компонентів.

Предмет дослідження – моделі опису структури та функцій інформаційно-управляючих систем, методи оцінки та забезпечення їхньої функціональної безпеки.

Методи дослідження. При проведенні досліджень використалися методи системного аналізу, теорії графів, теорії множин, теорії імовірностей, комбінаторного аналізу.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше одержано еволюційно-компонентну модель інформаційно-управляючих систем, яка відрізняється від відомих формалізованими процедурами аналізу раніше розроблених програмно-апаратних компонентів з використанням
векторних операцій у структурованому багаторівневому просторі “функції-компоненти”, що дозволяє чисельно оцінити ступінь модифікації компонентів і
функцій системи.

2. Удосконалено моделі надійності інформаційно-управляючих систем з ме-режним багатоярусним містковим мажоритарним резервуванням, які враховують особливості розподіленої реалізації мажоритарних елементів при багатоканальній організації систем і дозволяють підвищити точність оцінки безвідмовності.

3. Набув подальшого розвитку метод конфігураційного синтезу інформаційно-управляючих систем при використанні раніше розроблених компонентів, який базується на запропонованому показнику функціональної безпеки і дозволяє знизити витрати на розробку системи.

Практичне значення одержаних результатів полягає у розробці та удосконаленні:– 

методик розробки та структурування відмовостійкого програмного забезпечення та технічних засобів ІУС при використанні раніше розроблених компонентів;– 

структур ІУС критичного застосування та рекомендацій, спрямованих на підвищення їх надійності та безпеки;– 

інструментальних засобів підтримки процесу конфігураційного керування ІУС.

Розроблені моделі, методи та засоби утворюють інформаційну технологію підтримки прийняття рішень із забезпечення функціональної безпеки ІУС.

Результати досліджень впроваджені:– 

у конструкторському бюро АСУ ЗАТ “Радій” при розробці програмно-технічних комплексів (ПТК) для енергоблоків АЕС (акт реалізації від 01.08.2006 р.);– 

у науково-технічному спеціальному конструкторському бюро “Полісвіт” при розробці та аналізі варіантів побудови та обґрунтуванні параметрів бортових комп’ютерних систем (акт реалізації від 04.09.2006 р.);– 

у навчальному процесі Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” при вивченні дисциплін “Методи дослідження та моделювання комп'ютерних систем і мереж”, “Надійність, контроль і діагностика ЕОМ” (акт реалізації від 04.09.2006 р.).

Достовірність нових наукових положень і висновків дисертаційної роботи підтверджується:– 

зведенням розроблених аналітичних моделей надійності до відомих при підстановці граничних значень параметрів додаткових елементів – імовірностей безвідмовної роботи, рівних одиниці;– 

обґрунтованістю припущень, прийнятих при розробці структурних схем надійності, аналітичних моделей оцінок надійності, виходячи з досвіду проектування та експлуатації ІУС АЕС і експериментальних даних відомих фірм про відмови таких пристроїв та їхньої елементної бази;– 

результатами практичного використання розроблених моделей і методик при проектуванні та експлуатації ІУС АЕС;– 

працездатністю та високими технічними характеристиками апаратно-програмних рішень, розроблених із застосуванням запропонованих методів і моделей;– 

статистичними даними, отриманими за результатами випробувань і експлуатації розроблених програмно-технічних комплексів і технічних засобів ІУС АЕС.

Особистий внесок здобувача полягає у розробці нових моделей, методів і проектних рішень, які забезпечують виконання поставлених у дисертації завдань. Всі основні результати отримані автором особисто. Роботи [6,9] були опубліковані без співавторів. У роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належать: методика оцінки якості програм, написаних мовою Assembler, з використанням метрик Холстеда [1], методика верифікації раніше розроблених програмних компонентів [2], графові моделі компонентів і функцій ІУС [3], моделі надійності компонентів ієрархічної структури ІУС [4], аналіз методів оцінки надійності та безпеки програмних компонентів ІУС АЕС [5], концепція інструментального засобу для оцінки
програмних компонентів ІУС [7], структурні схеми надійності та аналітичні моделі надійності для управляючих систем безпеки АЕС [8], обґрунтування підходу на основі векторних операцій до аналізу функціонально-компонентних змін ІУС [10].

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення і результати, отримані автором при виконанні дисертаційної роботи, доповідалися на міжгалузевому семінарі “Критичні комп'ютерні технології та системи” на кафедрі комп'ютерних систем і мереж Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” (м. Харків, 2005 р.), а також на наступних науково-технічних конференціях і симпозіумах: Четверта міжнародна науково-практична конференція “Комп'ютерні системи в автоматизації виробничих процесів” (м. Хмельницький 2005 г.), IEEE East-West Design & Test Workshop “EWDTW’05” (м. Одеса, 2005 р.), 2nd International Conference Advanced Computer Systems and Networks Design and Application “ACSN–2005” (м. Львів, 2005 р.), Науково-практична конференція “Тренажерні комплекси та системи”, (с.м.т. Партеніт, Крим, 2005 р.), П'ята міжнародна науково-практична конференція “Проблеми інформатики та моделювання” (м. Харків, 2005 р.), Перша міжнародна науково-технічна конференція “Гарантоспроможні системи, сервіси та технології” (м. Полтава, 2006 р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 10 друкованих працях, серед яких 5 статей в наукових журналах та 2 статті у збірниках наукових праць, що включені до переліку фахових видань ВАК України, а також 3 публікації у тезах доповідей наукових конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація має вступ, чотири розділи, висновки та два додатки. Повний обсяг дисертації складає 225 сторінок, у тому числі: 43 рисунки на 31 окремій сторінці, 31 таблиця на 22 окремих сторінках, список з 126 використаних літературних джерел на 13 сторінках, 2 додатки на 18 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми та наукових задач; сформульована мета дисертаційної роботи; надано характеристику об’єкту, предмету, наукової новизни і практичної значимості отриманих результатів; відображені особистий внесок здобувача, дані про реалізацію, апробації та публікації результатів досліджень.

У першому розділі дисертації викладаються результати аналізу стану питання, зокрема такі.

Проведена класифікація раніше розроблених апаратних та програмних OTS-компонентів ІУС дозволила виділити наступні класифікаційні ознаки:– 

призначення OTS-компонентів;– 

комерційна доступність OTS-компонентів;– 

доступність документації;– 

вплив OTS-компонентів на безпеку.

На прикладі ЗАТ “Радій” (м. Кіровоград) проаналізований підхід сучасних промислових підприємств до використання раніше розроблених OTS-компонентів ІУС.

Особливості застосування OTS-компонентів для ІУС ТККВ регламентуються міжнародними й національними стандартами. Аналіз вимог нормативних документів проведений на прикладі ІУС для АЕС. За результатами аналізу зроблений висновок, що для раніше розроблених програмних і апаратних компонентів ІУС повинні бути виконані наступні процедури:– 

оцінка придатності OTS-компонентів у частині відповідності функціональним, експлуатаційним і структурним вимогам до ІУС;– 

оцінка надійності ІУС при змінах у складі OTS-компонентів;– 

оцінка будь-яких змін, необхідних для адаптації OTS-компонентів;– 

реалізація процесу конфігураційного керування.

Результати аналізу причин аварій і відмов ІУС ТККВ показали, що помилки керування конфігурацією мають істотне значення. Згідно наявним даним, помилки керування конфігурацією посідають третє місце серед причин аварій у хімічній галузі. Крім того, помилки керування конфігурацією ПЗ та АЗ є причиною більше половини несправностей ІУС космічних апаратів NASA (США).

Процес конфігураційного керування ІУС включає: ідентифікацію конфігурації; контроль конфігурації; урахування статусу компонентів конфігурації; аудити та огляди конфігурування.

Проведені дослідження дозволили визначити загальну науково-технічну задачу дисертаційного дослідження, яка декомпозується на ряд часткових задач, пов'язаних з аналізом та синтезом.

Другий розділ дисертації присвячений розробці еволюційно-компонентної моделі ІУС. Розробка еволюційно-компонентної моделі обумовлено необхідністю внесення модифікацій у реалізовані функції та компоненти, як для існуючих, так і для знову розроблювальних систем. Під еволюцією ІУС мається на увазі розвиток системи шляхом послідовних змін програмно-апаратних компонентів у процесі діяльності розробника.

Еволюційно-компонентна модель ІУС включає:

1) векторний функціонально-компонентний аналіз еволюції ІУС;

2) моделі структури функцій і компонентів ІУС;

3) набір метрик для оцінки функціонально-компонентних змін ІУС.

Функціонально-компонентний аналіз еволюції ІУС полягає у побудові траєкторії еволюції ІУС у просторі “функції-компоненти” (див. рис. 1). Для кожного варі-анту реалізації ІУС маємо як зміни у функціональності , так і зміни в складі компонентів K. Зміни ІУС можуть бути описані вектором еволюції Е, який характеризується модулем і кутом відхилення від осі  ).

Векторні операції над зміною функцій та компонентів ІУС включають див. рис. 1):

1) додавання векторів, яке описує декілька послідовних змін ІУС;

2) скалярний добуток векторів, який описує зміни, внесені одночасно у декілька однотипних комплектів ІУС.

Доцільно виділити наступні три варіанти еволюції ІУС:

1) розробка чергового комплекту ІУС, що постачається;

2) розробка діверсного комплекту ІУС;

3) розробка нового типу ІУС.

Рис. . Векторні операції над змінами функцій та компонентів ІУС

Для рішення задачі детального опису простору “функції-компоненти” розроблені моделі структури функцій і компонентів ІУС. У загальному випадку багаторівнева архітектура ІУС складається з множини ієрархічно взаємозалежних рівнів Level {Level1,...,LevelX}. На кожному i-му рівні формується множина компонентів i {i1,...,iY}, які реалізують множину функцій i {i1,..., iZ} (див. рис. 2). Графова модель функцій ІУС аналогічна моделі компонентів, за тим виключенням, що функції не приписуються нижнім рівням апаратних і програмних компонентів.

Розроблені моделі структури функцій і компонентів ІУС є основою для побудови метрик оцінки функціонально-компонентних змін ІУС. Для кожної з множин i та i у процесі еволюції можуть бути виділені по дві підмножини:– 

підмножини змінених компонентів i {i1,...,iY1} та змінених функцій i {i1,..., iZ1};– 

підмножини незмінених компонентів i {i1,...,iY2} і незмінених функцій i {i1,..., iZ2}.

Таким чином: i i i ; i i ; i  i i; i  i .

Рис. . Графова модель структури компонентів ІУС

Пропонуються абсолютні та відносні метрики, які описують зміни функцій і компонентів ІУС. Абсолютні метрики визначаються як потужність множини змінених функцій або компонентів і оцінюють зміни безвідносно до загальної кількості функцій і компонентів ІУС: 

i ;  i . (1)

Відносні метрики оцінюють відношення абсолютних змін компонентів або
функцій ІУС до їхнього загального числа:

% i i ; % i i . (2)

Крім того, метрики, які описують зміни функцій і компонентів ІУС, можуть бути трьох видів:– 

локальні метрики для оцінки змін окремих об'єктів ІУС (алгоритмів, модулів, ПЗ процесорів, проектів ПЛІС, функціональних вузлів, блоків, процесорів);– 

рівневі метрики для оцінки змін у межах одного з рівнів моделі структури компонентів ІУС або моделі структури функцій ІУС (рис. 2);– 

інтегральні метрики для оцінки змін у межах двох і більше рівнів моделі структури компонентів ІУС або моделі структури функцій ІУС (рис. ).

У третьому розділі розроблено моделі надійності мажоритарно-резервованих ІУС зі містковими елементами. Необхідність рішення цієї задачі обумовлена тим, що для рівня ІУС, складовими частинами якої є блоки (див. рис. 2), можуть бути застосовані різні методи резервування, що суттєво ускладнює розрахунок надійності внаслідок великої кількості станів системи.

Для опису вказаного класу систем у загальному вигляді запропонована багатокомпонентна модель трьохканальної мажоритарної ІУС, яка представляє структуру системи у вигляді набору стандартних ярусів, які відповідають функціональним підсистемам. Кожний з ярусів може закінчуватися мажоритарним елементом. Крім того, яруси можуть з'єднуватися поканально, без використання мажоритарних елементів. Подібна структура ІУС широко застосовується для управління та контролю критичних об'єктів, що відбито у ряді нормативно-технічних документів.

На рис. 3,4 представлені типові структурні схеми надійності (ССН) ярусів ІУС. Подібний підхід застосовується при реалізації концепції побудови системи на кристалі (SoC – System-on-Chip), коли один програмований компонент виконує функції, які традиційно реалізуються на декількох контролерах. У розглянутих випадках у складі програмованих компонентів реалізуються мажоритарні елементи.

Рис. 3. ССН ІУС з роздільним мажоритарним резервуванням з урахуванням ліній зв'язку між каналами | Рис. 4. ССН ІУС з роздільним мережевим мажоритарним резервуванням з урахуванням ліній зв'язку між каналами

Отримано аналітичні моделі надійності для ССН ІУС, які зображено на рис. ,4. Аналітична модель імовірності безвідмовної роботи (ІБР) для двох послідовно з'єднаних елементів з роздільним мажоритарним резервуванням з урахуванням ліній зв'язку між каналами (рис. ) має вигляд:

(3)

Для одержання аналітичної моделі ВБР для двох послідовно з'єднаних елементів з мережним роздільним мажоритарним резервуванням з урахуванням ліній зв'язку між каналами (рис. ) необхідно провести розкладання за містковими елементами. Отриманий тип ССН утворює клас резервованих систем, які можна назвати системами з мережним багатоярусним містковим мажоритуванням (СМБММ). У відомій літературі описані методики рішення задач оцінки безвідмовності систем, що мають топологію з містковими елементами, розкладання за якими дозволяє одержувати послідовно-паралельне подання. Запропонована у дисертаційній роботі процедура розкладання СМБММ не потребує повного перебору станів. Оскільки мережний мажоритарний елемент, застосований у СМБММ, є активним і дозволяє змінювати структуру системи, то у цьому випадку застосування комбінаторного аналізу суттєво зменшує розмірність задачі та замінити неявне місткове розкладання процедурою спрямованого перебору станів.

Аналітична модель ІБР для двох послідовно з'єднаних елементів з роздільним мажоритарним резервуванням з урахуванням ліній зв'язку між каналами (рис. ) має вигляд:

(4)

Аналітична модель ІБР для i-го ярусу СМБММ має вигляд:

(5)

де FE6,a5,a4,a3,a2) – функція ІБР ліній зв’язку, у якій ai – коефіцієнти перед доданками pE в i-му ступені.

Аналітична модель ІБР для ІУС, яка включає n ярусів мережного місткового мажоритування, має вигляд:

(6)

На рис. 5 представлено результати аналітичного моделювання ІБР систем, ССН яких наведено на рис. 3,4 і які порівнюються з ІБР нерезервованої системи (РНР), ІБР системи із загальним мажоритарним резервуванням (РМО) та ІБР системи з мережним мажоритарним резервуванням (РМС).

Рис. . Графіки залежностей ІБР від часу при наступних значеннях інтенсивностей відмов (див. рис. 3,4): 1 2 –6 1/год, М1  М2 –7 1/год, Е –7 1/год

Четвертий розділ присвячений розробці методу конфігураційного синтезу інформаційно-управляючих систем при використанні раніше розроблених компонентів. Під конфігураційним синтезом у дійсній роботі мається на увазі вибір структури ІУС із застосуванням процедур керування конфігурацією при використанні раніше розроблених компонентів.

Сформульовані та розглянуті наступні принципи конфігураційного синтезу ІУС при повторному використанні компонентів:

1) використання типової структури функціональних підсистем ІУС;

2) використання для оцінки надійності ІУС ієрархічної моделі, заснованої на моделі структури функцій і програмно-апаратних компонентів ІУС (див. рис. 2);

3) конфігураційне керування багатокомпонентною моделлю надійності ІУС;

4) застосування показника функціональної безпеки для рішення оптимізаційної задачі вибору структури ІУС.

Розроблено моделі надійності для різних рівнів структури компонентів ІУС: елементів, функціональних вузлів, блоків, підсистем з урахуванням запропонованої методики. Отримані моделі були застосовані при аналізі надійності ІУС розробки ЗАТ “Радій” (м. Кіровоград).

Етапи методу конфігураційного синтезу ІУС при використанні раніше розроблених компонентів (див. рис. 6) включають застосування еволюційно-компонентної моделі, моделей надійності, а також рішення оптимізаційної задачі на основі мультикритеріального показника функціональної безпеки , де n – кількість критеріїв оцінки; wi – вагові коефіцієнти для критеріїв оцінки; xi – відмасштабовані чисельні значення показників, які використовуються оцінки за відповідними критеріями. Оптимізаційна задача полягає у виборі такої структури ІУС, яка б забезпечила найкраще співвідношення

ФБ ФБзавдана

C Cmin ,

де ФБ – функціональна безпека ІУС; С – вартість ІУС.

Вибір структури ІУС здійснюється за критерієм максимуму відношення “функціональна безпека вартість” за умов забезпечення заданого рівня безпеки.

У результаті застосування методу конфігураційного синтезу ІУС при використанні раніше розроблених компонентів був обраний варіант реалізації для управляючої системи безпеки (УСБ) ядерного реактору. Застосування даного варіанту реалізації дозволило знизити вартість УСБ на 71 тис. гривень без істотного зниження функціональної безпеки. Розроблено елементи інформаційної технології підтримки прийняття рішення щодо забезпечення функціональної безпеки ІУС при використанні раніше розроблених компонентів (див. рис. 7), яка була впроваджена в ЗАТ “Радій”, що дозволило скоротити загальний час проектування ІУС АЕС на 10-20%.

Рис. 6. Метод конфігураційного синтезу ІУС з використанням раніше розроблених компонентів

Рис. 7. Інформаційна технологія підтримки прийняття рішень із забезпечення функціональної безпеки ІУС

ВИСНОВКИ

1. У дисертаційній роботі вирішена актуальна науково-технічна задача, яка полягає у розробці моделей та методів оцінки функціональної безпеки, аналізу та вибору структур ІУС з використанням раніше розроблених компонентів.

2. У дисертації отримані наступні нові наукові результати:– 

на підставі проведеного аналізу можливих напрямків розвитку ІУС вперше одержано еволюційно-компонентну модель інформаційно-управляючих систем, яка відрізняється від відомих формалізованими процедурами аналізу раніше розроблених програмно-апаратних компонентів з використанням векторних операцій у структурованому багаторівневому просторі “функції-компоненти”, що дозволяє чисельно оцінити ступінь модифікації компонентів і функцій системи;– 

дослідження систем з додатковими компонентами для організації міжканального зв’язку дозволило удосконалити моделі надійності інформаційно-управляючих систем з мережевим багатоярусним містковим мажоритуванням, які враховують особливості розподіленої реалізації мажоритарних елементів при багатоканальній організації систем і які дозволяють підвищити точність оцінки безвідмовності;– 

на базі нових розроблених моделей та аналізу можливих підходів до вибору структури багатокомпонентних систем дістало подальший розвиток метод конфігураційного синтезу інформаційно-управляючих систем при використанні раніше розроблених компонентів, який базується на запропонованому показнику функціональної безпеки і який дозволяє знизити витрати на розробку системи.

3. Практичне значення результатів досліджень полягає у розробці інформаційної технології підтримки прийняття рішень із забезпечення функціональної безпеки ІУС з використанням раніше розроблених компонентів. Рішення дисертаційних задач дозволило на 8% знизити імовірність відмови ІУС.

4. Результати досліджень впроваджені у конструкторському бюро АСУ ЗАТ “Радій” при розробці програмно-технічних комплексів для енергоблоків АЕС; у науково-технічному спеціальному конструкторському бюро “Полісвіт” при розробці та аналізі варіантів побудови та обґрунтуванні параметрів бортових комп’ютерних систем; у навчальному процесі Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” при вивченні дисциплін “Методи дослідження та моделювання комп'ютерних систем і мереж”, “Надійність, контроль і діагностика ЕОМ”.

5. Подальше використання отриманих результатів можливо для автоматизації процесу прийняття рішень при розробці ІУС технічних комплексів критичного використання, а також для створення інформаційних технологій підтримки експлуатації ІУС, важливих для безпеки АЕС.

6. Подальші дослідження доцільно проводити у напрямку розвитку науково-методичного апарату оцінки та забезпечення функціональної безпеки ІУС критичного застосування.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Харченко В.С., Скляр В.В., Герасименко А.Д. и др. Использование метрик Холстеда при оценке безопасности критического программного обеспечения // Радіоелектронні і комп’ютерні системи. – 2003. – № (4). – С. 145_.

2. Харченко В.С., Скляр В.В., Герасименко А.Д. и др. Методы верификации многокомпонентного программного обеспечения ИУС АЭС // Автоматизація виробничих процесів. – 2005. – № 2(21). – С. .

3. Герасименко О.Д., Скляр В.В., Харченко В.С. Еволюційно-компонентна модель інформаційно-керуючих систем // Системи озброєння і військова техніка. – 2006. – №2(6). – С. 84-91.

4. Скляр В.В., Токарев В.И., Герасименко А.Д. Иерархическая модель оценки надежности многокомпонентных информационно-управляющих систем // Радіоелектронні і комп’ютерні системи. – 2006. – №. (18). – С. .

5. Белый Ю.А., Герасименко А.Д., Скляр В.В., Харченко В.С. Методы оценки и обеспечения качества программного обеспечения // Вісник Хмельницького націо-нального університету. – 2005. – № . – Ч. . – Т. . – С. _.

6. Герасименко А.Д. Эволюционно-компонентная модель и конфигурационная оценка надежности информационно-управляющих систем // Системи обробки ін-формації. – Х.: Харківський університет Повітряних Сил, 2005. – Вип. (49). – C. _.

7. Белый Ю.А., Герасименко А.Д., Скляр В.В., Харченко В.С. Автоматизация экспертной оценки программного обеспечения управляющих систем АЭС с использованием статических анализаторов кода // Збірка наукових праць Інституту проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова. – К.: ІПМЕ, 2005. – Том . – С. _21.

8. Kharchenko V.S., Lysenko I.V., Sklyar V.V., Herasimenko O.D. Safety and Reliability Assessment and Choice of the Redundant Structures of Control Safety Systems // Proceedings of IEEE East-West Design & Test Workshop (EWDTW’05). – Kharkov: Kharkov National University of Radio Electronics, 2005. – P. .

9. Герасименко А.Д. Модели надежности многокомпонентных информационно-управляющих систем // Материалы пятой международной научно-практической конференции “Проблемы информатики и моделирования”. – Х.: Национальный технический университет “ХПИ”, 2005. – С. 54.

10. Herasimenko O., Sklyar V., Kharchenko V. An Evolutional-Component Model of Process Control System // Proceedings of the 2nd International Conference Advanced Computer Systems and Networks: Design and Application (ACSN–2005). – Lviv: Publishing House of Lviv Polytechnic National University, 2005. – P. .

АНОТАЦІЯ

Герасименко О.Д. Моделі та метод конфігураційного синтезу інформаційно-управляючих систем з використанням раніше розроблених компонентів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 – автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології. – Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Харків, 2006.

Дисертація присвячена розробці та вдосконаленню моделей, методу та інформаційної технології забезпечення та оцінювання функціональної безпеки інформаційно-управляючих систем (ІУС) при використанні раніше розроблених компонентів. На підставі проведеного аналізу можливих напрямків еволюції складних ієрархічних комп’ютерних систем розроблено еволюційно-компонентну модель ІУС. Дослідження систем з додатковими компонентами для організації міжканального зв’язку дозволило розробити моделі надійності ІУС з мережевим багатоярусним містковим мажоритуванням. Одержано метод конфігураційного синтезу ІУС при використанні раніше розроблених компонентів. Отримані результати застосовано при розробці ІУС для енергоблоків АЕС України, що дозволило обґрунтувати системотехнічні рішення та забезпечити виконання вимог щодо функціональної безпеки систем при використанні раніше розроблених компонентів.

Ключові слова: інформаційно-управляюча система, функціональна безпека, конфігураційне керування, раніше розроблені компоненти.

АННОТАЦИЯ

Герасименко А.Д. Модели и метод конфигурационного синтеза информационно-управляющих систем при использовании ранее разработанных компонентов. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 – автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии. – Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт”, Харьков, 2006.

Диссертация посвящена разработке и усовершенствованию моделей, метода и информационной технологии обеспечения и оценки функциональной безопасности информационно-управляющих систем (ИУС) при использовании ранее разработанных компонентов.

Результаты проведенного анализа методов обеспечения надежности и безопасности ИУС технических комплексов критического использования показали, что одним из наиболее действенных является применение программно-аппаратных решений апробированных практическим опытом эксплуатации. Данный метод реализуется через типизацию ранее разработанных программных и аппаратных компонентов, включая готовые коммерческие компоненты. Применение ранее разработанных компонентов, с одной стороны, может повысить надежность и безопасность ИУС за счет применения апробированных продуктов с известными эксплуатационными характеристиками и с известным опытом использования. В то же время возникает риск того, что в новых условиях эксплуатации функции ранее разработанных компонентов могут выполняться неадекватным образом.

Проведенный анализ позволил сформулировать общую научно-техническую задачу диссертационного исследования – разработка моделей и методов оценки
функциональной безопасности, анализа и выбора структур ИУС с использованием ранее разработанных компонентов.

Разработка эволюционно-компонентной модели обусловлено необходимостью внесения модификаций в реализуемые функции и компоненты как для существующих, так и для вновь разрабатываемых систем. Под эволюцией ИУС подразумевается ее развитие путем последовательных изменений программно-аппаратных компонент в процессе деятельности разработчика. Разработанная эволюционно-компонентная модель ИУС включает: 1) векторный функционально-компонентный анализ эволюции ИУС; 2) модели структуры функций и компонентов ИУС; 3) набор метрик для оценки функционально-компонентных изменений ИУС.

Для уровня ИУС эволюционно-компонентной модели могут быть применены различные методы резервирования, что затрудняет расчет надежности по стандартным формулам. С целью оценки надежности ИУС ее структура может быть представлена в виде стандартных ярусов, соответствующих функциональным подсистемам. Каждый из ярусов может замыкаться мажоритарным элементом, сетевым или общим. Кроме того, ярусы могут соединяться поканально без использования мажоритарных элементов. Получен новый тип структурных схем надежности, образующий класс резервированных систем, которые можно назвать системами с сетевым мостиковым мажоритированием. Получены аналитические выражения для расчета вероятности безотказной работы ИУС.

Сформулированы принципы конфигурационного синтеза ИУС при использовании ранее разработанных компонентов. Разработанные этапы метода конфигурационного синтеза ИУС при использовании ранее разработанных компонентов включают применение разработанных эволюционно-компонентной модели, моделей надежности, а также решение оптимизационной задачи на основе мультикритериального показателя функциональной безопасности. Разработана информационная технология поддержки принятия решений по обеспечению функциональной безопасности ИУС при использовании ранее разработанных компонентов.

Полученные научные результаты заключаются в следующем: 1) впервые получена эволюционно-компонентная модель ИУС, которая отличается от известных формализованными процедурами анализа ранее разработанных программно-аппаратных компонентов с использованием векторных операций в структурированном многоуровневом пространстве “функции–компоненты”, что позволяет представить структуру компонентов и функций в виде деревьев, а также численно оценить степень модификации компонентов и функций системы; 2) усовершенствованы модели надежности ИУС с сетевым многоярусным мостиковым мажоритарным резервированием, учитывающие особенности распределенной реализации мажоритарных элементов при многоканальной организации систем и позволяющие повысить точность оценки безотказности; 3) получил дальнейшее развитие метод конфигурационного синтеза ИУС при использовании ранее разработанных компонентов, базирующийся на предложенном показателе функциональной безопасности и позволяющий снизить затраты на разработку системы.

Практическое значение полученных результатов состоит в разработке и усовершенствовании: методик схемотехнической реализации отказоустойчивых технических средств ИУС при использовании ранее разработанных компонентов; принципов и методик разработки и структурирования отказоустойчивого программного обеспечения ИУС при использовании ранее разработанных компонентов; структурных схем ИУС и рекомендаций, направленных на повышение надежности и безопасности ИУС критического применения; инструментальных средств поддержки процесса конфигурационного управления ИУС.

Разработанные модели и методы были реализованы при проектировании и эксплуатации программно-технических комплексов атомных электростанций.

Ключевые слова: информационно-управляющая система, функциональная безопасность, конфигурационное управление, ранее разработанные компоненты.

ABSTRACT

Herasimenko O.D. Models and a method of configuration synthesis of instrumentation and control systems with using of pre-developed components. – Manuscript.

Thesis on competition of scientific degree of Candidate of Technical Sciences by specialty 05.13.06 – automated control systems and progressive information technologies. – National Aerospace University “Kharkiv Aviation Institute”, Kharkiv, 2006.

Dissertation is devoted to development and perfection of models, a method and an information technology of assurance and estimation of functional safety of instrumentation and control systems (I&Cs) with using of pre-developed components. An developed evolution-components model of I&Cs permits to present structures of functions and components of systems as trees as well as to assess numerically of modification of system functions and components. Reliability models of I&Cs with network multi-tier bridge majority redundancy take into account peculiarities of distributed organization of majority elements in multi-channel systems. A method of configuration synthesis of I&Cs with using of pre-developed components is based on multi-criterial indicator of functional safety, and this method permits to decrease costs of development of system. The offered results are realized for development of I&Cs of nuclear power plants units. That permits to ground circuit-technique decisions and to ensure fulfillment of requirements to systems functional safety with using of pre-developed components.

Key words: instrumentation and control system, functional safety, configuration management, pre-developed components.

Відповідальний за випуск М.О. Латкін

Підписано до друку 05.12.2006

Формат 6084 1/16. Папір офсетний.

Об’єм 1,1 умовн.-друк. арк. Тираж 100 прим.

Замовлення 618

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського “

Харківський авіаційний інститут”

61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17

http://www.khai.edu

Видавничий центр “ХАІ”

61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17