ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ПРОГРАММНО-АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА

Надежность программного обеспечения выделено одной из характеристик оценки качества программного обеспечения в международном стандарте ISO 9126:1991 «Информационная технология. Оценка программного продукта. Характеристики качества и руководство по их применению» [4]. Под надежностью программного обеспечения понимается - набор атрибутов, относящихся к способности программного обеспечения сохранять свой уровень качества функционирования в установленных условиях за определенный период времени.

Очевидно, что надежность программного обеспечения поддерживающего работоспособность технических комплексов и устройств имеет важное значение, так как позволяет обеспечить способность выполнять требуемые функции в заданных режимах. При применении понятий надежности к программным средствам следует учитывать особенности и отличия объектов от традиционных технических систем, для которых разрабатывалась теория надежности. При расчете надежности программно-аппаратных комплексов, к расчету надежности нужно подходить совокупно [1].

В данной работе, проведена оценка надежности ПО и аппаратной базы системы для диагностики трубопроводных систем, разработанной коллективом научно исследовательского студенческого конструкторского общества "Диагностика трубопровода" на базе Иркутского национального исследовательского технического университета (рисунок 1). Поэтапно проведено исследование надежности аппаратного комплекса и программного обеспечения.

Рисунок 1. Система для определения местонахождения утечек в трубопроводах разработанная НИСКО «Диагностика трубопровода» ИРНИТУ

Программный продукт позволяет обеспечивать работоспособность измерительного комплекса предназначенного для контроля герметичности магистральных трубопроводов в различных отраслях промышленности. Опытный образец позволяет проводить исследование технологического процесса транспортирования (перекачки) жидкости с возможностью создания утечки. Используемые данные датчиков давления и производительности, а так же математические алгоритмы учитывающие технические характеристики трубопровода (длина, диаметр, количество поворотов, число задвижек), технологические параметры перекачиваемой субстанции (вязкость, плотность и. т. д.) позволяют определять расстояния до утечек.   Опытная установка в своем составе так же в своем составе имеет частотный привод способный регулировать частоту вращения двигателя перекачиваемого насоса, тем самым дает возможность исследовать процесс транспортировки при разных показаниях давления и производительности. 

Задача программного продукта заключается в управлении механизмами нагнетания давления и обработке поступающих сигналов приходящих с "датчиков давления" и "датчиков расхода", с учетом конфигурации и геометрических размеров трубопроводной магистрали. Передача данных производится посредствам проводной системы или системы радио связи. Функциональная схема представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Функциональная схема системы для определения местонахождения утечек в трубопроводах

Принцип определения утечки в трубопроводе становиться возможным путём использования уникального программного кода разработанного авторами данного комплекса.

На данный момент, существует множество моделей и алгоритмов оценки надежности ПО, проверенных практически, но имеющих ряд недостатков. Для оценки систем данного типа аналитическим путём принято использовать модель Шумана, модель Милласа, модель Липова, построение простой интуитивной модели, модель Коркорэна, модель последовательности испытаний Бернулли, модель Нельсона, модель Вейбула. Однако, имеет смысл проводить анализ программного продукта эмпирическим путём, так как это обеспечит наиболее приемлемые и точные результаты.

Наиболее перспективным является подход, направленный на использование и сочетание нескольких методов, включающих в себя все достоинства хорошо проверенных моделей и алгоритмов.

Для данного программно-аппаратного комплекса была проведена динамическая оценка надежности[3]. Пример графика изменения надежности программного продукта при устранении выявленных в процессе тестирования ошибок при­веден на рисунке 3.

Рисунок 3. Изменения надежности программного продукта

Из графика видно, что с повышением числа тестовых прогонов прогнозируемое значение надежности приближается к единице. Данная оценка позволила выявить: на каком цикле выполнения программы может возникнуть отказ; время работы программы при каждом запуске.

Стоит учесть, что при оценке общей надежности аппаратных комплексов необходимо рассчитывать не только надежность программного кода, но и надежность аппаратуры.

Для элементов, из которых изготавливается аппаратный комплекс, значения надежности известны, они определяются на этапе их разработки и изготовления. Определение надежности системы производится путем проверки достаточно большого числа раз, с фиксацией сбоев и отказов. Известные характеристики надежности элементов (датчиков, измерительных модулей, преобразователей итд.) позволяют получить оценку аппаратной надежности всего комплекса или устройства.

Вероятность безотказной работы оборудования комплекса определяли, полагая, что закон распределения вероятности - нормальный с ограничениями: среднее квадратическое отклонение σ≤0,2 τ_ср.р. и наработка до проверки технического состояния элементов системы τ_п.т.≤0,3 τ_ср.р., где τ_ср.р. - средний ресурс часов.

Требуемый уровень надежности устройства в случае смешанного соединения элементов, определяют по формуле:

Р_с(τ) = ПР_i(τ);

где Р_i(τ) - вероятность безотказной работы i-го элемента.

Для систем автоматизации, последствия отказов которых оценивают не только экономическим показателем, вероятность безотказной работы обычно принимают не ниже 0,99, то есть Р_с.т(τ) ≥0,99.

Время, в течение которого надо обеспечить указанную выше вероятность безотказной работы, принимают, ориентируясь на структуру системы технического обслуживания и ремонта, а также на заданный уровень надежности.

Находим вероятность безотказной работы элементов за время, равное средней наработке до технического осмотра τ_п = τ_т.о = 2500 часов при нормальном законе распределения по формуле:

Р_i(τ_п) = F(U);

где F(U) - табулированная функция, значения которой табличные. U - квантиль нормального распределения, равный:

U = (τ_ср.р.–τ_п)/σ. ;

Значения U и Р(τ_п) приведены в руководстве пользователя каждого измерительного элемента. Рассчитывать вероятность безотказной работы системы стоит, полагая, что отказ любого элемента приводит к отказу всей системы. Полученное значение Р_с (2500) = 0,9927. Что соответствует заданным требованиям[2].

Вывод. Проверка надежности и корректности работы программного-аппаратных комплексов путём имитационного моделирования технологического процесса является оправданным действием, в тех случаях, когда имеются соответствующие программно-аппаратные средства.  Своевременное тестирование надежности системы, позволяет выявить неисправности на этапе проектирования и внести соответствующие корректировки в техническую систему на этапе разработки.

Список литературы:

1. ГОСТ 51901.5 – 2005. Менеджмент риска. Руководство по применению методов анализа надежности. // М.: Издательство стандартов, 2007.
2. Дианов В.Н. Диагностика и надежность автоматизированных систем: учебное пособие. – М.: МГИУ, 2007. - 159 с.
3. Липаев В. В. / Программная инженерия. Методологические основы. // М.: ТЕИС, 2006.
4. ISO 9126:1991. Информационная технология. Оценка программного продукта. Характеристики качества и руководство по их применению. 186 с.