Мухлынин П.П., Лазовский Ю.А., Фортунова Н.А. УПРАВЛЕНИЕ НАДЕЖНОСТЬЮ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ | UniverWork

Мухлынин П.П., Лазовский Ю.А., Фортунова Н.А. УПРАВЛЕНИЕ НАДЕЖНОСТЬЮ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

УПРАВЛЕНИЕ НАДЕЖНОСТЬЮ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ                                                                                                                                                                                       
Мухлынин П.П., к.т.н., доцент, Российский государственный университет туризма и сервиса, Москва
Лазовский Ю.А., к.т.н., доцент, Российский государственный университет туризма и сервиса, Москва
Фортунова Н.А., к.т.н, доцент, Елецкий государственный университет им. И.А. Бунина, Елец
Тазов В.А., аспирант, Российский государственный университет туризма и сервиса, Москва
Аннотация: В статье рассматриваются вопросы управления надежностью технических средств и технологических процессов обработки информации. При исследовании надежности ИС необходимо рассмотрение двух дополнительных проблем:  1) разработка специальных приемов и методов обеспечения надежности с учетом специфических особенностей соответствующих компонентов системы; 2) комплексная оценка надежности систем, включающих компоненты разной природы.
Ключевые слова: надежность, информационные системы, технические средства
В настоящее время одной из важнейших, наиболее острых и неотложных проблем является повышение качества и надежности разработок в области создания информационных систем (ИС), используемых в различных сферах деятельности: обработки данных, проектирования, научных исследований и т.п., поскольку от прогрессивности создаваемых проектов ИС в значительной мере зависит научно-технических прогресс.
Повышение качества и надежности разработок в области создания ИС — многогранная проблема. Она имеет социальный, экономический, научно-технический, организационно-технический и другие аспекты [1,4].
Информационная система является уникальной системой для каждого отдельного объекта автоматизации и требует особого подхода к процессу разработки и внедрения.. Сложность разработки, связанная с невозможностью экспериментальной проверки проектных решений до момента внедрения написанных и отлаженных компьютерных программ, а также полной отработки операций, выполняемых персоналом, требует тщательной проработки основных принципиальных решений  при проектировании и обеспечении возможности их дальнейшей корректировки в процессе функционирования. Это объясняется тем, что все ошибки проектирования подобных систем проявляются практически только при вводе системы в эксплуатацию. Учитывая, что система предназначена для осуществления сложных по структуре процессов, следует предусмотреть возможность ее адаптации, т.е. приспособление системы к изменению функционирования объекта управления под влиянием воздействий внешней среды или внутренних воздействий. В процессе создания необходимо включать в ИС современные формы организации и методы проектирования, средства вычислительной и организационной техники таким образом, чтобы не нарушалась непрерывность развития объекта автоматизации и создаваемые системы в дальнейшем модифицировались, но не создавались заново. Это может быть достигнуто за счет интеграции в одну целостную систему процессов управления разработкой и внедрением ИС, за счет повышения качества и надежности этих процессов, а также процесса функционирования ИС.
При исследовании информационных систем предприятий (ИСП) предполагается учет специфических особенностей данного класса систем: сложный жизненный цикл, наличие компонентов различной природы, многофункциональность[2,3].
Специфический жизненный цикл ИСП, включающий стадию создания и циклически выполняемые для отдельных функций систем стадии функционирования и модернизации, предполагает необходимость управления адаптивностью систем как неотъемлемой частью их надежности.
Современные ИСП, включая в себя большое количество разнородных элементов (технику, программы, информацию, человеческое звено), в значительной степени отличаются как по характеру отказов, так и по приемам и методам их обнаружения и устранения. В информации появление ошибок имеет стохастическую природу. Характер же программных ошибок носит явно детерминированный. Данное обстоятельство предопределяет возникновение двух дополнительных проблем при исследовании надежности ИСП: 1) разработка специальных приемов и методов обеспечения надежности с учетом специфических особенностей соответствующих компонентов системы; 2) комплексная оценка надежности систем, включающих компоненты разной природы.
Важной особенностью ИСП является их многофункциональность. Для подобного типа систем отказ какой-либо отдельной функции не приводит к отказу всей системы, а лишь уменьшает эффективность ее функционирования. Следовательно, обеспечение надежности ИСП неразрывно связано с необходимостью моделирования и оценки их эффективности как отдельных функций, так и систем в целом. Поэтому для обеспечения необходимого уровня надежности ИСП требуется проведение комплекса работ, которые должны выполняться на разных стадиях жизненного цикла системы.
На предпроектной стадии осуществляются работы по определению требуемого уровня надежности ИС и созданию средств автоматизации проектирования системы. В состав этих работ входят:
• сбор данных о режимах и условиях работы объекта управления, о существующей системе технического обслуживания и ремонтов на объекте управления, о составе и организации работы персонала, обеспечивающего ремонт и эксплуатацию комплекса технических средств (КТС) и программного обеспечения  (ПО)  ИС,  о  надежности  и  материально-техническом обеспечении ресурсами объекта управления, о надежности технических средств (ТС), которые предполагают использовать в ИС;
• анализ полученных данных и определение предварительных требований к надежности ИС;
• анализ функций разрабатываемой (модернизируемой) ИС, составление перечня тех функций и видов их, а также  перечня тех аварийных ситуаций в ИС для которых будут нормироваться требования к надежности, здесь же осуществляются выбор критериев отказов для указанных функций и видов их отказов, выбор показателей надежности и предварительная оценка надежности ИС;
• определение требований к надежности ИС, которые затем вносятся в техническое задание на ИС. Здесь же осуществляется выбор и обоснование методов оценки надежности системы на дальнейших стадиях ее создания;
• создание средств автоматизации проектирования ИС. Для работ этой стадии характерным является то, что количественное описание, анализ, оценка и обеспечение надежности проводят по каждой функции ИС в отдельности, но с учетом уровня надежности технических, программных и эргатических элементов.
Следует отметить, что перечень функций и видов их отказов, по которым задаются требования к надежности конкретной ИС, а также критерии этих отказов устанавливает заказчик этой системы по согласованию с ее разработчиком и вносит в ТЗ на ИС. Если для некоторой функции ИС определено несколько видов отказов, которые существенно различаются по причинам возникновения или по вызываемым ими последствиям, то надежность (безотказность и ремонтопригодность) по этой функции задается отдельно по каждому виду отказов. Требуемые численные значения выбранных показателей надежности ИС (в виде требований к надежности) устанавливают по определенным критериям на основе анализа влияния отказов системы на эффективность ее функционирования, а также затрат, связанных с обеспечением надежности, включая удорожание обслуживания.
Установление требований к надежности конкретной разрабатываемой ИС состоит в основном в выборе состава (номенклатуры) показателей, используемых для количественного описания надежностных свойств системы, а также в определении требуемых числовых значений (норм) этих показателей. Показатель надежности выбирают для каждой функции системы и для каждого вида их отказов и аварийных ситуаций. В связи с этим состав показателей надежности определяют на основе включенных в ТЗ на ИС перечней функций, видов их отказов и тех аварийных ситуаций, для которых следует устанавливать требования к надежности.
Исходными данными для определения обоснованных требований к надежности ИС являются:
·        виды и критерии отказов по всем рассматриваемым функциям системы;
·        уровень эффективности по всем функциям системы и величины ущербов по всем видам отказов (ориентировочно);
·        состав технических, программных и эргатических элементов, участвующих в выполнении каждой функции системы  для каждой функциональной подсистемы ИС и связанных с ними затрат (ориентировочно);
·        величины ущербов, связанных с возникновением возможных в ИС аварийных ситуаций (ориентировочно);
·        возможные пути снижения опасности возникновения аварийных ситуаций и связанные с ними затраты (ориентировочно).
Предварительную оценку надежности ИС на дальнейших стадиях ее создания, функционирования и модификации допускается производить аналитическими методами, методами вероятностного моделирования, комбинированными и экспертными методами.
На стадии проектирования ИС работы по достижению требуемого уровня надежности системы проводятся в два этапа.
Первый этап (“Технический проект”) включает в себя следующие работы:
• анализ надежности различных вариантов построения ИС (предполагаемых составов КТС, ПО и персонала ИС), а также ориентировочная проектная оценка надежности перспективных вариантов системы;
• сравнение вариантов ИС и выбор предпочтительного варианта критерия надежности, а также проектная оценка надежности системы с учетом надежностных свойств КТС, ПО и персонала ИС по выбранному варианту;
• подготовка исходных данных и проведение предварительных расчетов параметров технического обслуживания, одиночного комплекта запасных элементов, состава и квалификации персонала, обеспечивающего ремонт и эксплуатацию КТС и ПО системы;
• анализ влияния уровня надежности различных вариантов ИС на показатели экономической эффективности системы;
• разработка требований к надежности новых  (модернизируемых) технических и программных средств и оперативно-диспетчерского оборудования, разрабатываемых специально для данной системы;
• выбор окончательного варианта ИС с учетом надежности и разработка требований к надежности КТС и ПО системы.
При проведении указанных выше работ по достижению требуемого уровня надежности ИС необходимо учитывать следующие основные факторы:
• состав и уровень надежности используемых технических средств, их взаимосвязи в надежностной структуре КТС ИС;
• состав и уровень надежности используемых программных средств, их содержание (возможности) и взаимосвязи в структуре ПО ИС;
• уровень квалификации персонала, организацию работы и уровень надежности действий персонала ИС;
• рациональность распределения задач, решаемых системой, между КТС, ПО и персоналом  ИС;
• режимы, параметры и организационные формы технической эксплуатации КТС ИС;
• степень использования различных видов резервирования (структурного,  информационного, функционального, программно-алгоритмического, временного);
• степень использования методов и средств технической диагностики;
• реальные условия функционирования ИС.
На втором этапе (“Рабочий проект”) осуществляется уточнение данных о надежности технических средств, выбранных для окончательного варианта. На их основе осуществляется уточненная проектная оценка надежности КТС ИС для окончательного варианта системы. Затем производится уточненный расчет одиночного комплекта ЗИП ИС, параметров технического обеспечения, численности и состава персонала, обеспечивающего ремонт и эксплуатацию КТС и ПО ИС. Результатом этой работы являются разработка требований к надежности персонала системы, а также составление правил и инструкций для персонала ИС.
Заключительной работой данного этапа является уточненная проектная оценка надежности системы с учетом надежности КТС, ПО и персонала ИС, а также режимов параметров ее технической эксплуатации.
На стадии опытной эксплуатации ИС организацией-разработчиком проводится комплекс работ по исследованию и повышению надежности системы.
Вначале производится уточнение (или разработка) методики и форм сбора и обработки информации о надежности ИС при проведении испытаний и в условиях ее функционирования применительно к особенностям конкретной системы.
Затем на основе этих методик осуществляются сбор статистической информации о надежности системы в условиях опытного функционирования, обработка и анализ информации, оценка надежности ИС по полученной информации (экспериментальная оценка). При необходимости производится уточнение параметров технической эксплуатации ИС, состава ЗИП, состава и функций персонала системы, корректировка эксплуатационной документации. При необходимости также осуществляется планирование и проведение приемосдаточных испытаний ИС на надежность.
Обязательным для этой стадии является комплекс работ, включающий:
• сбор статистической информации о надежности ИС в условиях опытного функционирования;
• обработку информации и анализ результатов;
• уточненную оценку надежности ИС по полученной информации;
• анализ влияния надежности ИС на эффективность ее функционирования.
Заключительной работой данной стадии является формирование и реализация рекомендаций по повышению надежности данной ИС и по разработке типовых проектных решений.                                                                                                                                  
Заключительной работой данной стадии является формирование и реализация рекомендаций по повышению надежности данной ИС и по разработке типовых проектных решений. Для проведения экспериментальной оценки надежности могут быть использованы:
• методы организации и проведения специальных испытаний на надежность;
• методы сбора и обработки статистических данных о надежности ИС в условиях ее опытного функционирования;
• комбинированные методы, использующие оба этих направления;
• расчетно-экспериментальные методы.
На стадии промышленной эксплуатации ИС организацией-заказчиком осуществляется поддержание требуемого уровня надежности системы.
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 системы понимают расчет ее надежности на основе данных о надежности компонентов, структуре, условиях функционирования и режиме обслуживания. Применительно к ИС 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.
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;
 2) сбор   статистических   данных  о  работе  системы  в  условиях  нормальной  или подконтрольной эксплуатации.
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.
Комбинированные методы объединяют методы, рассмотренные ранее.
При оценке надежности технологической составляющей ИС в качестве исходных данных используются:
1. Описание технологического процесса (ТП) решения задачи.
2. Описание схемы взаимосвязи информационных массивов и программных модулей.
3. Объемно-временные характеристики задачи.
4.Сведения об интенсивности отказов и восстановлений по каждому выделяемому структурному компоненту ИС.
 Сама оценка предполагает выполнение следующих основных работ:
1. Конкретизация понятия отказа с учетом цели проведения расчетов надежности.
2. Построение схемы взаимосвязи информационных массивов и программных модулей.   Анализ множества допустимых вариантов ТП  внутримашинной обработки информации.
3. Построение графической модели надежности используемых ТС. Определение времени использования каждого выделенного компонента технологической составляющей системы.
4. Построение аналитической модели надежности технических средств.
5.Определение коэффициента эксплуатационной надежности как для отдельных ТС, так и для технологической составляющей системы в целом.
6. Расчет среднегодовых потерь вследствие ненадежности ТС.
7. Выявление уровня влияния факторов на изменение показателей надежности и экономической эффективности системы (например, изменение размеров блоков обрабатываемой информации, включение резервных элементов, изменение  схемы ТП обработки информации и т.п.).
8. На основе анализа полученных результатов выбор одного или нескольких вариантов ТП обработки информации, являющихся более надежными и экономичными.
 В зависимости от стадии жизненного цикла ИС целями оценки надежности могут являться выбор состава технических средств, определение вероятности своевременного решения задачи (комплекса задач), определение режима обслуживания, уточнение затрат на функционирование и т.д.
На этапе построения схемы взаимосвязи информационных массивов и программных модулей для каждого варианта решения задачи определяется используемая совокупность ТС.
           Надежность технологической составляющей системы, реализующей задачу, может быть определена на основании показателей надежности системы в целом, надежности совокупностей устройств, отдельных устройств, блоков и т.д., задействованных в ТП обработки информации.
На этапе разметки графической модели для определения времени работы устройств используются: эмпирические данные; сведения разработчиков используемых ППП, приведенные в технической документации; экспресс-оценки. Первый случай характерен для функционирующих систем, второй — для стадии рабочего проектирования, третий — для технического проектирования и предпроектной стадии. Любая структурная схема расчета надежности может быть представлена набором последовательных и параллельных соединений.
Время задействования каждого устройства ti определяется с использованием приближенных моделей, отражающих стохастические или детерминированные зависимости между временем реализации операций технологического процесса и такими факторами, как объем обрабатываемых данных, блочность, количество рабочих накопителей и т.п.
Значение параметра ti предлагается брать равным промежутку между первым и последним моментами использования i-го устройства, т.е. во внимание принимается промежуток времени, в течение которого отказ устройства (если оно не зарезервировано) приведет к отказу системы.
На основании размеченной графической модели для каждого устройства рассчитывается коэффициент эксплуатационной надежности
                                            (1)
где Kэн i — коэффициент эксплуатационной надежности i-го технического средства; µi — интенсивность восстановлений; λi — интенсивность отказов; ti — время функционирования;   Kгi — коэффициент готовности; Рi — вероятность безотказной работы i-го устройства в течение времени его использования ti .
Стоимостные затраты (Si) при использовании устройства i-го типа в течение времени ti  рассчитываются по следующей формуле
                                                        (2)
где Сi — себестоимость часа работы i-го устройства; ri — количество резервных устройств.
Среднегодовые стоимостные затраты Sг (без учета дополнительных затрат вследствие повторной обработки при отказах системы) определяются следующим образом:
 ,                                                    (3)
где n — количество прогонов задачи в течение года; I — множество элементов системы.
Известные значения надежности технических средств и затрат, связанных с их использованием, позволяют рассчитать среднегодовые потери вследствие отказов TC:
 ,                                            (4)
 .                                                   (5)
 При этом предполагается, что возникновение двух и более отказов за время решения задачи — событие маловероятное, которым можно пренебречь.
Среднегодовая себестоимость вычислительной техники Sгоi,  используемой в процессе обработки информации, с учетом дополнительных затрат, связанных с необходимостью частичного или повторного решения задачи, может быть рассчитана следующим образом:
.                                                 (6)
Показатели Kэн, Sг , Sго , ∆S рассчитанные для базового и предлагаемого вариантов, являются основанием для их сравнительного анализа и последующего выявления направлений дальнейшего совершенствования системы или выбора окончательного проектного решения.
Используя схему взаимосвязи программных модулей и информационных массивов, и соответствующую ей графическую модель надежности, можно оценить надежность  технологической  составляющей  ИС, среднегодовые потери вследствие ненадежности ТС, годовую себестоимость ТС данного варианта организации решения задачи. На основе проведенной оценки, можно проанализировать полученные результаты, а затем разработать и оценить новый более экономичный вариант организации системы.
Остановимся на основных направлениях повышения надежности технических изделий.
Существуют различные методы повышения надежности изделий (технологические, конструктивные, режимные, эксплуатационные и т.д.). Не все из них могут найти применение при решении вопросов технологического обеспечения систем машинной обработки информации, т.к к моменту разработки ИС подавляющее большинство используемых технических средств уже создано, и переделка их практически невозможна. Поэтому методы повышения надежности технического обеспечения ИС, можно свести в четыре группы:
1) применение более надежных компонентов:
2) введение избыточности (структурной, временной, алгоритмической);
3) организация интенсивного  профилактического обслуживания
4) улучшение условий эксплуатации системы (устранение внешних возмущений и т.п.).
Постоянный рост сложности разрабатываемых систем приводит к тому, что первым методом не удается обеспечить требуемый уровень надежности технических средств ИС.
Последний метод предполагает приведение условий эксплуатации в соответствие с требованиями. Дальнейшее улучшение условий эксплуатации не может существенно повысить надежность функционирования используемого комплекса технических средств (КТС).
Второй и третий методы повышения безотказности КТС ИСП позволяют обеспечить практически любой требуемый уровень надежности. Основным видом избыточности, вводимой в КТС, можно считать структурную. Под структурной избыточностью понимают ту дополнительную аппаратуру, которая вводится в КТС с целью улучшения надежностных характеристик и показателей. Известно много методов целенаправленного  введения  структурной  избыточности  (горячее  и  холодное  резервирование, мажоритарные структуры и т.п.). Наиболее распространен метод параллельного соединения.
Под профилактическим обслуживанием понимается совокупность плановых мероприятий, проводимых на работоспособном изделии и повышающих его надежность.
Литература
1. Мухлынин П.П., Лазовский Ю.А. Методика оценки эффективности информа- ционных систем.  Материалы международная НТ конференция «Системные проблемы надежности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в управлении инновационными проектами. Сочи,  2008, с. 37-39.
2. Леонтьев Е. А. Надежность экономических информационных систем. Учебное пособие. Тамбов: ТГТУ, 2002.
3. Матвеевский В.Р. Надежность  технических  систем.  Учебное  пособие.- М.: МГИЭИМ, 2002.
4. Александров А.Е. Проектирование высоконадежных  информационно-вычислительных систем. М.: Омега-Л, 2004.
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ЕЛЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. И.А. БУНИНА»
ОСОБЫЕ ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ЗОНЫ ТУРИСТСКО-РЕКРЕАЦИОННОГО ТИПА: ЭКОНОМИЧЕСКИЙ, ПРАВОВОЙ, СОЦИОКУЛЬТУРНЫЙ АСПЕКТЫ СОЗДАНИЯ И РАЗВИТИЯ
Сборник научных трудов
По материалам
Российской научно-практической конференции, состоявшейся 26-27 июня 2009 года при финансовой поддержке Российского гуманитарного научного фонда