автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Модели и алгоритмы оценки надежности микропроцессорных систем АСУ пожаровзрывобезопасностью промышленных предприятий

ЛЮБАВСКИЙ АЛЕКСЕЙ ЮРЬЕВИЧ

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХСИСТЕМ АСУ ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬЮ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность 05.13.06. Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические науки, отрасль - промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2014

ЛЮБАВСКИЙ АЛЕКСЕЙ ЮРЬЕВИЧ

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХСИСТЕМ АСУ ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬЮ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность 05.13.06. Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические науки, отрасль - промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2014

Работа выполнена в учебно-научном комплексе автоматизированных систем и информационных технологий (УНК АСИТ) ФГБОУ ВПО «Академия Государственной противопожарной службы (ГПС) МЧС России»

Научный руководитель:

Бутузов Станислав Юрьевич, доктор технических наук, доцент, начальник УНК АСИТ Академии ГПС МЧС России

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА 2014

Официальные оппоненты:

Таранцев Александр Алексеевич, заслуженный работник высшей школы РФ, доктор технических наук, профессор, заведующий лабораторией проблем развития транспортных систем и технологий Института проблем транспорта

РАН

Голубев Владимир Владимирович, заместитель генерального директора AHO «Институт испытаний и сертификации вооружения и военной техники» к.т.н. с.н.с.

Ведущая организация: Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики

Защита диссертации состоится 24 декабря 2014 г. в 14:00 на заседании диссертационного совета Д.205.002.01 при Академии Государственной противопожарной службы МЧС России по адресу: 129366, г. Москва, ул. Бориса Галушкина, 4, зал Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии Государственной противопожарной службы МЧС России и на сайте http://academygps.ru/uploads/files/G6YCM19j8ojsobuonllN.pdf

Автореферат разослан ЗОсентября 2014 г.

Отзыв на автореферат с заверенной подписью и печатью просим направить в Академию Государственной противопожарной службы МЧС России по указанному адресу.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, доцент

С.Ю. Бутузов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В настоящее время происходит изменение приоритетов в сфере обеспечения безопасности на пожаровзрывоопас-ных производствах, ведущим направлением формируется, наряду с защитой жизни и имущества, обеспечение устойчивости и стабильности функционирования объектов (защита материальных и нематериальных активов, оптимизация инвестиций, управление рисками и т.д.). Решение данных вопросов не возможно без развития автоматизированных систем безопасности, использования информационных систем и технологий, для управления системами безопасности необходимы средства автоматизации, как инструмент реализации. В настоящее время практически во всех отраслях промышленности, в том числе и на пожа-ровзрывоопасных производствах, широко используются автоматизированные системы управления, позволяющие производить контроль, анализ, сбор информации, оперативно принимать и выдавать варианты решений. Автоматизированные системы управления (АСУ), функционирующие на пожаровзрывоопас-ных производствах должны отвечать повышенным требованиям надежности. Как правило, в автоматизированных системах управления микропроцессорные системы и контроллеры нижнего уровня: содержащая пожарные датчики, датчики параметров окружающей среды, датчики метеорологических параметров, датчики параметров технологического оборудования, датчики параметров технологического процесса, датчики параметров технического состояния установок пожаротушения, неоднократно дублируются и обладают устойчивостью к воздействию внешних факторов. Следует отметить, что оснащены такие устройства, лишь элементарными средствами визуализации. Для обработки и хранения результатов, а также поддержки принятия решений специалиста по безопасности используются персональные компьютеры. От своевременной и корректной обработки этими устройствами информации зависит работоспособность и надежность всей автоматизированной системы управления пожаро-взрывобезопасностью. Как правило, вопросы надежности АСУ пожаровзрыво-

безопасностью закладываются на этапе проектирования. Производится оценка всей системы, без разделения АСУ ПВБ на подсистемы и уровни.

Персональный компьютер оператора является комплексом микропроцессорных систем, поэтому техническое устройство следует рассматривать как отдельную подсистему АСУ пожаровзрывобезопасностью. Обеспечение надежности подсистем персонального компьютера является актуальной задачей. Это связано с условиями функционирования: круглосуточный режим функционирования, изменение рабочих температур, перепады напряжения и т.д. Для оценки надежности функционирования персонального компьютера оператора необходимо не только учитывать особенности функционирования применительно к АСУ пожаровзрывобезопасностью, но и иметь возможность прогнозирования отказов с достаточным запасом времени для проведения оперативной замены той или иной микропроцессорной подсистемы, входящей в состав вычислительной машины оператора. Разработка моделей и алгоритмов, позволяющих прогнозировать отказы микропроцессорных подсистем с учетом реальных факторов функционирования, позволит повысить надежность всей АСУ пожаровзрывобезопасностью, что и определит важность и актуальность д исследования.

Объектом исследования диссертационной работы являются миханиз-мы устойчивого функционирования микропроцессорных подсистем персонального компьютера оператора, входящих в АСУ пожаровзрывобезопасностью.

Предметом исследования являются модели и алгоритмы оценки надежности АСУ ПВБ, обеспечивающие непрерывное функционирование систем с учетом воздействия дестабилизирующих факторов.

Целью исследования является разработка и обоснование модели и алгоритма, позволяющего производить оперативный мониторинг микропроцессорных подсистем персонального компьютера оператора АСУ пожаровзрывобезопасностью с учетом реальных условий функционирования, прогнозировать отказы подсистем с достаточным запасом времени для их оперативной замены.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

4

1. Проведен анализ существующих методов оценки надежности функционирования АСУ.

2. Исследованы структуры и механизмы функционирования современных АСУ пожаровзрывобезопасностью.

3. Проведен анализ и классификация факторов, влияющих на надежность персонального компьютера оператора в АСУ пожаровзрывобезопасностью.

4. Сформирована модель долгосрочного прогнозирования стабильного функционирования персонального компьютера оператора в АСУ пожаровзрывобезопасностью.

5. Разработан алгоритм для мониторинга и прогнозирования микропроцессорных подсистем ПК с учетом реальных условий функционирования. Методы исследования. Для достижения поставленной цели в работе используются двухпараметрическое семейство абсолютно непрерывных распределений, метод максимального правдоподобия, прикладной анализ данных, теорема Байеса.

Научная новизна диссертации заключается в том, что впервые:

- проведен анализ методов оценки надежности автоматизированных систем управления пожаровзрывобезопасностью промышленных предприятий;

- получены данные наработки на отказ микропроцессорных систем персонального компьютера оператора в АСУ пожаровзрывобезопасностью с учетом реальных условий функционирования;

- получены коэффициенты учащения отказов при изменении температуры функционирования микропроцессорных систем персонального компьютера оператора в АСУ пожаровзрывобезопасностью;

- разработана модель и алгоритмы оценки надежности функционирования персонального компьютера оператора в АСУ пожаровзрывобезопасностью, позволяющие прогнозировать отказы подсистем.

Практическая значимость работы заключаются в том, что использова-

5

ние предлагаемой модели позволяет оценить надежность функционирования персонального компьютера оператора в АСУ пожаровзрывобезопасностью, прогнозировать вероятность отказа микропроцессорных подсистем в структуре ПК, тем самым повысив надежность всей системы. Разработанный алгоритм позволяет производить мониторинг системы с учетом реальных условий функционирования, тем самым повышая надежность, как подсистемы, так и всей АСУ ПВБ в целом.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением апробированного математического аппарата, апробацией моделей и алгоритмов в ходе вычислительных экспериментов.

Апробация. Основные результаты диссертации докладывались и получили одобрение на ХХ-ХХ1 международных научно-технических конференциях «Системы безопасности» (Москва, Академия ГПС МЧС России, 2011 - 2013 гг.), XIV международной научно-методической конференции «Информатика: проблемы, методолгоия, технологии» (Воронеж, Воронежский государственный университет, 2014 г.), III международной научно-практической конферен-циии молодых учёных и специалистов «Проблемы техносферной безопасности» (Москва, Академия ГПС МЧС России, 2014), научно-технических семинарах учебно-научного комплекса автоматизированных систем и информационных технологий Академии Государственной противопожарной службы МЧС России (2010-2013 гг.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 работ, в том числе 2 работы опубликованы в рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК России.

Личный вклад автора. Результаты диссертационных исследований получены лично. Модели и алгоритмы, описанные в работе сформулированы самостоятельно. Выводы по результатам полученных исследований сделаны самостоятельно.

Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы:

1. В учебном процессе при проведении занятий по дисциплинам «Информационные технологии и вычислительная техника», «ЭВМ и периферийные устройства», «Информационные технологии» в Академии ГПС МЧС России

2. При выполнении НИР «Методика оценки надёжности интегрированных автоматизированных систем пожаровзрывобезопасности».

На защиту выносятся:

1. Результаты моделирования функционирования персонального компьютера оператора в АСУ пожаровзрывобезопасностью с учетом реальных условий.

2. Модель оценки надежности функционирования персонального компьютера оператора в АСУ пожаровзрывобезопасностью с учетом реальных условий.

3. Алгоритм оценки надежности и мониторинга микропроцессорных подсистем персонального компьютера оператора в АСУ пожаровзрывобезопасностью в режиме реального времени.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации 150 страниц. Работа иллюстрирована 18 рисунками, 3 таблицами, 2 приложения. Библиографический список включает 106 наименований.

ОНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность выбранной темы, определены объект и предмет исследования, сформулированы цель и задачи. Изложены теоретические и методологические принципы, новизна и практическая значимость проведенного исследования.

В первой главе. «Анализ проблемы обеспечения надёжности функционирования автоматизированных систем управления пожаровзрывобезопасностью» рассматриваются особенности функционирования, архитектура, иерархия, принципы взаимодействия основных подсистем АСУ пожаровзрыво-

безопасностью, производится анализ и классификация отказов, задачи по обеспечению надежности АСУ пожаровзрывобезопасностью.

Выполненный на первом этапе анализ методов оценки надежности АСУ, позволяет сделать вывод, что оценка надежности функционирования АСУ производится, как правило, на стадии проектирования систем, оценка производится относительно всей системы без разделения на подсистемы. Подобные методы оценки обусловлены тем, что акцент делают на надежность контроллеров и датчиков, относящиеся к нижнему сегменту иерархии системы. На уровне «оператор - ПК» оценка надежности персонального компьютера оператора, как самостоятельной микропроцессорной системы не производится.

Проведенный сравнительный анализ существующих методов оценки:

- логико-вероятностный метод расчета надежности систем;

- оценка безотказности программного обеспечения по наработке;

- оценка надежности методом построения графов;

- оценка надежности исходя из метода последовательных испытаний

Бернулли;

позволяет сделать вывод, что существующие методы предназначены либо для общей оценки надежности, либо для оценки программного обеспечения персонального компьютера оператора в АСУ.

Тем не менее, возникает необходимость выбора математического аппарата вероятностных методов для оценки надежности функционирования персонального компьютера оператора АСУ с учетом реальных условий.

В ходе дальнейшего анализа изданий по тематике надежности АСУ и радиоэлектронных элементов, был сделан вывод, что для достижения поставленной цели следует использовать двухпараметрическое семейство абсолютно непрерывных распределений, к такому виду распределений относится распределение Вейбулла. Распределение Вейбулла позволит разработать модель оценки надежности персонального компьютера оператора в АСУ пожаровзрывобезопасностью с учетом реальных условий функционирования.

Подробное описание модели и результаты моделирования представлены во второй главе.

Во второй главе. «Оценка надежности функционирования персонального компьютера оператора в АСУ пожаровзрывобезопасностью»

производится анализ факторов, влияющих на надежность функционирования ПК как микропроцессорной системы в АСУ ПВБ, определяются необходимые коэффициенты для построения модели оценки надежности функционирования ПК в АСУ, приведен анализ микропроцессорных систем, их особенности функциональное назначение, проведена классификация и обоснование выделение приоритетных узлов для детального исследования, прорабатывается модель исходя из распределения Вейбулла.

Для исследования моделью был принят ПК с минимальной комплектацией, необходимой для функционирования его в системе АСУ. В настоящее время большинство ПК основаны на принципе Фон-Неймана. Основы архитектуры и устройства ПК исходя из принципов Фон-Неймана приведенного на Рис. 1.

Арифметико- А Г^ Запоминающее устройство

логическое Двниы«

устройство

' V - >1 * / ^ 1 ' #

? Я} § Устройство # е I X г

% I « > управления

\ г / > ч 1 у

Устройство л Устройство

ввода вывода

Рис. 1. Схема архитектуры современных ПК Исходя из особенностей архитектуры ПК, предлагается классифицировать все микропроцессорные системы на подсистемы с возможностью оперативной замены и подсистемы, при отказе которых замена и настройка ПК займет продолжительное время.

Подобная классификация необходима для выработки четкой и рациональной схемы исследования с последующим исследованием модели функционирования и разработки алгоритма оценки надежности и прогнозирования отказов ПК.

Узлы с возможностью оперативной замены:

- оперативная память;

-сетевая плата;

-видеоадаптер;

-блок питания.

Узлы без возможности оперативной замены: -материнская плата; -жесткий диск; -процессор.

Исследовать надежность первой группы узлов нецелесообразно, по причине отсутствия проблем их совместимости, короткой продолжительности времени на их замену. Следует отметить, что замена выше обозначенных узлов не составляет проблемы еще по той причине, что современные ПК не имеют проблем совместимости, иными словами все составные части того или иного направления по функциональности стандартизированы по основным характеристикам. Кроме того, в частном случае видеоадаптера и сетевой платы, на материнских платах существуют интегрированные аналоги данных устройств, что позволяет либо переключаться на интегрированные устройства, либо установить их из резерва расходных деталей, либо с персонального компьютера, не задействованного в АСУ. В последствии при плановых профилактических работах достаточно установить необходимое системное программное обеспечение (ПО), а в случае сетевой платы в большинстве случаев дополнительного системного ПО не требуется.

Исследованию надежности и времени наработки на отказ будут подвержены узлы второй группы. Помимо затрат времени на их замену существует ряд проблемных моментов.

Рассмотрен каждый узел из второй группы устройств отдельно, сформулируем принципы, по которым выделили их в эту группу.

Материнская плата, прежде всего, как уже было представлено, является связующим звеном всех узлов ПК. При отказе материнской платы, необходима полная разборка ПК. Отметим так же, что на данный момент существуют процессоры нескольких производителей, что приводит к необходимости заменить материнскую плату, исходя из совместимости разъема для процессора.

Процессор по проблематике замены при отказе, аналогичен материнской

плате.

Жесткий диск, является устройством хранения информации, в том числе, на это устройство записана и операционная система и необходимое программное обеспечение. Современные технические достижения, позволяют создавать массивы с дублированием всех данных, иными словами создается «зеркало» и при отказе одного из дисков в системе информация сохраняется. Такая организация массива надежна с точки зрения надежности хранения, но система не будет функционировать до момента замены отказавшего диска на новый. Кроме того, для возобновления функционирования массива необходима верификация, которая может занять до нескольких часов.

Проанализированы факторы, приводящие к отказу микропроцессорных подсистем персонального компьютера оператора в АСУ пожаровзрывобезопас-ностью. Такие факторы, как сбой электросети, повышенная концентрация пыли, статическое электричество практически невозможно систематизировать и получить численные показатели, поэтому за основополагающий фактор принят температурный режим. Влиянию температуры подвержены все исследуемые микропроцессорные подсистемы персонального компьютера оператора.

Для получения измерений по наработке на отказ в качестве математического аппарата выбрано распределение Вейбулла. Описать изменение работоспособности подсистем ПК позволяет формула:

^,р00 = х > 0,/? > 0, с > 0;

11

где:

р - коэффициент, определенный в результате расчета, исходя из статистики отказов устройства за год;

х - количество устройств, подвергнутых испытаниям; д - время в течении которого выходят из строя 90% всех испытываемых устройств, в часах.

|3 -коэффициент, рассчитанный по теореме Байеса. Данная теорема позволяет определить вероятность отказа с использованием статистических данных, о количестве вышедших из строя исследуемых устройств.

Для проведения необходимых расчетов использовался специализированный программный комплекс. Для рассчитанных коэффициентов провели моделирование результаты моделирования приведены на Рис. 2., Рис. 3, Рис. 4.

«?

30 50

70

90 95

98

99

1Е-3 ,01 ,1 1 10 100 1Е + 3 1Е+ 4 1Е»5 1Е+6

Time fit

Рис. 2. Распределение вероятности отказа жестких дисков, исходя из распределения Вейбулла

1(F

30 50

70

90 95

98

99

99.9

1Е-3 ,01 .1 1 10 100 1Е + 3 1Е-М 1Е+5 1Е-К

Time fit

Рис. 3. Распределение вероятности отказа материнских плат, исходя из распределения Вейбулла

— — —X

/

У

/ yff

у Е' 8*-Я tffi S10 ОЛЬ 497.300 _U_ I I _

/ /у''

_

1Е-3 ,01 ,1 1 10 100 1Е + 3 1E»4 1Е+5 1Е*6

Time fit

Рис. 4. Распределение вероятности отказа процессоров, исходя из распределения Вейбулла На графиках пунктирной черной линией и сплошными черными обозначены распределение вероятности отказа, смоделированное без учета коэффициента р, оранжевой пунктирной линией доверительная вероятность прекращения испытаний.

Далее оценивается усредненная интенсивность отказов, при условии, что устройство находится во включенном состоянии 8760 часов в год, с учетом того, что 24 часа оно эксплуатировалось на заводе на этапе интеграции. С учетом результатов, приведенных выше, относительную интенсивность отказов за первый год можно рассчитать как интенсивность отказов, произошедших в период между 24 часами и 8760 часами.

При расчете надежности и наработки на отказ подсистем персонального компьютера оператора в АСУ пожаровзрывобезопасностью следует учитывать, что устройства функционируют непрерывно, поэтому корректировки относительно частоты включений не требуется.

Следующий этап анализа состоит в пересчете параметра д, полученного в результате тестов при 42°С, в значение, соответствующее нашей стандартной рабочей температуре (25°С). Опираясь на модель прикладного анализа данных, для учета температурных различий можно принять коэффициент учащения отказов равным 2,2208. Значение 42°С среднее предельное значение температуры, указываемое производителем, значение 25°С среднее значение температуры при котором исследуемые устройства функционируют в нормальном режиме с максимальной производительностью.

На основании значения параметров Рид Weibull, полученных после моделирования и температурной коррекции рассчитал вероятность отказов при температуре 25°С. Оценил время наработки на отказ при температуре 25°С для каждого из устройств.

Результаты зависимости суммарной наработки на отказ каждого элемента приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Температура, °С Скорректированное время наработки на отказ

микропроцессор Накопитель Материнская плата

Температура, °С Скорректированное время наработки на отказ

микропроцессор Накопитель Материнская плата

25 38480 28480 29960

26 28990 27105 28164

30 26315 22315 25763

34 23464 18464 22635

38 21351 15351 18756

42 17834 12824 16253

46 16757 10761 11457

50 11767 9070 10803

54 9676 7676 8635

Представленная в таблице зависимость, показывает, что с ростом температуры, жизненный цикл узлов персонального компьютера стремится к нулю. Кроме того следует отметить, что суммарная наработка на отказ при температуре 54°С составляет значение меньшее суммарной наработки за год. Следовательно, температура 54°С критическая для надежности функционирования ПК.

Во второй главе были получены следующие результаты:

- Коэффициент форм-фактор для проведения испытаний;

- Масштабныйкоэффициент;

- Коэффициентучащенияотказов;

- Зависимости времени наработки от реальных условий функционирования.

На основании полученной модели функционирования, в условиях реального функционирования ПК в АСУ ПВБ появляется возможность составления алгоритма прогнозирования и мониторинга отказов ПК в АСУ ПВБ с учетом реальных параметров функционирования.

В третьей главе «Прогнозирование наработки на отказ персонального компьютера оператора в АСУ пожаровзрывобезопасностью. Алгоритм

мониторинга состояния и прогнозирования отказов» произведен анализ параметров, полученных в главе 2, определены параметры достаточные для оценки наработки на отказ микропроцессорных подсистем ПК, разработан алгоритм мониторинга состояния ПК с последующим прогнозированием отказа системы.

Изучая вопрос надежности функционирования и факторов, влияющих на отказоустойчивость, были выявлены те факторы, которые возможно измерить и применить в ходе расчетов. Таким фактором была выбрана температура. Выбор был сделан по той причине, что она непосредственно влияет на быстродействие системы, надежность функционирования микропроцессорных систем ПК и, что самое важное, есть возможность измерения величины данного фактора, с достаточной точностью.

Для определения температуры функционирования микропроцессорных подсистем необходимо учитывать, что все они располагаются в едином корпусе, вследствие чего в корпусе происходит теплообмен с воздухом, который непрерывно циркулирует по средствам нагнетающих и отводящих вентиляторов. Кроме того, порядка 60% теплоотдачи осуществляется процессором и лишь 40% остальными подсистемами ПК. Значения рабочих температур подсистем ПК получим из литературы и технической документации.

Для определения температуры внутри корпуса необходимо руководствоваться следующими методиками:

- Расчет ребристого радиатора, как теплообменника с принудительной конвекцией;

- Расчет отводимой мощности, при организации воздушных потоков в корпусе радиоэлектронных средств;

- Расчет тепловых режимов радиоэлектронных систем.

Расчет ребристого радиатора нам необходим, так как, тепловое излучение от микропроцессора отводится радиатором по принципу теплообмена, вычисляется по формуле:

где

О - количество теплоты за единицу времени, т.е. Дж/с (Вт) (поток тепла через поверхность Б),

к - коэффициент теплопроводности, Вт/м*К°,

Б - площадь фрагмента,

сГГ/сЬ - изменение температуры.

Все необходимые для расчета данные и коэффициенты получил из справочников по радиоэлектронике.

Следует учесть, что отвод нагретого воздуха из корпуса ПК осуществляется непрерывно, нагнетается воздух из окружающей среды. Для расчета отводимой мощности воспользуемся формулой:

М = Швых - гвх)рвх

где:

IV- отводимая мощность, Ь - объем проходящего воздуха, Рв\ - удельный вес приточного воздуха, С- теплоемкость входящего воздуха,

¿вых - температура, отводимого из корпуса устройства воздуха, гвх -. Температура в локации функционирования устройства. Исходя из формулы и данных полученных в результате анализа литературы по проектированию радиоэлектронных средств примем микропроцессорную систему за единый излучатель, тогда формула суммарного теплового излучения будет иметь вид:

Рсум =(- к8<П7<к)0.6 О Для реализации возможности, использовать, полученные в главе 2 закономерности, характеризующие влияние температуры на значения наработки на отказ в часах необходимо определить температуру воздуха в корпусе ПК, учитывая непрерывную циркуляцию с подачей воздуха из окружающей среды.

Так как мощность суммарного излучения по сути и размерности равна мощности теплового потока отводимого из корпуса ПК, допустимо сделать вывод что:

Осу„ =

Ц*.ых - Орв*с =( - к8*ат/<к)*о.б о ( -кБ * сГГ/ск) * 0.6 0

Ь*рвх* С

Определив по формуле температуру, отводимую из корпуса ПК допустимо сделать вывод, что температура отводимого из корпуса воздуха равна температуре воздуха, нагретой тепловым излучением микропроцессорных систем ПК, а температура входящего для теплообмена воздуха равна температуре окружающей среды:

_ ( - к5с!Т/с1г)0.6 (} ^ к ~ ГТ "р! ^ ^вХ

ЬРвхС

Опираясь на вышеприведенные утверждения, допустим вывод о том, что для расчета наработки на отказ в режиме реального времени и условий функционирования достаточно иметь значения температур окружающей среды и центрального процессора. Для определения этих величин требуется минимальное количество времени и не требуется математических расчетов.

На основе полученных результатов разработан алгоритм, позволяющий производить мониторинг наработки на отказ и оценки надежности микропроцессорных подсистем персонального компьютера оператора в АСУ пожаро-взрывобезопасностью Рис. 5.

Рис.5. Алгоритм мониторинг наработки на отказ и оценки надежности

микропроцессорных подсистем ПК в АСУ ПВБ. Представленный алгоритм позволяет на стадии запуска программы, записав все необходимые константы, так же стандартизированные объемы корпусов современных ПК производит следующие операции:

1. Задается начальный период мониторинга. Для техники вводимой в эксплуатацию он равен нулю, в случае установки программного обеспечения на функционирующее устройства, исходя из времени наработки.

2. Производится периодический опрос и сравнение экстремальных значений центрального процессора с экстремальными данными. В случае работы процессора в экстремальном режиме производится немедленное уведомление пользователя.

3. Запрашивается температура окружающей среды. Исходя из полученных показаний, производится расчет температуры в корпусе персонального компьютера.

4. Полученную температуру в корпусе персонального компьютера отождествляют с температурами полученными при моделировании наработки на отказ, в случае экстремальных значений программа выдает сообщение о необходимости проверки или замены той или иной микропроцессорной подсистемы.

5. Производится подсчет суммарной наработки в часах. Суммарная наработка в часах подсчитывается для сигнализации о наступлении сроков регламентного обслуживания персонального компьютера. В случае превышения допустимого значения суммарной наработки программа информирует о необходимости замены микропроцессорных подсистем. Разработанный алгоритм позволяет производить комплексный мониторинг и анализ функционирования микропроцессорных подсистем, обращаясь к модели функционирования с учетом изменения температуры прогнозирует отказ микропроцессорных подсистем и как следствие повышение надежности АСУ пожаровзрывобезопасностью в составе которой функционирует.

На рис. 6. представлен интерфейс программы, разработанной на базе алгоритма.

Рис. 6. Консольный интерфейс программы мониторинга микропроцессорных подсистем.

Разработанный программный продукт реализует алгоритм Рис. 5., каждый час опрашивает микропроцессорные подсистемы, появляясь на мониторе оператора и запрашивая, требуемые параметры. Стандартизация современных корпусов персональных компьютеров позволяет использовать на любом терминале оператора, после инсталляции выбирая один из предложенных вариантов. Обоснование выбора ключевого параметра температуры на основании результатов моделирования делает программу доступной в использовании. Доступные математические расчеты, и программирование переменных на стадии проектирования ускоряет процесс обработки данных в свою очередь, занимая минимальный объем оперативной памяти и ресурсов центрального процессора.

Результаты, полученные в диссертации, апробированы на практике. Акты о внедрении приведены в приложении к диссертации.

В заключительной части диссертации рассмотрены возможные направления дальнейших работ по исследуемой проблематике.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

В диссертационной работе разработаны и формализованы модели и алгоритмы, позволяющие реализовать задачу по обеспечению надежности функционирования микропроцессорных систем персонального компьютера оператора в АСУ пожаровзрывобезопасностью по средствам мониторинга состояния системы и прогнозирования отказов как отдельных подсистем, так и всей АСУ пожаровзрывобезопасностью.

Основными регулируемыми параметрами являются количественные показатели характеристик надежности, параметры внешней среды, влияющие на показатели надежности.

В диссертации получены следующие результаты:

1. Проведен анализ методов оценки надежности автоматизированных систем управления. Исходя из анализа, применяемых методов предложена модель оценки наработки на отказ микропроцессорных подсистем в АСУ пожаровзрывобезопасностью.

2. В результате моделирования получены данные наработки на отказ микропроцессорных систем в АСУ с учетом реальных условий функционирования. Рассчитаны коэффициенты учащения отказов при изменении температуры функционирования микропроцессорных систем в составе АСУ пожаровзрывобезопасностью;

3. Предложены параметры, позволяющие оптимально эффективно производить оценку работоспособности микропроцессорной системы с учетом реальных условий функционирования.

4. Разработан алгоритм оценки надежности и мониторинга состояния микропроцессорных систем АСУ в реальных условиях функционирования и режиме реального времени.

Результаты диссертационной работы представлены в виде концепции создания программного обеспечения, позволяющего оператору проводить мониторинг состояния микропроцессорной подсистемы, как по запросу, так и в автоматическом режиме, проводить подсчет наработки на отказ. Разработанное

программное обеспечение позволяет обеспечивать безотказность работы в периоды между регламентными работами, снизить вероятность внезапных отказов.

Основные диссертации работы опубликованы в следующих работах В научных изданиях, рекомендованных ВАК России

1. Любавский А.Ю. Оценка времени наработки на отказ накопителей информации автоматизированных систем пожаровзрывобезопасности. / С.Ю. Бутузов // Интернет-журнал "Технологии техносферной безопасности" , Выпуск № 6 (40) - декабрь 2011 г. - Москва: АГПС МЧС России, 2011.

2. Любавский А.Ю. Статистический анализ времени наработки на отказ накопителей информации автоматизированных систем управления. / С.Ю. Бутузов, C.B. Баскаков // Вестник Воронежского государственного технического университета. Том 9 - Воронеж: ВГТУ, 2013.

В других научных изданиях

3. Любавский А.Ю. Устойчивость функционирования АСУ взрывопожа-розащитой промышленных объектов. / С.Ю. Бутузов // Проблемы управления безопасностью сложных систем: Труды XVII международной конференции. - Москва: РГГУ, 2009.

4. Любавский А.Ю. Оценка надёжности компьютеров в автоматизированных системах пожарной безопасности. / С.Ю. Бутузов, Нгуен Туань Ань, Шарабанов С.В // Сборник тезисов докладов и материалов XIX научно-технической конференции «Системы Безопасности-2010», г. Москва.

5. Любавский А.Ю. Расчётный способ определения времени наработки на отказ накопителей информации быстродействующих АСУ пожаровзрывобезопасностью промышленных предприятий. / С.Ю. Бутузов // Проблемы управления безопасностью сложных систем: Труды XIX Международной конференции. - Москва: РГГУ, 2011.

6. Любавский А. Ю. / Метод оценки наработки на отказ микропроцессорных устройств: материалы XIV Международной научно-методической конференции, Воронеж, 6-8 февраля 2014 г.: в 4 т. / Воронежский государственный университет. - Воронеж: Издательский дом ВГУ, 2014. -С.

7. Любавский А.Ю./Оценка наработки на отказ микропроцессорных систем, по средствам двухпараметрического семейства абсолютно непрерывных распределений // Материалы 3-й международной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов «Проблемы техносферной безопасности-2014». - М.: Академия ГПС МЧС России, 2014.-С.

Любавский Алексей Юрьевич

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ МИКРОПРОЦЕССОР-НЫХСИСТЕМ АСУ ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬЮ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 17.11.2014 г. Формат бумаги 60х90 Тираж 100 экз._1/16 Заказ № 652

Академия ГПС МЧС России 129366, Москва, ул. Бориса Галушкина, 4

1 и-1¿757

2011302458

2011302458