автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка методов повышения надежности и эффективности информационно-управляющих систем интеллектуальных зданий

На правах рукописи ~ —»«,

МУХИН ИЛЬЯ НИКОЛАЕВИЧ

Разработка методов повышения надежности и эффективности информационно-управляющих систем интеллектуальных зданий

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (технические системы)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007

003053223

Работа выполнена на кафедре технической кибернетики Российского университета дружбы народов

Научный руководитель

доктор технических наук, доцент Царегородцев Анатолий Валерьевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Афанасьев Валерий Николаевич

кандидат технических наук, доцент Гаврилов Александр Игоревич

Ведущая организация

Вычислительный центр РАН

Зашита состоится 02 марта 2007 г. в 1630 часов на заседании диссертационного совета К 212.203.08 в Российском университете дружбы народов по адресу: г. Москва, ул. Орджоникидзе, д.З.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке РУДН по адресу: г Москва, ул. Миклухо-Маклая, д.6.

Автореферат разослан «'31-» января 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук, доцент

М Б. Фомин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Еще десять лет назад большинство российских специалистов строительной индустрии, вероятно, ничего не слышало об интеллектуальном здании (ИЗ). Этот термин перекочевал в строительную периодику из компьютерных изданий в связи с началом использования в строительной индустрии информационных (компьютерных) технологий автоматизированных систем управления инженерным оборудованием здания.

Автоматизированные комплексы управления не только включат, выключат и отрегулируют работу систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, освещения и электроснабжения, но и проинформируют оператора о возможных неполадках в работе систем, напомнят о необходимости проведения регламентных работ. При возникновении чрезвычайных ситуаций они приведут в действие необходимое оборудование и оповестят обитателей здания о путях и способах эвакуации.

Одним из важнейших аспектов проектирования и эксплуатации информационно-управляющих систем ИЗ, которому, к сожалению, иногда не уделяется должного внимания, является обеспечение их надежности. Практический опыт показывает, что в большинстве случаев целесообразней затратить дополнительные средства на обеспечение требуемой надежности создаваемой системы, чем нести потери от низкой надежности в процессе эксплуатации. Особенно важно обеспечение надежности управляющих систем. Она должна быть существенно выше, чем у управляемых ими объектов, в противном случае эффект от их применения может быть отрицателен.

Обеспечение надежности является сложной задачей, решение которой невозможно без разработки соответствующих моделей, применения ЭВМ и специальных программных средств. Таким образом, методы расчета и оценки показателей надежности должны стать обязательным инструментом при проектировании информационно-управляющих систем ИЗ, позволяющим убедиться, что система обладает необходимой надежностью, а также сравнить между собой различные варианты ее построения или развития. Поэтому проблема разработки методов и алгоритмов для анализа .надежности ИУС ИЗ на сегодняшний день является весьма актуальной.

Целью работы является разработка математических моделей, методов и алгоритмов для анализа надежности информационно-управляющих систем ИЗ.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи исследования:

1. Провести анализ и классифицировать подсистемы информационно-управляющих систем ИЗ по топологическим признакам и разработать методы декомпозиции таких систем, позволяющих существенно снизить трудоемкость расчетов их надежности и эффективности.

2. Разработать общий метод расчета показателей надежности и эффективности функционирования структурно сложных систем ИЗ.

3. Разработать методы расчета надежности и эффективности автоматизированных систем ИЗ с иерархической ветвящейся структурой, выходной эффект которой зависит от числа нормально функционирующих элементов нижнего уровня.

з

4. Разработать методы расчета надежности и эффективности автоматизированных систем ИЗ, имеющих сетевую топологию.

5. Осуществить апробацию предложенных методов и алгоритмов в задачах анализа надежности структурно сложных информационно-управляющих систем ИЗ.

Методы исследования

Теоретические исследования, выполненные в работе, базируются на общих принципах теории управления, теории надежности, теории информации, методах оптимизации, теории кибернетических систем.

Выносимые на защиту результаты

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Общий метод расчета показателей надежности и эффективности информационно-управляющих систем ИЗ, основанный на арифметическом представлении функции эффективности.

2. Методы декомпозиции структурно сложных систем, позволяющих существенно снизить трудоемкость расчетов их надежности и эффективности.

3. Методы расчета надежности и эффективности автоматизированных систем с иерархической ветвящейся структурой.

4. Методы расчета надежности и эффективности автоматизированных систем с сетевой структурой

Научная новизна полученных результатов заключается в том, что:

1. Впервые сформулирована задача расчета и оценки надежности и эффективности структурно-сложных систем ИЗ на основе единого представления функции эффективности.

2. Предложены эффективные методы сведения широкого круга систем длительного действия к системам кратковременного действия.

3. Предложены методы декомпозиции структурно-сложных систем, позволяющие сократить трудоемкость расчета надежности и эффективности.

4. Разработаны методы расчета и оценки надежности и эффективности автоматизированных систем ИЗ различных топологий.

Практическая ценность результатов

1. Разработаны новые и развиты известные подходы для решения ряда задач оценки и контроля надежности структурно-сложных сисгем.

2. Разработана общая схема, позволяющая на основе единого подхода осуществить выбор показателей надежности для автоматизированных систем интеллектуальных зданий различных топологий.

3. Разработан экономный алгоритм нахождения доверительных границ показателей надежности при моделировании на ЭВМ.

4 Разработанные в диссертации математические модели, методы и алгоритмы позволяют эффективно решать практические задачи обеспечения надежности структурно сложных информационно-управляющих систем широкого спектра.

5. Внедрение результатов диссертационной работы подтверждается соот-вегствующими актами.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на следующих совещаниях, семинарах и конференциях-

1. Четвертой Международной научно-технической конференции «Чка-ловские чтения» (г. Егорьевск, 2002 г.),

2. XXXVII и XXXVIII научных конференциях аспирантов, преподавателей и молодых ученых РУДН «Теория и практика инженерных исследований» (г. Москва, 2002, 2003 гг.);

3. ХЬ научно-технической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов инженерного факультета РУДН «Современные инженерные технологии» (г. Москва, 2004 г.);

4. Седьмом международном симпозиуме «Интеллектуальные системы» (1Ш-ЕЬ8'2006) (г. Краснодар, 2006 г.);

5. научных семинарах кафедры Технической кибернетики Российского университета дружбы народов (г. Москва, 2002-2006 гг.);

6. научных семинарах кафедры АСУ МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, 2002-2006 гг.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы содержатся в 7 печатных работах, из них в центральных изданиях, рекомендованных ВАК, -2; учебных пособиях - 2; трудах международных конференций - 1; тезисах докладов и конференций - 2.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 90 наименований, 2 приложений. Всего 132 страницы текста, иллюстрированного 28 рисунками и I таблицей.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, излагаются цель и основные задачи исследования, формулируются научная новизна, практическая ценность полученных результатов, основные научные результаты, выносимые на защиту. Проводится краткий анализ вопросов, подлежащих исследованию.

В главе 1 рассмотрена концепция ИЗ, обоснованы преимущества применения комплекса систем ИЗ, приведен обзор существующих методов обеспечения надежности структурно-сложных систем.

Вопросы построения высоконадежных систем передачи информации рассматривались многими авторами. При этом использовались в первую очередь достижения общей теории надежности. Применялись и применяются всевозможные способы резервирования на разных уровнях иерархии систем, используется и горячее, и холодное резервирование.

Перспективным также представляется подход к построению средств самоорганизации, связанной с перераспределением функций между схемным и алгоритмическим уровнями Но такой подход не допускает более одного дефекта в строке или столбце исходной физической матрицы. В такой системе аппаратур-но-алгоритмические средства самоорганизации позволяют существенно ускорить процесс «стабилизации» логической структуры системы, однако, она устойчива только при парировании дефектов, равномерно возникающих по всей матрице.

Как показывает анализ публикаций, предлагаемые методы поддержки высокой надежности функционирования сетей опираются на серьезную дополнительную алгоритмическую поддержку, которая предполагает сначала определение места дефекта, а потом соответствующее программно-аппаратное решение.

Однако в ответственных системах, работающих в реальном масштабе времени, необходимо сохранять 100%-ную работоспособность при наличии одного и более отказов и в этих системах нет времени на устранение неисправности в общепринятом смысле, т.е. система как бы не должна замечать этих отказов. Поэтому актуальной и своевременной является задача построения высоконадежных сетей, где, либо полностью отсутствовала бы необходимость в дополнительном программном обеспечении, либо это ПО должно быть минимальным. Но в то же самое время система по возможности в самый короткий промежуток времени сама должна определить место неисправности и информировать об этом.

В связи с чем в этой же главе рассмотрено использование арифметического представления функции эффективности и приведена классификация ИУС ИЗ с позиции надежности их функционирования.

Арифметическим представлением функции эффективности <р(х) называется ее представление в виде

<р(х)=а,х1 + ... + апх11 + я12х,х2 + ...+а1 „х, ...х,, (1)

где а,.....а, „ - некоторые коэффициенты.

В дальнейшем арифметическое представление будем записывать в более компактном виде

<2>

Здесь т — количество ненулевых слагаемых в правой части (I); а, - последовательно пронумерованные ненулевые коэффициенты арифметического представления; - соответствующие множества индексов, J, = {j,... у,}.

Представление функции эффективности в арифметическом виде дает возможность получить формулы для значений моментов распределения ^х). Обозначим через р) вероятность работоспособности у-го элемента системы:

Пусть функция эффективности представлена в виде (2). Тогда для к -го начального момента ук = м[(р(х))' ] (к = 1,2,...) получим формулу

^ = ¿Л ••■а„7Г„ (3)

I, -I

где я, = ,,

Наибольший практический интерес для оценки надежности представляют значения математического ожидания Е и дисперсии О эффективности системы:

£ = (4)

£> = 5», (1 2- (5)

1=1 К!

гдея-, =Пру.я-„ = Пр, • (6>

Из формул (2), (4) видно, что для вычисления математического ожидания Е нужно взять линейное представление функции эффективности <р(х) и вместо х( подставить соответствующую вероятность р1. Так как в силу линейности

б

оператора математического ожидания именно линейная форма наиболее удобна для вычисления математического ожидания. Благодаря этому, линейная форма и используется для расчетов надежности.

В главе 2 излагается метод расчета надежности структурно сложных систем, основанный на использовании арифметического (линейного) представления функции эффективности, обосновывается сведение систем длительного действия к системам мгновенного действия. Поскольку анализ надежности систем длительного действия существенно более сложен, чем систем мгновенного действия, важное значение имеют методы сведения систем длительного действия к системам мгновенного действия. При этом усреднение по траекториям для систем непрерывного действия сводится к усреднению по состояниям, а для систем дискретного действия - к некоторому обобщению усреднения по требованиям.

Также в главе 2 приведены результаты, позволяющие производить расчет надежности для других классов систем. Некоторые из этих классов систем рассматривались другими авторами, однако приведенные здесь для них результаты обобщают ранее известные.

Иерархическая ветвящаяся структура является типичной для многих технических систем, к числу которых относятся управляющие, информационные, вычислительные и другие системы ИЗ. Они, как правило, являются сложными системами, имеющими более двух уровней функционирования, т.е. могут находиться в состояниях промежуточных между полной работоспособностью и полной неработоспособностью. Поэтому оценка их надежности производится с помощью показателей технической эффективности. Под эффективностью понимается математическое ожидание выходного эффекта системы, определяемое с учетом надежности ее элементов. В главе выводятся формулы для расчета и оценки показателей надежности таких систем. При этом рассмотрены различные виды выходного эффекта системы, выраженного в виде функции от числа нормально функционирующих исполнительных элементов, а также возможность статистической зависимости между состояниями исполнительных элементов некоторых групп.

Для ветвящихся систем выходной эффект обычно зависит от числа нормально функционирующих элементов самого нижнего уровня, называемых обычно исполнительными или выходными элементами. При этом такой элемент считается нормально функционирующим, если работоспособен как он сам, так и вся цепочка элементов верхних уровней, которым он подчинен.

В ряде случаев, когда выходной эффект является некоторой функцией /(г) от числа нормально функционирующих исполнительных элементов г, для получения арифметического представления удается применить операторный метод. Действительно при этом

В ряде случаев исполнительные элементы системы объединяются в группы, причем между состояниями элементов одной группы существует зависимость, обусловленная, например, наличием у них общего резерва и т.п.

1-11^1,

откуда

00

В этой главе дается метод расчета показателей эффективности ветвящихся систем с учетом подобной зависимости. При этом используется модифицированное арифметическое представление функции эффективности.

Пусть в системе имеется т групп исполнительных элементов, причем все элементы одной группы подчинены одним и тем же управляющим элементам. Состояния исполнительных элементов не зависят от состояний управляющих элементов и от состояний исполнительных элементов других групп (т.е. зависимость может быть только между состояниями исполнительных элементов внутри одной и той же группы). Состояния всех управляющих элементов независимы.

Для каждой группы известны значения математического ожидания и дисперсии числа работоспособных элементов в группе е и d (/ = 1.....т) и для

каждого управляющего элемента - вероятность его работоспособности р,.

Тогда на основе модифицированного арифметического представления для

выходного эффекта системы получим:

£ = («)

i-i

O = ). (9)

где я, = \\P¡.

¡ij, ¡fj^i,

В этой же главе строятся двухсторонние оценки эффективности ветвящихся систем для широкого класса зависимостей выходного эффекта от числа нормально функционирующих исполнительных элементов, выражающихся вогнутыми и выпуклыми функциями. Эти оценки вычисляются через значения первых двух моментов числа нормально функционирующих исполнительных элементов

Пусть известны значения первых двух начальных моментов распределения числа нормально функционирующих исполнительных элементов с, = Мz и

v, =m(z2). Пусть, далее, квадратичная функция g(v)=av2+bv такова, что g(v)< /(v) для всех v е [0, т\. Тогда, с одной стороны,

M[/"(z)]> M[g(z)]= M(az2 + bz) = aM(zJ)+ bMz.

С другой стороны, в силу неравенства Иенсена M[/(z)]</(Mz).

Поэтому имеют место двухсторонние оценки

av, +bv, <£</(v,). (10)

Более простую, но и более грубую нижнюю оценку можно получить на основании неравенства /(v)> [f(m)lm\>, откуда вытекает, что

E>MV¡. (П)

т

Можно показать, что нижняя оценка (10), полученная с помощью оценочной функции, всегда лучше, чем оценка (11).

Верхняя оценка также может быть получена с помощью квадратичной оценочной функции аналогично нижней оценке. Расчеты, проведенные для ряда примеров, показали, что для реальных значений вероятности работоспособности элементов достаточно близких к 1 верхняя оценка на основе неравенства Иенсе-

на (10) оказывается меньше, т.е. лучше, чем оценка на основе квадратичной оценочной функции.

Рассмотрим многопроцессорную ЭВМ, состоящую из одного главного управляющего процессора (ГУП), двух управляющих процессоров (УП) и восьми арифметических процессоров (АП), и имеющую иерархическую структуру, показанную на рис. 1. Каждое поступающее на ЭВМ задание требует для своего выполнения функционирования определенного числа АП. При этом АП функционирует, если работоспособен как он сам, так и управляющие им ГУП и УП. В качестве показателя эффективности ЭВМ принимается вероятность того, что произвольное поступившее на нее задание будет выполнено.

□ □ □□ □□ □□ ш Рис. 1

Пусть распределение числа АП, требующихся для выполнения задания, является геометрическим, т.е. вероятность того, что произвольное задание требует для своего выполнения работы V АП, равна (1 -у)/'1 /{}-у" ), где у - некоторый параметр (0 < у < 1), т = 8 - общее количество АП, V = 1,..., т.

Тогда вероят ность того, что при v нормально функционирующих АП поступившее задание будет выполнено, определяется по формуле

».I 1 -у

где А = 1/(1-/")>0, с~~1пу>0.

Эффективность рассматриваемой ЭВМ выражается равенством

где г - число нормально функционирующих АП.

Оценим вначале математическое ожидание и 2-й начальный момент числа нормально функционирующих АП. Обозначим через г0, г,, и г, вероятности работоспособности ГУП, УП и АП соответственно. По формуле (3) получим. v, = 8г0г,г2, v, = 8г0г,гг +2-2-6г0г,г22 + 2■ 16г0г,2г22.

Пусть, например, г0 =0,999; г, =0,99, гг =0,95. Тогда v, =7,516, V, =57,216.

Для построения оценочной функции исследуем исходную функцию /(V). Взяв производные, получим:

Г(у)=Асе'"> 0, /"(у)=-Ас}е~" <0, /"(у)= Лс V" > 0.

Поэтому положим

Ь = 2/(«)/« -/'(«) = 2/т- Асе "" , а = /(т)/т2 -Ь/т = Асе'"'/т-Х/т1 .

Пусть, например, у = 0,8. При этом ¿> = 0,205, а = -0,01. Тогда нижняя оценка эффективности есть тг + ¿>у, = 0,9687. Верхняя оценка - /(у,) = 0,9769.

Нижняя оценка на основании (10) равна 0,9395.

В главе 3 исследуются показатели надежности структурно-сложных систем с сетевой структурой. Они рассматривались во многих работах, однако основное внимание уделялось показателям типа вероятности связности, представляющим собой с точки зрения теории надежности коэффициент готовности. В данной работе даются методы расчета таких показателей надежности сетевых систем, как коэффициент сохранения эффективности, средняя наработка на отказ и коэффициент оперативкой готовности. Поскольку для многих сетевых систем большое значение имеет их пропускная способность, предложены оценки для показателей, совместно учитывающих надежность и пропускную способность.

Многие системы современных ИЗ имеют сетевую структуру. К ним относятся, в частности, различные системы управления, связи, энергетики и т.п.

Показатели надежности систем с сетевой структурой должны характеризовать возможность взаимодействия ее элементов между собой, т.е. наличие в графе соответствующих путей. Наиболее употребительными в настоящее время показателями надежности сетей являются вероятность парной связности рч и вероятность полной связности. Между тем, для нормального функционирования большинства сетевых систем вовсе не требуется наличие одновременной связи между всеми вершинами, а в каждый момент необходима связь только между некоторыми определенными вершинами.

Кроме того, многие сетевые системы ИЗ относятся к структурно-сложным, т.е. отказы отдельных элементов приводят не к полному выходу системы из строя, а к некоторому снижению эффективности ее функционирования. Поэтому показатели надежности, определяемые на основе понятия отказа системы, оказываются малопригодными. Основным показателем надежности подобных систем служит коэффициент сохранения эффективности, определяемый как отношение показателя эффективности системы, вычисленного с учетом возможности отказов ее элементов, к номинальному значению этого показателя, вычисленному при условии полной работоспособности.

При определении коэффициента сохранения эффективности оказывается удобно ввести так называемую функцию эффективности (р(х), математическим ожиданием которой является коэффициент сохранения эффективности: К<3=М<р{х).

Пусть рассматриваемая система с сетевой структурой решает М различных задач (опрос счетчиков энергопотребления), отличающихся множеством взаимодействующих вершин, причем для решения / -й задачи необходимо одновременное взаимодействие между некоторым множеством пар вершин О,. Для каждой задачи вводится своя функция эффективности по отношению к этой задаче (х). Общая функция эффективности системы <р(х) определяется как взвешенная сумма функций эффективности по отдельным задачам

р(х)= !>,?,(*), (12)

где а, ¿0, ¿Га, =1.

Весовые коэффициенты а, характеризуют значимость соответствующих задач. В частности, если все задачи одинаково важны, а различаются лишь частотой возникновения необходимости их решения, причем поток запросов на решения / -й задачи имеет постоянную интенсивность о),, то

к

а, - о,/©, где о = «у, . (13)

Из равенства (12) вытекает, что

*сэ=2>л> (14)

м

где К, - коэффициент сохранения эффективности по отношению к / -й задаче.

В частном случае, когда каждая задача может системой или решаться или не решаться вовсе,

, , (1, если в состоянии х / - я задача системой решается; , ,

МХ)Н О5)

(О, если в состоянии х / - я задача системой не решается. При этом условием решения системой / -й задачи является возможность взаимодействия между всеми парами вершин из множества £>,. В этом случае

*,=МЛ(ж) = Р{иМ = 1} = />ц (16)

где Рп - вероятность связности всех пар из множества Д.

В общем случае <р,{х) может характеризовать пропускную способность сети в этом состоянии между соответствующими вершинами, весовые коэффициенты а, при этом характеризуют долго в общей пропускной способности, соответствующую / -й задаче.

Однако даже в случае простейших двухзначных функций эффективности отдельных задач (15) на основе формулы (16) можно получить разнообразные показатели надежности сетей, в том числе практически все известные показатели, используемые различными авторами

Так, пусть М = у и все Ц имеют вид {(1,/)} где ; = 2,..., v. Тогда коэффициент сохранения эффективности характеризует надежность централизованной сети, в которой выделенная вершина, имеющая номер 1, (центр) поочередно взаимодействует со всеми остальными (периферийными) вершинами. Если при этом все а, равны между собой, то есть а, = 1/(^-1), то коэффициент сохранения эффективности равен средней доле периферийных вершин, связанных с центром.

Или, пусть Л/ = 1 и Ц = {(1,2), (1,3),..., (1, и)}. Тогда коэффициент сохранения эффективности характеризует надежность централизованной сети, в которой центр одновременно взаимодействует со всеми периферийными вершинами, и равен вероятности связности всех периферийных вершин с центром

Рассмотрим общую схему определения показателей надежности сетей передачи информации ИЗ на основе описанного выше подхода

Сеть передачи информации можно рассматривать как многофункциональную систему, задачами которой является обеспечение возможности передачи информации между различными пунктами. Для каждой пары пунктов / и у

(/ * У; _/ = 1,..., от; т - общее количество пунктов сети) задается своя функция эффективности связи между ними ^(х). Функция эффективности для всей сети определяется как взвешенная сумма этих функций для отдельных связей:

= (17)

о

В качестве показателей надежности сети могут использоваться: коэффициент сохранения эффективности Ксз - Мр(х), вероятность сохранения заданного уровня г (0<г<1) функционирования системы Я(г)=Р{р(х)>2} и, наконец, вероятность сохранения номинального уровня функционирования Л(1)=Рмх)=1}.

Рассмотрим теперь процесс выбора функций эффективности отдельных связей (х) и весовых коэффициентов а)(.

В качестве моделей сетей будем использовать сигнальную сеть, потоковую сеть и сеть каналов.

В сигнальной сети для обеспечения возможности передачи информации между любой парой пунктов нужно лишь существование между ними работоспособного пути. Поэтому для сигнальной сети функции эффективности для всех пар берутся двухзначными:

1, если в состоянии* между пунктами/и у существует <р'ч (х) = • работоспособный путь; О, в противном случае.

Коэффициенты а' для сигнальной сети берутся равными между собой,

т.е.

где N - общее количество пар пунктов.

В потоковой сети потребность в доставке информации между пунктами определяется матрицей потоков (тяготений) |. Поток /0 между пунктами < и у" может выражаться числом бит, знаков, стандартных сообщений (пакетов) в единицу времени или временем занятия каналов в единицу времени. В этом случае функция эффективности <р" (х) определяется как доля от потока передаваемого в состоянии полной исправности, составляемая потоком, который может быть передан между пунктами / и У в состоянии х.

Коэффициенты а" пропорциональны значениям , т.е.

При таком определении значение <р(х) есть доля, составляемая потоком, который может быть передан между всеми пунктами в состоянии х, от общего потока на сети в состоянии полной исправности.

На основании тяготений между пунктами может быть определена матрица каналов ||м,(|. Здесь ия - число типовых каналов, требующихся для передачи информации между пунктами / и у. В случае задания матрицы каналов функция эффективности <р* (х) определяется как доля работоспособных в состоянии х

каналов между пунктами / и У от общего числа каналов между этими пунктами

V

Коэффициенты а* пропорциональны значениям и1:, т.е.

< = И*/5Х ■

/ '.Г

При таком определении значение есть доля работоспособных в состоянии х каналов от общего числа каналов на сети.

По своим функциям сети передачи информации ИЗ можно разделить на двухполюсные, предназначенные для обмена информацией между двумя выделенными пунктами; централизованные, предназначенные для обмена информацией между одним выделенным пунктом (центром) и остальными (периферийными) пунктами; распределенные, предназначенные для обмена информацией между всеми пунктами.

Отметим, что любую сеть при анализе надежности связи заданной пары пунктов между собой или одного заданного пункта со всеми остальными можно рассматривать соответственно как двухполюсную или централизованную.

Сделанный выше выбор коэффициентов , относился к случаю распределенных сетей. Для всякой двухполюсной сети, предназначенной для связи пунктов !и(, следует взять а„ = I и = 0 для остальных ! и у. В случае централизованной сети с центром в пункте г:

а'п = 1 /то - для сигнальной сети (то - количество периферийных пунктов);

а" = /,уХЛ- ~^ потоковой сети {¡*г)\

а* = «„ДХ - для сети каналов (/ *ГУ,

I J*r

о,' = а" = а* = 0 - для остальных /, ].

Исходя из функции эффективности (17) при указанном выше выборе функций <р:;(х) и коэффициентов а:>, можно получить большое разнообразие различных показателей надежности. При этом большинство известных показателей укладываются в описанную здесь общую схему. Она охватывает показатели, получаемые при различных сочетаниях трех признаков: модель сети (сигнальная, потоковая, каналов), функциональный тип сети (двухполюсная, централизованная, распределенная) и вид показателя (коэффициент сохранения эффективности, вероятность /?(г) сохранения заданного уровня функционирования, вероятность /?([) сохранения номинального уровня функционирования) Всего, таким образом, могло бы получиться 3-3-3 = 27 показателей, но поскольку для двухполюсной сигнальной сети Ксэ = /?(г) = то их оказывается 25. Например, для случая централизованной сети каналов:

- средняя доля работоспособных каналов между центром и периферийными пунктами;

- вероятность того, что доля работоспособных каналов между центром и периферийными пунктами не ниже заданной;

- вероятность работоспособности всех каналов между центром и периферийными пунктами.

Средняя наработка на отказ также является одним из важнейших показа-

телей надежности. В настоящей работе предлагается точный метод расчета наработки на отказ произвольных систем с монотонной структурой, структурная функция которых представлена в ортогональной дизъюнктивной бесповторной форме, т.е. в виде дизъюнкции ортогональных бесповторных форм в базисе конъюнкция-отрицание. Такая форма является более компактной, чем дизъюнктивная нормальная, для ее получения разработаны соответствующие алгоритмы, многие методы расчета вероятности связности сетевых систем дают результат именно в таком виде. При этом расчет наработки на отказ также легко может быть совмещен с расчетом коэффициента готовности системы.

Рассмотрим систему, состоящую из и элементов, каждый из которых независимо от остальных может находиться в одном из двух состояний: работоспособном или неработоспособном. Состояние системы описывается и-мерным

булевским вектором х = (х,.....х„), где х, =1, если 1-й элемент работоспособен,

и х, = 0, если нет.

На множестве всех состояний системы задана ее структурная функция /(х) (или функция работоспособности системы): /(х) = 1, если в состоянии х система работоспособна; /(*)= 0, если нет. Предполагается, что функция /(к) представлена в ортогональной дизъюнктивной бесповторной форме.

Указанная форма является формой перехода к полному замещению. Это означает, что если подставить в /(х) вместо каждого х, коэффициент готовности /-го элемента к,, заменив при этом дизъюнкцию сложением, конъюнкцию -умножением, а отрицание - взятием дополнения до единицы (обозначаемые далее штрихом), то вычислив /(к)= /(£,.....кп), мы получим значение коэффициента готовности системы.

Предполагается, что поведение каждого элемента описывается альтернирующим процессом восстановления. Это означает, что длительности безотказной работы и восстановления элементов образуют последовательности независимых одинаково распределенных случайных величин. Обозначим их математическое ожидание для /-го элемента Г, и г, соответственно. Таким образом, наработка на отказ /-го элемента 7], среднее время восстановления г,, а для коэффициента готовности имеет место равенство к1 =Т,/(Т, + г,). Обозначим также А, = 7","'. Наработка на отказ Г системы, имеющей структурную функцию /(х), представленную в ортогональной дизъюнктивной бесповторной форме, выражается формулой

г т'

Г = к£1(-1)'«/.(кН . (18)

уИ 16/,

где К = /(к) - коэффициент готовности системы; 11 - множество номеров элементов, от которых фактически зависит /; / - функция, получаемая из f снятием всех отрицаний, применяемых к множителям, содержащим х,; - количество снимаемых при этом отрицаний.

Среднее время восстановления системы г может быть определено по формуле г = 7"(1 - К)[К.

Взаимодействие между объектами системы, соответствующим полюсам сети, имеет определенную временную продолжительность, и наличие пути в на-

чальный момент взаимодействия еще не гарантирует его успешное завершение. Показателем надежности, характеризующим не только существование пути в некоторый момент, но и его безотказную работу в течение заданного интервала времени, является коэффициент оперативной готовности (КОГ), который определяется как вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени и, начиная с этого момента, будет работать безотказно в течение заданного интервала времени. Таким образом, КГ является предельным частным случаем КОГ: КОГ переходит в КГ, когда длительность заданного интервала времени равна нулю. Наиболее общий показатель надежности сложных систем - коэффициент сохранения эффективности - во многих практически важных частных случаях также переходит в КОГ.

Выделяют два режима функционирования сетей: без установления соединения и с установлением соединения. В случае режима с установлением соединения на сети вначале устанавливается физическое или логическое соединение, для чего резервируются необходимые ресурсы; а затем взаимодействие осуществляется по этому, предварительно установленному соединению.

При расчете КОГ для случая режима без установления соединения надо найти вероятность того, что в произвольный момент времени сеть находится в работоспособном состоянии, т.е. между ее полюсами существует хотя бы один работоспособный путь, и она проработает безотказно в течение всего заданного интервала времени.

Нижняя оценка указанной вероятности определяется любым методом расчета КГ сети, подставляя вместо КГ элементов их КОГ, равные для /-го элемента произведению к,г, его КГ к,, и вероятности безотказной работы в течение заданного интервала при условии работоспособности в начале этого интервала , которая может быть определена по формуле

'о I,

где Та и — математическое ожидание и функция распределения времени безотказной работы (-го элемента соответственно, а /0 - длительность заданного интервала.

В случае работы в режиме с' установлением соединения событие, выражающее условие безотказности в течение заданного интервала времени, будет формулироваться уже несколько иначе.

Состояние системы в произвольный момент времени описывается п-

мерным двоичным вектором х = (х,.....х„), где х, характеризует состояние / -го

элемента и равно 1, если он работоспособен, и 0, если нет. Состояния всех элементов предполагаются независимыми, поэтому вероятность р(х) того, что система находится в состоянии х, выражается формулой

1-1

На множестве всех состояний системы 5 определена структурная функция (р: 5 -»[0,1]. Именно,

^ ^ |1, если в состоянии х существует работоспособный путь;

[О, в противном случае.

На множестве тех состояний 5, ={хе£: р(х)=1}, в которых граф связен, определена функция -> {1.....т}. Значение у(х) есть номер пути, выбираемого в состоянии х для взаимодействия между полюсами в соответствии с принятым в системе алгоритмом выбора путей.

Используя введенные обозначения, КОГ можно определить формулой

= хрш*к,} - (19)

Здесь Я] ~ - вероятность того, что у-й путь проработает безотказно

в течение заданного интервала времени при условии его работоспособности в начале этого интервала.

Разумеется, полный перебор состояний системы не является конструктивным методом в силу его высокой трудоемкости. Поэтому, воспользовавшись теми же соображениями, что и при расчете КГ (вероятности связности) в соответствии с методом объединения путей с учетом эффекта поглощения получим

(20)

/-1 >.1

Здесь Kl=Y\^c■i> К/ =ГГГ< ~ КГ и вероятность безотказной работы 1-го

к/1,

пути; К = - произведение КГ всех элементов у-го пути, из которого вычеркнуты элементы, общие с / -м путем; черта над числом означает его дополнение до единицы (а = 1-я); звездочка означает, что при перемножении следует соблюдать правило

(21>

необходимое для учета зависимости А^ и Ал между собой.

Ограничившись суммированием в (20) меньшего числа слагаемых т' <т, мы получим нижнюю оценку значения КОГ.

В качестве приближенного значения КОГ можно брать полусумму верхней и нижней оценок. Абсолютная погрешность при этом не превосходит полуразности этих оценок. Таким образом, на каждом шаге вычислений определяете?! приближенное значение КОГ, имеющее гарантированную погрешность и требующее для своего получения меньшую трудоемкость по сравнению с точным расчетом по формуле (20).

Рассчитаем КОГ фрагмента сети телекоммуникационной системы ИЗ, изображенной на рис. 2. Полюсами сети являются вершины 1 и 6 С целью сокращения вычислений считаем, что все вершины абсолютно надежны Примем, что для всех ребер к1 = 0,9 и = 0,95.

Рис. 2

Пусть в соответствии с алгоритмом выбора путей формируется следующее их множество:

Л = {7,10,13}, f.,г ={8,11,14}, ^ = {7,10,12,14}, Л = {7,9, И, 14}, fi, ={8,11,12,13}, /л„ ={8,9,10,13}, я, = {7,9,11,12,13}, ^, = {8,9,10,12,14}.

Вычислим отдельно вероятности безотказной работы путей: Л, = Л2 = 0,95' = 0,857375, R, = ...-= Ri =0,954 = 0,81450625, Л, = R, = 0,95s = 0,7737809375.

Для упрощения выражений будем далее вместо к, условно записывать просто номер элемента /. В соответствии с формулой (21) получим:

Кт =7-10-13-Д1+8-11-14-7-1013-Лг+7-10-1214-13-841Л3 +

+ 7-9-11-14-8-10-13-Т2-Л4 +8-11-12-13-14-740-й, + + 8-9-10-13-7-11-14-12 -Л6+ 7-9-11-12-13-10-14-8-Л, + + 8-9-10-12-14-П-7-13-Я8 =0,82728.

Укажем для сравнения, что КГ той же сети (получаемый из КОГ подстановкой г, = 1 для всех i будет равен 0,96697. Таким образом, неучет временной продолжительности взаимодействия между полюсами приводит к весьма существенному завышению надежности сети.

Ограничившись суммированием членов, соответствующих, например, только первым пяти путям, можно получить нижнюю оценку КОГ 0,82054, верхнюю - 0,83108. Отсюда приближенное значение 0,82581, причем абсолютная погрешность не превышает 0,00527.

В главе 4 представлены результаты использования разработанных методов по расчету надежности различных сетевых структур ИЗ и показан выигрыш от применения этих методов по сравнению с традиционными.

В приложении представлены копии актов о внедрении результатов диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Предложен общий метод расчета показателей надежности и эффективности структурно-сложных систем, основанный на арифметическом представлении функции эффективности.

2. Доказана возможность сведения широкого круга систем интеллектуальных зданий длительного действия к системам кратковременного действия при расчете их стационарных показателей. При этом усреднение по траекториям для систем непрерывного действия сводится к усреднению по состояниям, а для систем дискретного действия - к некоторому обобщению усреднения по требованиям.

3. Разработаны методы декомпозиции информационно-управляющих систем интеллектуальных зданий, позволяющие существенно снизить трудоемкость расчетов их надежности и эффективности, из которых целый ряд ранее известных результатов вытекает в качестве частных случаев. Они основаны на использовании как числовых значений показателей эффективности подсистем, так и функциональных зависимостей этих показателей от надежности элементов.

4. Развиты методы расчета и оценки надежности и эффективности различ-

ных систем с иерархической ветвящейся структурой, характерной для комплекса систем интеллектуальных зданий, выходной эффект которых зависит от числа нормально функционирующих исполнительных элементов нижнего уровня.

5. Разработана общая схема, позволяющая на основе единого подхода осуществлять выбор показателей надежности для различных сетевых систем. Она развита и конкретизирована для сетей передачи данных интеллектуальных зданий, при этом практически все известные показатели охватываются данной схемой как частные случаи.

6. Разработаны методы построения двухсторонних оценок для математического ожидания и вероятности сохранения заданного уровня пропускной способности двухполюсных сетей с учетом надежности их элементов.

7. Разработаны методы расчета средней наработки на отказ и коэффициента оперативной готовности сетевых систем.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Серов В.А., Мухин И.Н. Нейросетевая технология оптимизации потоков данных в интегрированной промышленной системе мониторинга в условиях неопределенности // Теория и практика инженерных исследований: Материалы научной конференции аспирантов, преподавателей и молодых ученых -М.: Изд-во РУДН, 2003 - С. 165.

2. Царегородцев A.B., Мухин И.Н. Синтез развивающихся информационно-управляющих систем // Автоматизация и современные технологии. М.: Изд-во Машиностроение, 2004. - № П. - С. 12-21.

3. Царегородцев A.B., Мухин И.Н. Концепция применения Интернет-Интранет-технологий в распределенных информационно-управляющих системах // Современные инженерные технологии: Материалы XL Научно-технической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов инженерного факультета. - М.: Изд-во РУДН, 2004. - С. 127-130.

4. Царегородцев A.B., Мухин И.Н. Расчет средней наработки на отказ для структурно-сложных систем // Вестник РУДН, серия Инженерные исследования-2005, № 1 (11).-С. 11-13.

5. Царегородцев А В., Мухин И.Н. Методы повышения надежное1™ информационно-управляющих систем интеллектуальных зданий: Учебное пособие - М.: Изд-во РУДН, 2005. - 48 с.

6. Царегородцев A.B., Мухин И.Н. Принципы расчета надежности систем с иерархической ветвящейся структурой: Учебное пособие - М.: Изд-во РУДН, 2005.-48 с.

7. Царегородцев A.B., Мухин И.Н. Обеспечение эффективности функционирования иерархических систем интеллектуальных зданий // Интеллектуальные системы / Труды Седьмого международного симпозиума. Под ред К.А. Пупкова. - М.: РУСАКИ, 2006. - С. 556-560.

Разработка методов повышения надёжности и эффективности информационно-управляющих систем интеллектуальных зданий.

Мухин Илья Николаевич

Диссертационная работа посвящена разработке математических моделей и методов, позволяющих эффективно решать практические задачи обеспечения надежности структурно-сложных систем интеллектуальных зданий широкого спектра.

В работе представлены новые и развиты известные подходы для решения ряда задач оценки надёжности структурно-сложных систем. Разработана схема, позволяющая на основе единого подхода, осуществить выбор показателей надёжности для автоматизированных систем интеллектуальных зданий различных топологий. Разработан экономный алгоритм нахождения доверительных границ показателей надёжности.

Reliability and efficiency enhancement of intellectual buildings' informational control systems methods development

Ilya Mukhin

Ph.D. thesis is devoted to the development of models and methods of various intellectual buildings systems with complicated structure reliability problems efficient solution.

Thesis contains new methods of solving reliability estimation problems of intellectual buildings systems with complicated structure. Scheme of reliability indexes for various topologies of intellectual buildings automation systems has been developed based on unique approach. Reliability indexes confident frontiers finding algorithm has been developed.

Подписано в печать 25.01.07 г. Формат 60x84/16. Тираж 100 экз. Усл. печ. л. 1,1. Усл. кр.-отт. 1,22. Заказ 64

Типография ИПК РУДН 117923, ГСП-1, г. Москва, ул. Орджоникидзе, д. 3

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ

СТРУКТУРНО СЛОЖНЫХ СИСТЕМ.

1.1. Концепция интеллектуального здания.

1.1.1. Понятие «интеллектуальное здание».

1.1.2. Комплекс систем безонасности-жизнеобеспечения-информатизации.

1.1.3. Стандарты передачи данных в ИЗ.

1.1.4. Преимущества комплекса систем интеллектуального здания.

1.2. Обзор методов обеспечения надежности.

1.3. Классификационные признаки информационно-управляющих систем интеллектуальных зданий.

1.4. Использование арифметического (линейного) представления функции эффективности.

Выводы.

ГЛАВА 2. ПРИНЦИПЫ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА НАДЕЖНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ С ИЕРАРХИЧЕСКОЙ ВЕТВЯЩЕЙСЯ

СТРУКТУРОЙ.

2.1. Декомпозиция систем.

2.2. Сведение систем длительного действия к системам мгновенного действия.

2.3. Использование функциональных зависимостей надежности подсистем от надежности элементов.

2.4. Обобщенные последовательные и параллельные системы.

2.5. Системы с иерархической ветвящейся структурой.

2.6. Использование арифметического представления.

2.7. Системы с зависимыми исполнительными элементами.

2.8. Двухсторонние оценки по двум моментам числа нормально функционирующих исполнительных элементов.

Выводы.

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ РАСЧЕТА НАДЕЖНОСТИ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ЗДАНИЙ С

СЕТЕВОЙ СТРУКТУРОЙ.

3.1. Постановка задачи и определение показателей надежности.

3.1.1. Общие положения.

3.1.2. Показатели надежности структурно сложных систем.

3.1.3. Общая схема определения показателей надежности сетей передачи информации интеллектуальных зданий.

3.2. Оценки параметров структурно сложных систем с ненадежными элементами.

3.3. Двухсторонние оценки для двухполюсных потоковых сетей с ненадежными элементами.

3.4. Расчет средней наработки на отказ.

3.5. Расчет коэффициента оперативной готовности.

Выводы.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ.

4.1. Оценки использования арифметического представления функции эффективности (на примерах подсистем КСБЖИ ИЗ).

4.2. Оценки показателей надежности структурно-сложных систем

ИЗ (на примерах подсистем КСБЖИ ИЗ).

Еще десять лет назад большинство российских специалистов строительной индустрии, вероятно, ничего не слышало об интеллектуальном здании. Этот термин перекочевал в строительную периодику из компьютерных изданий в связи с началом использования в строительной индустрии информационных (компьютерных) технологий автоматизированных систем управления инженерным оборудованием здания. Сегодня термин интеллектуальное здание (ИЗ) уже прочно обосновался на страницах журналов строительного профиля.

ИЗ начинает набирать темп так же стремительно, как в свое время персональный компьютер. Если в начале 90-х гг. широкой публикой в нашей стране компьютер воспринимался как нечто фантастическое, то сегодня многие уже не только свободно оперируют понятиями компьютер и Интернет, но и всесторонне пользуются преимуществами, предоставляемыми Всемирной информационной паутиной.

В чем же принципиальное отличие интеллектуального здания от обычною здания, инженерные системы которого построены по традиционной схеме? Можно сказать, чго уже не только владелец здания беспокоится о состоянии инженерных систем, но и само правильно спроектированное здание беспокоится о состоянии систем и условиях жизни его обитателей, предоставляя им совершенно другие уровни комфорта и безопасности. Владелец такого здания не тратит время на контроль за работой инженерного оборудования. Эгу миссию выполняют автоматизированные комплексы управления. Они не только включат, выключат и отрегулируют работу систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, освещения и электроснабжения, но и проинформируют оператора о возможных неполадках в работе систем, напомнят о необходимости проведения регламентных работ. При возникновении чрезвычайных ситуаций они приведут в действие необходимое оборудование и оповестят обитателей здания о путях и способах эвакуации. Важным отличием современных систем управления является простота и удобство работы с ними.

Одним из важнейших аспектов проектирования и эксплуатации информационно-управляющих систем интеллектуальных зданий, которому, к сожалению, иногда не уделяется должного внимания, является обеспечение их надежности. Практический опыт показывает, что в большинстве случаев целесообразней затратить дополнительные средства на обеспечение требуемой надежности создаваемой системы, чем нести потери от низкой надежности в процессе эксплуатации.

Надежность, взятая отдельно, еще не означает технического совершенства, однако, если система не обладает необходимой надежностью, то все остальные показатели качества теряют свое значение, поскольку при низкой надежности система не может в полной мере выполнять свои функции.

Особенно важно обеспечение надежности управляющих систем. Она должна быть существенно выше, чем у управляемых ими объектов, в противном случае эффект от их применения может быть отрицателен.

Обеспечение надежности является сложной задачей, решение которой невозможно без разработки соответствующих моделей, применения ЭВМ и специальных программных средств. Решения, принимаемые только на основе «здравого смысла» без должного количественного анализа, зачастую ведут к весьма плачевным последствиям, как в техническом, так и в экономическом плане. Таким образом, методы расчета и оценки показателей надежности должны стать обязательным инструментом при проектировании информационно-управляющих систем интеллектуальных зданий, позволяющим убедиться, что система обладает необходимой надежностью, а также сравнить между собой различные варианты ее построения или развития. Поэтому проблема разработки методов и алгоритмов для анализа надежности ИУС ИЗ на сегодняшний день является актуальной.

Целью работы является разработка математических моделей, методов и алгоритмов для анализа надежности информационно-управляющих систем интеллектуальных зданий.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи исследования:

1. Провести анализ и классифицировать подсистемы информационно-управляющих систем интеллектуальных зданий по топологическим признакам и разработать методы декомпозиции таких систем, позволяющих существенно снизить трудоемкость расчетов их надежности и эффективности.

2. Разработать общий метод расчета показателей надежности и эффективности функционирования структурно сложных систем интеллектуальных зданий.

3. Разработать методы расчета надежности и эффективности автоматизированных систем интеллектуальных зданий с иерархической ветвящейся структурой, выходной эффект которой зависит от числа нормально функционирующих элементов нижнего уровня.

4. Разработать методы расчета надежности и эффективности автоматизированных систем интеллектуальных зданий, имеющих вид сетевой структуры.

5. Осуществить апробацию предложенных методов и алгоритмов в задачах анализа надежности структурно сложных информационно-управляющих систем интеллектуальных зданий.

Методы исследования:

Теоретические исследования, выполненные в работе, базируются на общих принципах теории управления, теории надежности, теории информации, методах оптимизации, теории кибернетических систем.

Выносимые на защиту результаты.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Общий метод расчета показателей надежности и эффективности информационно-управляющих систем интеллектуальных зданий, основанный на арифметическом представлении функции эффективности.

2. Методы декомпозиции структурно сложных систем, позволяющих существенно снизить трудоемкость расчетов их надежности и эффективности.

3. Методы расчета надежности и эффективности автоматизированных систем с иерархической ветвящейся структурой.

4. Методы расчета надежности и эффективности автоматизированных систем с сетевой структурой.

Научная новизна полученных результатов заключается в том, что:

1. Впервые сформулирована задача расчета и оценки надежности и эффективности структурно-сложных систем интеллектуальных зданий на основе единого представления функции эффективности.

2. Предложены эффективные методы сведения широкого круга систем длительного действия к системам кратковременного действия.

3. Предложены методы декомпозиции структурно-сложных систем, позволяющие сократить трудоемкость расчета надежности и эффективности.

4. Разработаны методы расчета и оценки надежности и эффективности автоматизированных систем интеллектуальных зданий различных топологий.

Практическая ценность результатов:

1. Разработаны новые и развиты известные подходы для решения ряда задач экспериментальной оценки и контроля надежности структурно-сложных систем.

2. Разработана общая схема, позволяющая на основе единого подхода осуществить выбор показателей надежности для автоматизированных систем интеллектуальных зданий различных топологий.

3. Разработан экономный алгоритм нахождения доверительных границ показателей надежности при моделировании на ЭВМ.

4. Разработанные в диссертации математические модели, методы и алгоритмы позволяют эффективно решать практические задачи обеспечения надежности структурно сложных информационно-управляющих систем широко1 о спектра.

5. Внедрение результатов диссертационной работы подтверждается соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены на следующих совещаниях, семинарах и конференциях:

1. Четвертой Международной научно-технической конференции «Чкаловские чтения» (г. Егорьевск, 2002 г.);

2. XXXVII и XXXVIII научных конференциях аспирантов, преподавателей и молодых ученых РУДН «Теория и практика инженерных исследований» (г. Москва, 2002,2003 гг.);

3. XL научно-технической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов инженерного факультета РУДН «Современные инженерные технологии» (г. Москва, 2004 г.);

4. Седьмом международном симпозиуме «Интеллектуальные системы» (INTELS'2006) (г. Краснодар, 2006 г.);

5. научных семинарах кафедры Технической кибернетики Российского университета дружбы народов (г. Москва, 2002-2006 гг.);

6. научных семинарах кафедры АСУ МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва, 2002-2006 гг.).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы содержатся в 8 печатных работах, из них в центральных изданиях, рекомендованных ВАК, -2; учебных пособиях - 2; трудах международных конференций - 2; тезисах докладов и конференций - 2.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 90 наименований, 2 приложений. Всего 132 страниц текста, иллюстрированного 28 рисунками и 1 таблицей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации разработан комплекс математических методов анализа надежности информационно-управляющих систем интеллектуальных зданий. Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Предложен общий метод расчета показателей надежности и эффективности структурно-сложных систем, основанный на арифметическом представлении функции эффективности.

2. Доказана возможность сведения широкого круга систем интеллектуальных зданий длительного действия к системам кратковременного действия при расчете их стационарных показателей. При этом усредЕгение по траекториям для систем непрерывного действия сводится к усреднению по состояниям, а для систем дискретного действия - к некоторому обобщению усреднения по требованиям.

3. Разработаны методы декомпозиции информационно-управляющих систем интеллектуальных зданий, позволяющие существенно снизить трудоемкость расчетов их надежности и эффективности, из которых целый ряд ранее известных результатов вытекает в качестве частных случаев. Они основаны на использовании как числовых значений показателей эффективности подсистем, так и функциональных зависимостей этих показателей от надежности элементов.

4. Развиты методы расчета и оценки надежности и эффективности различных систем с иерархической ветвящейся структурой, характерной для комплекса систем интеллектуальных зданий, выходной эффект которых зависит от числа нормально функционирующих исполнительных элементов нижнего уровня.

5. Разработана общая схема, позволяющая на основе единого подхода осуществлять выбор показателей надежности для различных сетевых систем. Она развита и конкретизирована для сетей передачи данных интеллектуальных зданий, при этом практически все известные показатели охватываются данной схемой как частные случаи.

6. Разработаны методы построения двухсторонних оценок для математического ожидания и вероятности сохранения заданного уровня пропускной способности двухполюсных сетей с учетом надежноеш их элементов.

7. Разработаны методы расчета средней наработки на отказ и коэффициента оперативной готовности сетевых систем.

8. Результаты диссертации внедрены.

1. Адлер Ю.П. Управление выборкой в задачах надежности М.: Знание, 1985.

2. Афонин В.В., Лисейкин В.А., Милютин В.В., Зиновьев В.Л., Московский А.Н. Синхронизация каналов троированных каналов ПЛК жёсткого РВ // Промышленные АСУ и контроллеры. 2001, № 6. - С. 58-60.

3. Байхельт Ф., Франкен К. Надежность и техническое обслуживание. Математический подход М.: Радио и связь, 1988.

4. Барлоу Р., Прошан Ф. Математическая теория надежности: Пер. с англ. / Под ред. Б.В. Гнеденко. М.: Советское радио, 1969.

5. Барлоу Р., Прошан Ф. Статистическая теория надежности и испытания на безотказность: Пер. с англ. М.: Наука, 1984.

6. Башарин Г.П. Таблицы вероятностей и средних квадратических отклонений на полнодоступном пучке линий М.: Изд-во АН СССР, 1962.

7. Башарин Г.П., Харкевич А.Д., Шнепс М.А. Массовое обслуживание в телефонии М.: Наука, 1968.

8. Богатырев В.А. К расчету надежности сетей связи по совокупности путей // Электросвязь 1981, №2. - С. 42-44.

9. Вертлиб В.А., Вишневский В.М. Эффективность иерархических систем с учетом надежности // Автоматика и телемеханика 1970 -СП.

10. Вопросы математической теории надежности / Под ред. Б.В. Гнеденко. М.: Радио и связь, 1983.

11. Гагин А.А., Климовский О.В. Надежность сложной системы со структурным резервированием при ограниченном восстановлении // 10-й симпозиум по проблемам избыточности в информационных системах: Тезисы докладов-Л., 1989.-С. 174-177.

12. Гадасин В.А., Ушаков И.А. Надежность сложных информационно-управляющих систем М.: Советское радио, 1975.

13. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьев А.Д. Математические методы в теории надежности М.: Наука, 1965.

14. Горский Л.К. Статистические алгоритмы исследования надежности -М.: Наука, 1970.

15. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения.

16. ГОСТ 27.410-87. Надежность в технике. Методы контроля показателей надежности и планы контрольных испытаний.

17. Давыдов Г.Б., Рогинский В.Н., Толчан А.Я. Сети электросвязи М.: Связь, 1977.

18. Дзиркал Э.В. Задание и проверка требований к надежности сложных изделий -М.: Радио и связь, 1981.

19. Дзиркал Э.В. Статистический контроль с помощью доверительных границ при фиксированном объеме наблюдений // Изд. АН СССР. Техническая кибернетика 1982, № 2.

20. Жожикашвили В.А., Вишневский В.М. Сети массового обслуживания. Теория и применение к сетям ЭВМ М.: Радио и связь, 1988.

21. Ершов В.А., Соловьев А.В. Робастные сети связи // Электросвязь -1994,№4.-С. 6-8.

22. Иыуду К.А. Надежность, контроль и диагностика вычислительных машин и систем М.: Высшая школа, 1989.

23. Ким, Кейс, Таре. Метод расчета надежности сложной системы // Зарубежная радиоэлектроника 1973, № 6 - С. 29-36.

24. Кнут Д. Искусство программирования для ЭВМ. Т. 3. Сортировка и поиск: Пер. с англ. / Под ред. Ю.М. Балковского, B.C. Штаркмана М.: Мир, 1978.

25. Кобзев В.В., Позник В.Г. Расплывчатые множества и теория надежности систем управления // Надежность и контроль качества 1980, № 6 -С. 25-32.

26. Кокс Д., Хинкли Д. Теоретическая статистика: Пер. с англ. / Под ред. Ю.К. Беляева-М.: Мир, 1978.

27. Коробов А.А., Шуфчук Ю.Б. Надежность сетей передачи данных //

28. Вычислительные сети (адаптивность, помехоустойчивость, надежность) М.: Наука, 1981-С. 199-275.

29. Кривоносое Л.И., Байда Н.К., Кулаков А.А, Блаюдарный Н.П., Харченко B.C. Структурно-алгоритмическая организация и модели надёжности мажоритарно-резервированных систем // Космшна наука i технолопя. 1995, № 1. - С. 69-77.

30. Литвак Е.И. О функциях надежности дискретных систем // Автоматика и вычислительная техника 1974, № 5. - С. 24-32.

31. Литвак Е.И. О вероятности связности графа // Изд. АН СССР. Техническая кибернетика 1975,№5-С. 161-165.

32. Литвак Е.И. Обобщенная теорема об отрицательных циклах и оценки качества транспортировки потока в сети // Докл. АН СССР 1983, Т. 269, № 3 -С. 540-542.

33. Литвак Е.И., Ушаков И.А. Оценка параметров структурно сложных сетей // Изд. АН СССР. Техническая кибернетика 1984, № 3.

34. Мартынов В.И. Синтез первичных сетей связи из неустойчивых элементов // Автоматика и телемеханика. 1998. - С. 36-51.

35. Математический анализ в примерах и задачах / Ляшко И.И. и др. -Киев: Вища школа, 1974 Ч. 1.

36. Мешков А.А. Оптимальное время анализа канала ТЧ // Электросвязь 1970,№8-С. 29-31.

37. Мизин И.А., Богатырев В.А., Кулешов А.П. Сети коммутации пакетов М.: Радио и связь, 1986.

38. Надежность и живучесть систем связи / Под ред. Б.Я. Дудника М.: Радио и связь, 1984.

39. Надежность технических систем: Справочник / Под ред. И.А. Ушакова М.: Радио связь, 1985.

40. Нетес В.А. Декомпозиция сложных систем при расчете их эффективности // Изд. АН СССР. Техническая кибернетика 1984, № 6 - С. 9093.

41. Нетес В.А. Расчет эффективности ветвящихся систем с зависимыми исполнительными элементами // Надежность и контроль качества 1987, №101. С. 16-18.

42. Нетес В.А., Филин Б.П. Расчет коэффициента оперативной готовности систем с сетевой структурой // Автоматика и телемеханика 1992, №9-С. 179-186.

43. Нечеткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта / Под ред. Д.А. Поспелова М.: Паука, 1986.

44. Павлов И.В. Статистические методы оценки надежности сложных систем по результатам испытаний М.: Радио и связь, 1982.

45. Пархоменко П.П. Классификация гамильтоновых циклов в двоичных гиперкубах // АиТ. 2001, № 6. - С. 135-150.

46. Пархоменко П.П. Диа1 ностическое обеспечение и надёжность технических объектов // Надёжность. 2002, № 1. - С. 9-14.

47. Пархоменко Г1.П. Построение гамильтоновых циклов в графах Кэли, моделирующих структуры многопроцессорных вычислительных систем // АиТ. 2002, № 10.-С. 137-153.

48. Пархоменко П.П. Построение гамильтоновых циклов в двоичных гиперкубах с неисправными ребрами // Труды Института проблем управления РАН. М., 2003, Т. XX. - С. 21-33.

49. Погребинский С.Б., Стрельников В.П. Проектирование и надежность многопроцессорных ЭВМ М.: Радио и связь, 1988.

50. Райншке К. Модели надежности и чувствительности систем: Пер. с нем. / Под ред. Б.А. Козлова М.: Мир, 1979.

51. Райншке К., Ушаков И.А. Оценка надежности систем с использованием графов М.: Радио и связь, 1988.

52. Резиновский А.Я. Испытания на надежность радиоэлектронных комплексов М.: Радио и связь, 1985.

53. Рябинин И.А., Черкесов Г.Н. Логико-вероятностные методы исследования надежности структурно-сложных систем М.: Радио и связь, 1981.

54. Справочник по надежности. Т.1: Пер. с англ. / Под ред. Б.Р. Левина -М.: Мир, 1969.

55. Теория сетей связи / Под ред. В.Н. Рогинского М.: Радио и связь,1981.

56. Ушаков И.А. Оценка эффективности функционирования сложных систем с учетом их надежности // Шишонок Н.А., Репкин В.Ф., Барвинский Л.Л. Основы теории надежности и эксплуатации радиоэлектронной техники М.: Советское радио, 1964 - С. 469-497.

57. Ушаков И.А. Методы исследования эффективносш функционирования технических систем М.: Знание, 1976.

58. Ушаков И.А. Некоторые методы декомпозиции сложных систем при оценке эффективности // Надежность и контроль качества 1977, № 3.

59. Ушаков И.А. Вероятностные модели надежности информационно-вычислительных систем -М.: Радио и связь, 1991.

60. Ушаков И.А., Литвак Е.И. Верхняя и нижняя оценки параметров двухполюсных сетей // Изв. АН СССР. Техническая кибернетика 1977, № 1.

61. Ушаков И.А., Литвак Е.И. Обобщенные показатели при исследовании сложных систем М.: Знание, 1985.

62. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения: Пер. с англ. Т. 2-М.: Мир, 1984.

63. Филин Б.П. Методы анализа структурной надежности сетей связи -М.: Радио и связь, 1988.

64. Филин Б.П. О принципе дуальности в задачах анализа структурной надежности сложных систем // Автоматика и телемеханика 1989, № 6 - С. 159172.

65. Филин Б.П. О методе экспресс-оценки надежности и коэффициенте потенциальной структурной неуязвимости связей в сложных системах // Автоматика и телемеханика 1994, № 5 - С. 158-183.

66. Форд Л., Фалкерсон Д. Потоки в сетях: Пер. с англ. М.: Мир, 1966.

67. Харари Ф. Теория графов: Пер. с англ. М.: Мир, 1973.

68. Харченко B.C., Тюрин С.Ф., Тимонькин Г.Н., Мельников В.А.

69. Программно-аппаратная реализация логических алгоритмов в микропроцессорных системах // Зарубежная радиоэлектроника. 1992, №2. - С. 24-36.

70. Харченко B.C., Тюрин С.Ф., Тимонькин Г.Н. Методы аппаратной поддержки логических алгоритмов в микропроцессорных системах // Управляющие системы и машины. 1993, №1. - С.55-63.

71. Харченко B.C., Лысенко И.В., Мельников В.А. Оценка и обеспечение живучести информационно-вычислительных и управляющих систем технических комплексов критического использования // Зарубежная радиоэлектроника. 1996, №1.

72. Харченко B.C., Юрченко Ю.Б. Повышение отказоустойчивости систем управления на основе мажоритированных вычислительных комплексов с аппаратной синхронизацией // 1нформацшно-керуюч1 системи на загпзничному транспорт! 2001, № 4. - С. 122-123.

73. Харченко B.C., Юрченко Ю.Б., Байда Н.К. Реализация проектов отказоустойчивых бортовых компьютеров космических аппаратов с использованием электронных компонент INDUSTRY // Технология приборостроения 2002, № 1. - С. 74-80.

74. Харченко B.C., Горбенко А.В., Хлестков В.И. Надежность вычислительных сетей, основанных на открытых стандартах: требования, методы анализа и средства обеспечения // Успехи современной радиоэлектроники. 2003, №6. - С. 22-36.

75. Царегородцев А.В. Основы теории построения платформ безопасности интегрированных производственных комплексов М.: Изд-во Физико-математической литературы, 2003. - 184 с.

76. Царегородцев А.В. Теоретические основы построения информационных систем: Учебное пособие. М.: Изд-во РУДН, 2004. - 141 с.

77. Цареюродцев А.В. Теория построения иерархических информационно-управляющих систем: Монография. М.: Изд-во РУДН, 2004. -217с

78. Цареюродцев А.В., Мухин И.Н. Синтез развивающихся информационно-управляющих систем // Автоматизация и современныетехнологии. М.: Изд-во Машиностроение, 2004. -№ 11. - С. 12-21.

79. Царегородцев А.В., Мухин И.Н. Расчет средней наработки на отказ для структурно-сложных систем // Вестник РУДН, серия Инженерные исследования-2005, № 1 (11).-С. 11-13.

80. Царегородцев А.В., Мухин И.Н. Методы повышения надежности информационно-управляющих систем интеллектуальных зданий: Учебное пособие М.: Изд-во РУДН, 2005. - 48 с.

81. Царегородцев А.В., Мухин И.Н. Принципы расчета надежности систем с иерархической ветвящейся структурой: Учебное пособие М.: Изд-во РУДН, 2005.-48 с.

82. Царегородцев А.В., Мухин И.Н. Обеспечение эффективности функционирования иерархических систем интеллектуальных зданий // Интеллектуальные системы / Труды Седьмого международного симпозиума. Под ред. К.А. Пупкова. М.: РУСАКИ, 2006. - С. 556-560.

83. Чебышев П.Л. О предельных величинах интегралов // Полное собрание сочинений Т. 3 М., 1948 - С. 63-65.

84. Шастова Г.А. Критерий средних потерь для оценки надежности систем управления // Автоматика и телемеханика 1962, № 6.

85. Эфрон Б. Нетрадиционные методы многомерного статистического анализа: Пер. с англ. / Под ред. Ю.П. Адлера М.: Финансы и статистика, 1988.

86. Ellershaw J., Beale A., Costa J. Trends in integrated management of services and netwoks // Telecommunication Journal of Australia 1991, Vol. 41, № 2 -P. 3-9.

87. Friddell H.G., Jacks H.G. System operational effectiveness (reliability, performance, maintainability) // Proc. 5th Nation. Symp. on Reliability and Quality Control in Electronics 1959.

88. Misra K.B., Sharma A. Performance index to quantify reliability usingfussy subset theory // Microelectronics and Reliability 1981, Vol. 21, N 4 - P. 543549.

89. Утверждаю Генеральный Директор М.Г. Песиков18» октября 2006г1. О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ1. Мухина И.П. на тему:1. ННОИ РАБОТЫ

90. Обеспечение надежности и эффективности функционирования структурно сложных информационно-управляющих систем интеллектуальных зданий».представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук

91. На основе результатов диссертационной работы Мухина И Н была создана автоматизированная система управления жилого комплекса «Воронцово» по адресу г. Москва, ул Воронцопские Пруды, д 3