Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ существующих методов обеспечения отказоустойчивости применительно к программно-аппаратным вычислительным комплексам систем управления бурением 17
1.1 Особенности программно-аппаратных вычислительных комплексов систем управления бурением 17
1.2 Анализ методов и средств обеспечения отказоустойчивости применительно к программно-аппаратным вычислительным комплексам систем управления бурением 22
1.3 Анализ возможности применения систем искусственного интеллекта для повышения отказоустойчивости программно-аппаратных вычислительных комплексов систем управления бурением 36
1.4 Математический аппарат нечетких когнитивных карт 39
Цель и задачи исследования 43
ГЛАВА 2. Разработка структуры, методики проектирования отказоустойчивого программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением и метода обеспечения отказоустойчивости на базе нечеткой когнитивной карты 45
2.1 Разработка обобщенной структуры системы и метода обеспечения отказоустойчивости программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением 45
2.2 Разработка методики проектирования отказоустойчивого программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением 48
2.3 Реализация структуры блока обеспечения отказоустойчивости 56
2.4 Разработка структуры нечеткой когнитивной карты блока обеспечения отказоустойчивости 59
2.5 Интеграция метода обеспечения отказоустойчивости на основе блока восстановления и нечеткой когнитивной карты 62
Выводы 63
ГЛАВА 3. Разработка математического и алгоритмического обеспечения процесса функционирования отказоустойчивого программно- аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением на базе нечеткой когнитивной карты 65
3.1 Определение нечеткой когнитивной карты блока обеспечения отказоустойчивости 65
3.2 Расчет элементов матрицы связей нечеткой когнитивной карты 68
3.3 Методика определения параметров функционирования блока обеспечения отказоустойчивости 73
3.4 Методика вычисления значений концептов нечеткой когнитивной карты 79
3.5 Алгоритм реконфигурации блока обеспечения отказоустойчивости с использованием нечеткой когнитивной карты и матрицы запретов 82
3.6 Алгоритм функционирования системы обеспечения отказоустойчивости программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением 85
Выводы 87
- Особенности программно-аппаратных вычислительных комплексов систем управления бурением
- Анализ методов и средств обеспечения отказоустойчивости применительно к программно-аппаратным вычислительным комплексам систем управления бурением
- Разработка обобщенной структуры системы и метода обеспечения отказоустойчивости программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением
- Определение нечеткой когнитивной карты блока обеспечения отказоустойчивости
Введение к работе
Актуальность темы
В настоящее время эффективность освоения нефтегазовых месторождений в значительной степени зависит от совершенства техники и технологии бурения скважин с большими отклонениями стволов от вертикали и с горизонтальными участками сравнительно большой протяженности, что связано с использованием контроля забойных параметров непосредственно в процессе бурения. Разработкой систем контроля и управления траекторией ствола скважин занимаются фирмы Schlumberger, Sperry-Sun, Baker Hughes, General Electric, Mobil Development, Exxon Production Research, ОАО НПП «ВНИИГИС», ОАО НПФ «Геофизика», НИИ ТС «Пилот» и другие. Современная тенденция построения систем бурения такова, что непрерывно возрастает количество информации, которую необходимо получать непосредственно в скважине. С другой стороны, существуют жесткие условия эксплуатации и ограничения, связанные, в частности, с проблемой передачи информации из скважины на поверхность с достаточно высокой скоростью. Это инклинометрические и геофизические параметры, информация о расходе бурового раствора, частоте вращения турбобура, окружающей температуре и давлении, вибрациях и т.д. Одним из перспективных направлений является создание буровых роботов - специализированных спускаемых программно-аппаратных вычислительных комплексов (ПАВК) систем управления бурением (СУБ) для обработки и анализа полученной с датчиков информации, а также принятия управляющих решений и их осуществления непосредственно в скважинной зоне. ПАВК СУБ работают в тяжелых условиях (в забойной части таких систем температура достигает 150-200С, давление - 150 МПа, действуют вибрации и ударные нагрузки) [38,112].
ПАВК СУБ относятся к классу неоднородных специализированных систем реального времени, осуществляющих мониторинг и управление
7 объектом в условиях временных ограничений, к которым предъявляются повышенные требования надежности, так как отказы могут привести к чрезвычайным последствиям и/или значительным материальным затратам. Задача обеспечения отказоустойчивости в таких системах особенно актуальна, причем особое внимание уделяется времени реагирования на поток внешних событий, времени решения задач. Отказ или недостоверность информации в ПАВК СУБ, как правило, приводит к нарушению процесса бурения и/или выходу из строя бурового оборудования. Замена оборудования забойной части в случае отказа связана со спуско-подъемными операциями, ремонтом бурового оборудования, временными простоями в работе и является трудоемкой и дорогостоящей операцией [52,112]. В целом, такие системы характеризуются тремя основными элементами и их взаимодействием: ресурсом времени, надежностью и внешним окружением. Повышение отказоустойчивости может быть достигнуто благодаря использованию средств обеспечения функциональной надежности (гарантоспособности) на различных этапах жизненного цикла [74,90,101,121].
В настоящее время, как правило, для обеспечения требуемого уровня надежности используются электронные компоненты, имеющие достаточно высокие характеристики надёжности. Однако возможности такого подхода ограничены, и необходимо использовать структурные методы, связанные с введением различных видов избыточности, методы обеспечения отказоустойчивости.
ПАВК СУБ создаются в рамках жестких габаритных ограничений, имеют ограниченные программно-аппаратные ресурсы и функциональные возможности. С другой стороны, возможности современной элементной базы и методов iV-версионного проектирования позволяют в пределах одного кристалла получать значительную аппаратную, алгоритмическую, временную и информационную избыточность [18,39,67,73,75]. ПАВК СУБ представляет собой систему со сложной неоднородной структурой, имеющую множество разнородных вариантов реконфигурации (путей), которые сводятся не только к
8 дублированию однородных элементов. Применение существующих методов обеспечения отказоустойчивости не позволяет в полной мере обеспечить учет динамики изменения характеристик системы и её элементов, влияния отказавших элементов системы на характеристики других элементов, прогнозирование отказов, функционирование в условиях неопределенности, оценку эффективности использования резервов во времени и т.п. Это, в свою очередь, вызвано применением «жестких» средств, не учитывающих предысторию поведения системы и, как следствие, не обладающих достаточной гибкостью и адаптивностью к изменяющимся условиям работы и собственному состоянию. Кроме того, применение многих методов затруднено ввиду их ресурсоёмкости, сложности реализации, недетерминированности системы.
Поэтому для повышения отказоустойчивости ПАВК СУБ необходимо провести исследование возможности применения методов и средств обеспечения отказоустойчивости и системы принятия решения о реконфигурации для неоднородной вычислительной среды на основе обработки информации о результатах тестирования и оценки эффективности применения резервов с использованием средств искусственного интеллекта, придающих системе свойства интеллектуального поведения.
Значительный вклад в теорию надежности технических систем внесли зарубежные и российские ученые А. Авиженис, Г. Майерс, Б.В. Гнеденко, Ю.К. Беляев, А.Д. Соловьев, A.M. Половко, К.А. Йыуду, И.А. Ушаков и др., в теорию систем искусственного интеллекта, интеллектуальных систем принятия решений и управления большой вклад внесли Л. Заде, Б. Коско, Э. Мамдани, В.И. Васильев, А.И. Галушкин, Б.Г. Ильясов, В.В. Круглов и др.
Объектом исследования являются отказоустойчивые программно-аппаратные вычислительные комплексы систем управления бурением.
Предмет исследования - методы и средства обеспечения отказоустойчивости, алгоритмы обработки информации, направленные на повышение эффективности процесса принятия решения о реконфигурации
9 программно-аппаратных вычислительных комплексов систем управления бурением.
Цель работы
Целью работы является повышение отказоустойчивости программно-аппаратных вычислительных комплексов систем управления бурением с использованием интеллектуальной поддержки принятия решений.
Основные задачи исследования
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе на основе
проведенного анализа существующих методов обеспечения
отказоустойчивости применительно к программно-аппаратным
вычислительным комплексам систем управления бурением решаются следующие задачи:
Разработка структуры системы обеспечения отказоустойчивости программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением на базе нечеткой когнитивной карты.
Разработка метода обеспечения отказоустойчивости программно-аппаратного вычислительного комплекса на базе нечёткой когнитивной карты.
Разработка методики проектирования отказоустойчивого программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением на базе нечёткой когнитивной карты.
Разработка математического и алгоритмического обеспечения процесса функционирования отказоустойчивого программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением на базе нечёткой когнитивной карты.
Экспериментальное подтверждение теоретических результатов.
10 Методы исследования
При решении поставленных в диссертационной работе задач использовались методы линейной алгебры, систем искусственного интеллекта, системного анализа, теории надежности, имитационного моделирования и программирования.
Результаты, выносимые на защиту
Структура системы обеспечения отказоустойчивости программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением, осуществляющей реконфигурацию его модулей на основе нечеткой когнитивной карты.
Метод обеспечения отказоустойчивости программно-аппаратного вычислительного комплекса на основе блока восстановления и алгоритмов реконфигурации на базе нечеткой когнитивной карты.
Методика проектирования отказоустойчивого программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением с использованием нечеткой когнитивной карты, системы обеспечения отказоустойчивости и предложенного метода обеспечения отказоустойчивости.
Алгоритм реконфигурации блока обеспечения отказоустойчивости с использованием нечеткой когнитивной карты и матрицы запретов, алгоритм функционирования системы обеспечения отказоустойчивости программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением.
Результаты исследования эффективности предложенного метода обеспечения отказоустойчивости на базе разработанной методики и алгоритмического обеспечения отказоустойчивого программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением, проведенного с помощью имитационного моделирования и разработанного программного обеспечения.
Научная новизна
Предложена структура системы обеспечения отказоустойчивости программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением: принятие решения о реконфигурации осуществляется с использованием нечеткой когнитивной карты и обработки информации о результатах тестирования элементов, что позволяет обеспечивать отказоустойчивость с необходимым качеством обслуживания или живучесть комплекса.
Предложен метод обеспечения отказоустойчивости, основанный на применении Диверсионного проектирования и блока восстановления, отличающийся тем, что управление избыточностью во времени осуществляется с помощью оценки эффективности использования резервов на основе значений концептов нечеткой когнитивной карты и контролируемых параметров, что позволяет увеличить коэффициент готовности системы.
Предложена методика проектирования отказоустойчивого программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением, отличающаяся тем, что расчетные характеристики элементов и структура этого комплекса используются для создания нечеткой когнитивной карты, что позволяет реализовать систему обеспечения отказоустойчивости программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением с использованием предложенного метода обеспечения отказоустойчивости.
Разработано алгоритмическое обеспечение: алгоритм реконфигурации блока обеспечения отказоустойчивости с использованием нечеткой когнитивной карты и матрицы запретов, алгоритм функционирования системы обеспечения отказоустойчивости программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением, позволяющее повысить отказоустойчивость этого комплекса.
12 Практическая ценность и внедрение результатов
Предложенная структура системы обеспечения отказоустойчивости программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением на базе нечеткой когнитивной карты позволяет обеспечивать отказоустойчивость с необходимым качеством обслуживания или живучесть комплекса и может стать основой для создания специализированных программно-аппаратных вычислительных комплексов реального времени повышенной надежности.
Предложенный метод обеспечения отказоустойчивости на основе нечеткой когнитивной карты по сравнению с известным методом на базе блока восстановления позволяет увеличить коэффициент готовности программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением, увеличить в 1,9 раза время до фатального отказа системы, обеспечить необходимое качество обслуживания даже при ужесточении критерия качества обслуживания в 3 раза.
Предложенная методика проектирования, математическое и алгоритмическое обеспечение отказоустойчивого программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением позволяет реализовать систему обеспечения отказоустойчивости в программно-аппаратных вычислительных комплексах реального времени, имеющих сложную неоднородную структуру с множеством разнородных вариантов реконфигурации.
Разработанное алгоритмическое обеспечение составляет основу для реализации предложенной методики проектирования и системы обеспечения отказоустойчивости программно-аппаратных вычислительных комплексов систем управления бурением.
Разработанная методика проектирования отказоустойчивого программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением с применением предложенного метода обеспечения отказоустойчивости на основе блока восстановления и алгоритмов реконфигурации на базе нечеткой
13 когнитивной карты принята к использованию в НИИ ТС "Пилот" для повышения отказоустойчивости системы управления процессом направленного бурения. Результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе Уфимского государственного авиационного технического университета.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы докладывались и
обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах:
Всероссийской молодежной научно-технической конференции
«Интеллектуальные системы управления и обработки информации» (г. Уфа, 2003); Международных молодежных конференциях «XXIX и XXX Гагаринские чтения» (г. Москва, 2003-2004); XX Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2004); 6-й и 7-й Международных конференциях «Компьютерные науки и информационные технологии» (г. Будапешт, Венгрия, 2004; г. Уфа-Ассы, 2005); 1-м и 2-м Региональных зимних семинарах аспирантов и молодых ученых «Интеллектуальные системы обработки информации и управления» (г. Уфа, 2006-2007).
Публикации
Основные положения и результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 12 работах, включая 1 статью в рецензируемом журнале из списка ВАК, 9 публикаций в центральных журналах, трудах и материалах конференций российского и международного значения, 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ по теме диссертации.
Структура и содержание работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Основное содержание работы изложено на 125 страницах машинописного текста, включая иллюстрации, таблицы. Список
14 литературы включает 122 наименования и занимает 12 страниц. Приложения изложены на 38 страницах.
В первой главе рассмотрены основные черты ПАВК СУБ, отмечена потенциальная возможность реализации разнородных вариантов реконфигурации с различными видами избыточности с учетом ограничений и необходимость использования методов обеспечения отказоустойчивости. В результате анализа существующих методов обеспечения отказоустойчивости (в рамках концепции гарантоспособности) применительно к ПАВК СУБ определено, что возможность применения одновариантных методов, методов на основе голосования и гибридных методов затруднена не только из-за их ресурсоёмкости и сложности реализации. На уровне задач основного цикла ПАВК СУБ возможно использование метода на основе блока восстановления, но при наличии множества разнородных версий данный метод неэффективен. В основном это обусловлено применением средств, не учитывающих предысторию поведения системы и не обладающих достаточной гибкостью и адаптивностью к изменяющимся условиям работы и собственному состоянию в условиях неопределенности. Предложен подход на базе интеллектуальной поддержки принятия решения о реконфигурации, основанный на оценке эффективности использования вариантов реконфигурации во времени. Сформулирована задача повышения отказоустойчивости ПАВК СУБ. Показана возможность использования нечетких когнитивных карт для решения этой задачи в рамках предложенного подхода. Сформулирована цель и задачи исследования.
Вторая глава посвящена разработке структуры, методики проектирования отказоустойчивого ПАВК СУБ и метода обеспечения отказоустойчивости на базе НКК. Разработана структура системы обеспечения отказоустойчивости ПАВК СУБ, являющаяся основой для реализации предложенного подхода, позволяющая парировать программные и аппаратные отказы, согласованно учитывать параметры элементов системы и состояние окружения. Принятие решения о реконфигурации осуществляется с
15 использованием НКК и обработки информации о результатах тестирования элементов. Разработана методика проектирования отказоустойчивого ПАВК СУБ, позволяющая реализовать систему обеспечения отказоустойчивости. Разработана структура блока обеспечения отказоустойчивости и структура НКК блока, определены принципы функционирования блока. Для реализации предложенного подхода в системе обеспечения отказоустойчивости ПАВК СУБ разработан метод обеспечения отказоустойчивости, основанный на применении JV-версионного проектирования, блока восстановления, алгоритмов реконфигурации на базе НКК, являющийся развитием известного многовариантного метода на основе блока восстановления.
Третья глава посвящена разработке математического и алгоритмического обеспечения процесса функционирования отказоустойчивого ПАВК СУБ на основе НКК. Создана структура НКК блока обеспечения отказоустойчивости, разработана методика определения элементов матрицы связей НКК на основе расчетных параметров элементов и путей, используемая на этапе проектирования блока. Предложена методика определения параметров функционирования блока обеспечения отказоустойчивости и вычисления значений соответствующих концептов НКК на основе обработки данных тестирования. Разработано алгоритмическое обеспечение: структуры данных, алгоритмы вычисления параметров функционирования блока и пересчета значений концептов НКК блока, алгоритм реконфигурации блока обеспечения отказоустойчивости с использованием НКК и матрицы запретов. Разработан алгоритм функционирования системы обеспечения отказоустойчивости ПАВК СУБ, позволяющий реализовать предложенный подход на базе интеллектуальной поддержки принятия решений о реконфигурации на основе системы обеспечения отказоустойчивости ПАВК СУБ с использованием НКК.
В четвертой главе проводятся экспериментальные исследования для оценки эффективности использования разработанной методики проектирования отказоустойчивого ПАВК СУБ и системы обеспечения отказоустойчивости ПАВК СУБ с использованием интеллектуальной поддержки принятия решений
о реконфигурации на базе НКК. Предложена методика проведения сравнительного имитационного моделирования процесса функционирования отказоустойчивого ПАВК СУБ с использованием разработанного и известного метода обеспечения отказоустойчивости. При подготовке объекта моделирования использованы исходная структурная схема ПАВК СУБ и исходные параметры элементов, рассмотрены задачи основного цикла, соответствующие элементы и варианты реконфигурации на уровне задач, применена разработанная методика для проектирования отказоустойчивого ПАВК СУБ на базе НКК. Проведена оценка ресурсоемкости метода обеспечения отказоустойчивости на основе НКК и возможности его реализации в ПАВК СУБ. Представлены результаты экспериментального исследования, осуществленного с помощью разработанного на ПЭВМ программного обеспечения для проведения имитационных экспериментов по предложенной методике.
Благодарности
Выражаю глубокую и искреннюю благодарность доктору технических наук, профессору Аркадию Исааковичу Фриду и сотрудникам кафедры «Вычислительная техника и защита информации» за неоценимую помощь в процессе проведения исследования.
Особенности программно-аппаратных вычислительных комплексов систем управления бурением
ПАВК СУБ используется для обработки информации с датчиков в забойной части скважины, вычисления инклинометрических (навигационных), геофизических и технологических параметров в процессе бурения, принятия управляющих решений и их осуществления в скважинной зоне с помощью исполнительных устройств в реальном времени, формирования и передачи информации из скважины на наземное оборудование. Обобщенная структура ГЛАВК в СУБ представлена на рисунке 1.1.
Существует проблема гарантированной передачи большого объема информации из скважины на поверхность со скоростью, достаточной для управления с наземного оборудования в реальном времени процессом бурения, поэтому большинство задач решается в скважинной зоне. Навигационная, технологическая и геофизическая подсистемы содержат датчики, преобразователи, осуществляют обработку информации с датчиков и определение соответствующих забойных параметров. Значения этих параметров используются устройством управления для принятия решений и управления траекторией скважины с помощью исполнительных устройств в реальном времени. Канал передачи данных используется для мониторинга наземной подсистемой информации о забойных параметрах. Электропитание ПАВК СУБ скважинной зоны обеспечивается забойным турбогенератором или встроенной батареей.
ПАВК СУБ работают в жестких условиях эксплуатации (в забойной части таких систем температура достигает 150-200С, давление - 150 МПа, действуют вибрации и ударные нагрузки). Используются системы охлаждения электронных элементов и особые подходы к конструкции герметизирующих узлов забойного устройства [38]. Подсистемы скважинной зоны проектируются с учетом жестких габаритных ограничений.
ПАВК СУБ относятся к классу неоднородных специализированных систем реального времени, осуществляющих мониторинг и управление объектом в условиях временных ограничений, к которым предъявляются повышенные требования надежности, так как отказы могут привести к чрезвычайным последствиям и/или значительным материальным затратам. Задача обеспечения отказоустойчивости в таких системах особенно актуальна, причем особое внимание уделяется времени реагирования на поток внешних событий, времени решения задач.
Системы реального времени (СРВ) характеризуются тремя основными элементами и их взаимодействием: ресурсом времени, надежностью и внешним окружением. Учитывается совокупность требований по своевременности получения результатов и надежности, важными характеристиками являются качество обслуживания системы и время отклика [19,20,90,113]. В ПАВК СУБ РВ программно реализован основной цикл, в котором выполняется сбор и обработка информации с датчиков, формирование и передача управляющих сигналов на исполнительные устройства. Корректность функционирования определяется не только корректностью выполнения вычислений, но и временем, за которое получен требуемый результат. Время отклика соответствует времени выполнения одного прохода основного цикла (итерации) и не должно превышать предельного срока, определенного требуемой периодичностью формирования управляющих сигналов (частотой принятия решений) 1-3 Гц. Частота принятия решений задает требуемое качество обслуживания, при этом после выполнения итерации остается резервное время до начала запуска следующей итерации, позволяющее использовать методы и средства обеспечения отказоустойчивости. Нарушение предельного срока приводит к снижению качества обслуживания или к отказу системы [77].
В ПАВК СУБ одним из приоритетных требований является необходимость обеспечения её гарантоспособности - способности предоставлять качество обслуживания, обеспечивающее доверительную надежность; устойчивости системы к отказам, неприемлемым для пользователей по их частоте проявления, опасности или времени простоя системы [71,74]. В современной концепции гарантоспособности используются показатели классической теории надежности [12,14,16], методы и средства, позволяющие противостоять дестабилизирующим факторам (ошибкам проектирования, физическим сбоям и сбоям, возникающим при взаимодействии с внешним окружением), приводящим к отказам системы [74,75,90,121]. Повышение отказоустойчивости ПАВК СУБ может быть достигнуто благодаря использованию методов и средств обеспечения гарантоспособности на различных этапах жизненного цикла [13,14,32,71].
Отказ или недостоверность информации в ПАВК СУБ, как правило, приводит к нарушению процесса бурения и/или выходу из строя бурового оборудования. Замена оборудования забойной части в случае отказа связана со спуско-подъемными операциями [52], ремонтом бурового оборудования, временными простоями в работе и является трудоемкой и дорогостоящей операцией. Нарушение процесса бурения в ряде случаев может привести к тяжелым экологическим последствиям.
Потребность в телеметрических системах, используемых для контроля забойных параметров в процессе бурения, растет в связи с увеличением объемов бурения. В то же время, средняя наработка на отказ современных телеметрических систем таких известных компаний как Schlumberger и Sperry-Sun, составляет лишь 1000-3000 часов [112]. Поэтому в последние годы отмечается устойчивая тенденция повышения надежности телеметрических систем за счет внедрения новых решений.
В настоящее время, как правило, для обеспечения требуемого уровня надежности используются электронные компоненты, имеющие достаточно высокие характеристики надёжности. Однако возможности такого подхода в ПАВК СУБ ограничены, в основном, из-за жестких условий эксплуатации.
Для повышения надежности ПАВК СУБ могут использоваться методы предотвращения отказов [90,101], направленные на предотвращение внесения ошибок на этапе проектирования за счет контроля качества, использования методологий, техник и технологий проектирования, тестирования и сопровождения ПАВК [4,44,71,115], верификации разрабатываемой системы для соответствия заданным показателям качества [13,48,49,68,92], методы исключения отказов на основе процесса верификации системы, диагностики и коррекции отказов [90]. Для повышения надежности также могут использоваться методы прогнозирования отказов на основе оценки распространения или активации отказов в системе [90,101] с использованием цепей Маркова, стохастических сетей Петри, деревьев отказов и блок-диаграмм надежности [74,83,103,109,120].
Анализ методов и средств обеспечения отказоустойчивости применительно к программно-аппаратным вычислительным комплексам систем управления бурением
Одним из важных требований, предъявляемых к ПАВК СУБ, является необходимость обеспечения отказоустойчивости - способности системы обеспечивать корректное обслуживание (выполнение заданных функций) при наличии активных отказов за счет избыточности. Отказоустойчивость является одним из средств обеспечения гарантоспособности систем [74]. В современной концепции гарантоспособности выделены четыре этапа, необходимые для обеспечения отказоустойчивости: обнаружение ошибки, оценка ущерба, обработка ошибки и исправление отказа. На рисунке 1.2 представлены эти этапы и их связь с отказами, ошибками и сбоями.
На этапе обнаружения ошибки используются методы и средства контроля и диагностики работы ПАВК на логическом, функциональном, системном и пользовательском уровне [6,33,34,87,90]. После обнаружения ошибки производится оценка ущерба, причиненного системе (идентификация ошибки), эффективность которой существенно зависит от решений, принятых проектировщиком для локализации ошибок. На этапе обработки ошибки применяются методы восстановления безошибочного состояния системы на основе динамической избыточности и методы маскирования на основе статической избыточности [32,74,90,121]. На этапе исправления отказа используются методы диагностики отказов и изоляции отказавших элементов, методы реконфигурации [14] и другие методы [74,90]. Таким образом, процесс возникновения и проявления сбоев, ошибок, отказов и их исправления может быть представлен логической цепочкой (рисунок 1.3).
В работе [74] приведена подробная классификация сбоев, определены различные виды и выделены три основных класса сбоев: сбои, обусловленные ошибками проектирования; физические сбои; сбои при взаимодействии с окружением. Классификации ошибок описываются с учетом отказов элементов, в которых возникают ошибки [32,33,45,46,49,68,90]. В работах [15,74,90,100,109] приводятся классификации отказов по различным признакам, их симптомы и методы анализа видов и последствий отказов, используемые при проектировании ПАВК.
В отказоустойчивых ПАВК используются различные методы обеспечения отказоустойчивости (faultolerance techniques) [75,84,90,121], в каждом из которых применяются методы, используемые на различных этапах обеспечения отказоустойчивости (рисунок 1.2), и необходимая избыточность (аппаратная, программная, информационная или временная).
Различают два типа отказоустойчивости: к отказам, возникшим в процессе эксплуатации, не связанным с ошибками разработки, и к отказам из-за ошибок разработки. Первый тип основан на использовании принципа дублирования и введении избыточности в виде аппаратных, информационных и программных копий (одноверсионное проектирование) [74,90,121]. Во втором типе не может использоваться дублирование, так как при ошибках разработки все однотипные устройства будут иметь одни и те же врожденные дефекты. Для борьбы с различными типами отказов может использоваться принцип Диверсионного (многовариантного) проектирования [33,73-76], основанный на том, что при введении аппаратных и программных избыточных средств, создаются не копии, а разработанные независимо с помощью различных способов (например, различных алгоритмов) функционально эквивалентные средства (версии), созданные по единой спецификации.
По способу проектирования методы обеспечения отказоустойчивости ПАВК разделяются на одновариантные и многовариантные (с использованием Диверсионного программирования [75,121]). Характеристики одповариантных методов [87,107,121] приведены в таблице 1.1.
Многовариантные методы обеспечения отказоустойчивости разделяются на избирательные, методы на основе приёмочных тестов и восстановления, а также гибридные [75,81,90,121]. Обобщенная классификация многовариантных методов приведена в таблице 1.2.
Многовариантные методы обеспечения отказоустойчивости апробированы и оправдали себя в системах управления полетом самолетов Boeing и Airbus [86,90,102,121], вычислительных комплексах космических кораблей NASA [90], железнодорожной централизованной системе Swedish Railway [90], системе мониторинга атомной электростанции SPIN [101] и могут быть успешно применены в других специализированных ПАВК управления, мониторинга в реальном времени, к которым предъявляются повышенные требования надёжности.
Методы обеспечения отказоустойчивости могут использоваться на любом уровне ПАВК: уровне процедур, процессов, законченных приложений или целых систем ПО, включая операционные системы [5,59,93]. Также эти методы могут применяться выборочно к тем компонентам, которые, вероятнее всего, содержат дефекты проектирования из-за их сложности [105], с учетом стоимостных ограничений [69,104] и т.д.
В ПАВК СУБ программно реализован основной цикл, в котором последовательно выполняются основные задачи (для каждой задачи важными являются критерии: частота отказов, время и величина погрешности вычислений), требуемая периодичность управляющих сигналов позволяет использовать временную избыточность, которая может быть распределена между задачами и создает возможность использования методов обеспечения отказоустойчивости.
Разработка обобщенной структуры системы и метода обеспечения отказоустойчивости программно-аппаратного вычислительного комплекса системы управления бурением
На программно-аппаратное обеспечение (блок S) оказывают влияние как внешние факторы w (внешние аппаратные сбои, изменение режимов функционирования), так и внутренние (физические сбои, ошибки проектирования).
Предлагаемый метод обеспечения отказоустойчивости ПАВК на основе НКК заключается в следующем. В блоке А сохраняются и обрабатываются данные программного и аппаратного тестирования, итеративно пересчитываются значения концептов НКК. Блок С содержит НКК, значения концептов используются в блоке V. Блок V предназначен для принятия решения о реконфигурации на основе данных с блоков С и Е.
Реконфигурация программно-аппаратного обеспечения на уровне задач основного цикла ПАВК СУБ (блок R) осуществляется за счет избыточности с целью обеспечения отказоустойчивости или живучести системы путем минимизации вектора отклонения 8=(5],82,8з) между требуемыми и реальными значениями параметров его элементов (81 - частота отказов, 82- среднее время и 83 - средняя погрешность решения задачи). Реальные параметры элементов определяются по значениям концептов НКК. Связи между концептами выражают, например, зависимости между соответствующими параметрами, вероятности возникновения отказов в одних элементах ПАВК из-за отказов в других (дерево распространения отказов).
Значения концептов НКК используются в блоках обеспечения отказоустойчивости F{T). Итеративный пересчет значений концептов НКК осуществляется после изменения значения любого концепта с помощью системы рекуррентных соотношений.
В блоке Е определяется вектор ограничений (пороговых значений) 50. Если отклонение 8 не превышает 50, то обеспечивается требуемое качество обслуживания и отказоустойчивость. В противном случае (5 80), когда система продолжает оставаться работоспособной (способной выполнять минимально допустимый набор задач), но с частичной потерей качества обслуживания, обеспечивается живучесть [17,23,24,27,84,85].
Обобщенная структура системы обеспечения отказоустойчивости ПАВК СУБ на базе НКК имеет обратную связь. В системах с обратной связью возможно возникновение неустойчивых режимов. В предлагаемой структуре неустойчивость может выразиться в виде периодической смены вариантов реконфигурации (возможно, с использованием все новых вариантов), либо постоянном выборе одного и того же варианта при различных отклонениях. В то же время, с применением предложенного в параграфе 1.3 подхода, основанного на оценке эффективности использования возможных вариантов реконфигурации для решения задачи во времени, на каждой итерации выбирается вариант, которому соответствует наибольшее значение функции (1.3), характеризующей его эффективность.
Таким образом, даже при возникновении факторов, выбивающих систему из равновесия, на следующей итерации обновляются и обрабатываются сохраненные данные, получаемые в процессе тестирования, и вновь выбирается «наилучший» вариант. Определить аналитически условия устойчивости для сложной системы обеспечения отказоустойчивости ПАВК СУБ затруднительно. В то же время, проведенное в главе 4 моделирование для реальных исходных данных подтвердило устойчивость предложенной системы обеспечения отказоустойчивости ПАВК СУБ.
В работе [121] предложена общая парадигма создания отказоустойчивых систем, состоящая из следующих действий: 1) описываются классы отказов, ожидаемые во время жизненного цикла системы; 2) определяются задачи системной гарантоспособности; 3) система (аппаратная и программная части) разделяется на подсистемы, выбираются методы обеспечения отказоустойчивости на основе требований к программному обеспечению; 4) для каждой подсистемы выбираются алгоритмы обнаружения ошибок и диагностики отказов, разрабатываются методы проверки состояния и исключения отказов; проводится интеграция отказоустойчивости подсистем в рамках системы и осуществляется оценка эффективности отказоустойчивости системы с учетом производительности.
Отказоустойчивый ПАВК СУБ с использованием НКК проектируется на основе предложенной обобщенной структуры системы обеспечения отказоустойчивости на базе рассмотренной парадигмы. Рассмотрим основные этапы методики проектирования отказоустойчивого ПАВК СУБ.
Определение нечеткой когнитивной карты блока обеспечения отказоустойчивости
Нечеткая когнитивная карта блока обеспечения отказоустойчивости F(T) содержит 3 концепта I группы (концепты сР, cD, сТ), V(T) концептов II группы (концепты А) и N(T) концептов III группы (концепты Q). Концепты сР, cD, сТ соответствуют частоте отказов, средней погрешности и среднему времени вычисления задачи в блоке F(T) независимо от выбранного пути. Связям между концептами соответствуют функции причинно-следственного отношения, заданные константами (весовыми коэффициентами) или функциями одного аргумента (в качестве аргумента используется значение концепта, от которого направлена дуга). Значения концептов изменяются в пределах [0;1]. Рассмотрим частный случай - НКК блока F(T), имеющего следующую конфигурацию (N f=\4 согласно формуле (3.1)): N(T)=6 и V(T)=5 (в блоке используется 5 путей и 6 элементов). На рисунке 3.1 изображена квадратная матрица связей W, содержащая Nc элементов для рассматриваемого случая. Например, функция соответствующая дуге из концепта cD в концепт А2 определяется элементом W2,s матрицы.
Программная реализация алгоритма пересчета НКК блока F{T) с использованием формулы (3.3) и квадратной матрицы связей W в ПАВК СУБ не рациональна (множество нулевых значений, большая размерность матрицы). Для представленной на рисунке 2.8 обобщенной структуры НКК блока F(T) процедура пересчета может быть упрощена. НКК содержит дуги из I группы во II группу концептов (дуги типа "1-Й") и дуги из III группы концептов во II группу (дуги типа "Ш-П"). На этапе проектирования на основе квадратной матрицы связей для L=3+V(T) создаются две вспомогательные матрицы WA и WB (формулы (3.4), (3.5)), содержащие функции причинно-следственного отношения этих дуг. Количество элементов матриц WA и WB для блока F{T) вычисляется по формуле (3.6).
На этапе проектирования проводится предстартовая настройка НКК: определение функций причинно-следственных отношений матрицы связей W и вектора начальных значений концептов. Реализуются алгоритмы вычисления значений концептов I и III групп.
Дуги типа "III-II" ориентированы из концептов Q третьей группы в концепты А второй группы НКК блока F(T). В каждый концепт А{, характеризующий эффективность выбора пути / в блоке, входят дуги из концептов Q, отражающих частоту отказов соответствующих элементов, использующихся при решении задачи с помощью пути / и имеющих резерв в блоке F(T). Концепт At имеет порядковый номер /+3 в наборе CN и обозначается как С,+3, концепт Qj обозначается как Су+к(Г)+з- В концепт At входят дуги из концептов Qj с соответствующими функциями у+к(Г)+з,/+з квадратной матрицы связей W (формула (3.3)) и вспомогательной матрицы WB (формула (3.4)),гдеу=1,2,...Д(7).
При увеличении частоты отказов элемента блока F(T) уменьшается прогнозируемая эффективность путей, в которых он используется. Поэтому значения функций, соответствующих дугам типа "ІІІ-П", неположительны. При вычислении весов дуг используются следующие правила. Сумма весов дуг, входящих в концепт А пути, равна единице, веса равномерно распределены между этими дугами. В случае невосстанавливаемого отказа элемента (при этом значение соответствующего концепта Q считается равным 1), дальнейшее выполнение пути в любом случае приведет к отказу, поэтому дуге из концепта Qi в Aj (соответствующий Aj путь состоит из m(j) элементов) соответствует функция
Дуги типа "I-II" ориентированы из концептов сР, cD, сТ первой группы в концепты А второй группы НКК блока F{T). Нулевое значение концепта I группы соответствует «лучшему» значению соответствующего параметра (1 -«худшему»). Значения функций, соответствующих дугам типа "1-И", неотрицательны.
Дуги из сР. Рассмотрим алгоритм расчёта весовых коэффициентов дуг, направленных из концепта сР в концепты II группы. Концепт сР имеет порядковый номер 1 в наборе CN и обозначается как С\. На этапе проектирования для каждого пути выбранного блока обеспечения отказоустойчивости рассчитывается вероятность отказа на основе априорных значений вероятностей безотказной работы элементов, включенных в путь. При этом могут использоваться различные методы оценки надежности [33,68].
Чем больше частота отказов, возникающих при использовании путей, в блоке F(T), тем больше значение концепта сР. Большее влияние значение концепта сР оказывает на концепты, прогнозирующие эффективность тех путей, расчетная вероятность отказа которых меньше (и наоборот). Допустим, что значения концептов cD, сТ не изменяются, а частота отказов в блоке возрастает (увеличивается значение концепта сР). Значения концептов II группы увеличиваются в соответствии со значениями расчетной вероятности отказа путей, а при оценке эффективности путей большую значимость приобретает критерий "частота отказов в блоке".
Производится ранжирование путей по значению расчетной вероятности отказа. С помощью масштабирования множества значений расчетных вероятностей отказов путей, упорядоченного по неубыванию на отрезок [0;1/3], вычисляются весовые коэффициенты дуг, направленных в концепты соответствующих путей.
