Введение к работе
і Актуальность теш. Обеспечение надёжности инфоріланноннпх капало з ^гтогагг: введения избыточности представляется ваглеіішз.: аспектом проблемі проектирования систем управления тєхш:ч.осі;гі,;;і
СИСТС'""!! /ТС/. ПоЕЦЗСИКЄ ІШТСреса К. теории НЗДиііПССІІІ В ИОО-ЛРТГ.ГО П.7', ГСЗВІІПЇОО Стремлением Предотвратить ОГКйоЦ СД0.ДІІІХ
ко'.егтеч'сов, летолъсуег.апс в. авиации, космической т&;ліике-, энергетике и транспорто, стимулировало развитие и совершенствование методо? введення н-збыточлостн для обеспечения работоспособности управляющее слохнш.т объектами вычислителыюй то/.нпкп. Пзвест-нно г: настоящему времени метода введения избыточности в вычислительна о устройства основаны на применении:
органов голосования и устройств, использующих статистическую теорію прянятия решений;
схем релейного типа со специальной архитектурой;
теории кодирования;
схем со сложной внутренней структурой соединений;
логической стабилизации.
Тем не менее проблема статистического проектирования- надёжных логических структур и информационных каналов с избыточностью всё еще остаётся малоизученной и актуальной. В частности дополнительного рассмотрения требует вопрос о вероятности ошибки на Ецходе порогового элемента и её асимптотическом поведении при увеличении числа резервных каналов. Крайне необходимо виявить раз-іячіше подходы к вопросу оптимального назначеши весов для порогового решающего /восстанавливающего/ органа л провестл их сравнителышй анализ. Поскольку оптималышэ веса, по-видлюну, зависят от значений вероятностей ошибок соответствующих кана-
лов, а эти вероятности лишь оцениваются в результате независимых испытаний частостью появления ошибки, то следует установить законы распределения статистических характеристик весов. Пра трактовке мажоритарного восстанавливающего органа как частного случая порогового неизбежно встаёт далеко не праздная при микросхемной технологии исполнения задача получения явной зависимости вероятности ошибки на вихсе мажоритарного элемента от числа резервных каналов. Представляет интерес такне устаноаче-гае возможности описаіпія работы восстанавливающего органа в терминах теорші распознавания образов и получение форматы для выбора порога, реализующего функцию решения с ланимальшы риском.
Весьма скудны сведения о возможностях, которые возникают при реализации адаптивных восстанавливающих органов в резервированных информационных каналах. Совершенно отсутствуют источники по программному обеспечению моделирования на ЭШ различных стратегии адаптации пороговых элементов. Трудности, возникающие при решении этой задачи, связаны с отсутствием удобных алгорит-ков расчёта вероятности ошибки решающего органа, которые позволяют использовать статистическое моделирование.
Круг совершенно не исследованных вопросов встаёт при изучении характеристик простоя решающего органа, в которой реализована стратегия случайной адаптации, когда настройка весов происходит от случая к случаю чередованием интервалов работы и адаптации с вероятностным распределением их продол'чительности.
Наконец, серьёзные проблемы выдвигаются пра изучении ос-
» ноеныл показателей надёжности информапионих каналов с макори-
тарным резервированием при наличии восстановления. В частности,
первостепенное значение имеют вопросы оптимального *аспределе-
ния готовности системы кежду отдельными блоками при ограниченных затратах.
Применение органов голосования и рошашшх устройств без учёта перечисленных выше факторов водёт к непроизводительно^ расходовании средств и порождает согліштольшо структурные решения. Поэтому проблема статистического проектирования иад&ашх информационных Качалов с избыточностью, использующих восстанавливающие органы, їірадставляргсл актуальной, а необходимость разработки этой тегщ - обоснованной.
Цель работы. Целью настоящей работы является развитие теории порогового резервирования с адаптацией, разработка алгоритмов и моделирующих программ статистического исследования восстанавливающих органов кворушюго типа для обеспечения надёжности управляющих вычислительных сисгеи.
Методі; исследования. Поставленной цели в полной мере отвечает и используемые методы исследования.
В частности, анализ достоверности избыточной ннТхэрмацин осуществляется на основе статистической теории принятия решений, аппарата обобщённого /їлахалано'бисова/ расстояния и энтро-гшйного подхода.
Так как при этом предполагается, что процессы возникновения ошибок в двоичных информационных каналах стационарны, а сами ошибки независим, то решение на выходе порогового восстанавливающего устройства является Функцией суммы позавис:зкх случайных переменных. Свойства этой суммы устанавливаотся на основе теории композиций. Кроме того широко привлекаются теория информации, теория распознавания образов и метод апостериорного анализа.
Осноз:ше результаты, касающиеся поведенім лдантизккх рс:"::-
- 6 - tJ.
ющих органов порогового типа, базируются на методе статистических испытаний /Монте-Карло/ п теории распределений, а такде численном алгоритме дискретной свёртки.
Наконец, исследование различных мажоритарных моделей резервирования каналов с восстановлением проводится методом пространства состояний, а в алгоритме оптимального распределения стационарного коэффициента готовности при ограниченных затратах используется своеобразная форма градиентного поиска. Задачи исследования. Б соответствии с целью работы в ной ставятся следующие основные задачи:
разработка математической модели дал вероятности ошибка порогового восстанавливающего органа и создание программных средств еа' расчёта;
исследование статистических законов распределения весов входов порогового восстанавливающего органа;
сравнительный анализ различных стратегий адаптации;
разработка машинного метода моделирования поведения порогового восстанавливапцего органа в процессе его адаптации;
исследование характеристик простоя порогового восстанавливать щего органа при стратегии случайной адаптации;
разработка машинного метода оптимизации статистических показателей временных параметров процесса случайной адаптации порогового восстанавливающего органа;
- исследование основных характеристик надёжности восстанавлива-
екой системы двоичных каналов с мажоритарным резервированием;
- разработка и программна*! реализация алгоритма оптимального
,» ра пре деления -стационарного коэффициент, готовности система
между отдельными её блоками, вклвчавдими двоичные каналы с мажоритарным элементом в качестье восстанавливающего органа,
когда па дополнительные затрати наложены ограничения. Научная ноточна. Научная новизна результатов, полученных в работе, проявляется как в методическом, так к прикладном аспектах. Она заключается в едином подходсз к решению проблеми надёжности управля/хцэл^ вычислительной техники на осново порогового резервирования с адаптацией л разработке численных методов моделирования для сфїіектпзного использовшпш машинного эксперимента в целях опт!иалі>ногО' проектирования кзорумшх восстанавливающих органов.
В методическом плане: О
- предложен ьлтропиЛнып подход к назначению оптимальних весов
входов порогового восстанавливающего органа и для этих лее целей применён метод обобщенного расстояния, даіоцій субопти-мальное решение-;
доказала связь /по закону гиперболического синуса/ весов, доставляющих обобщённому расстоянии максимум, с Бесами, вычисляемыми на основа энтропийного подхода;
найдены законы распределения оптимальных весов входов порогового Еосстанавливащего органа при статистических оценках вероятностей оігибок на его входах;
получена асимптотическая оценка для верхней границы вероятности ошибки принятого макорптарпкм восстанавливающим органом решения при бесконечном увеличении числа его входов;
доказана возможность реализации пороговым восстанавливашим органом функции решетя с гапта'альным риском и найден иеобхс— днмый для этого порог;
усгапоачена необходимость ограничения по абсолютной величине суттмг весов, достаг-лякі-нх обобщённо:^ расстояние максимум для обеспочоїггя ігрпемлегоії бзлнчкпі огі:то:іс;:гл Р.ерсятпост:: сппбхї;
- s - і..
порогового элемента от оптимального значения в процессе циклической адаптацій с обратной связью;
доказан факт установления в пороговой системе без обратной связи, адаптирующейся по стратегии приращения весов /при условии ограничения их сумки заданным числом/, таких значений последних,которио доставляют обобщённому расстоянию максимум;
исследованы для стратегии случайной адаптации законы распределения показателя простоя восстанавливающего органа порогового типа методами теории вероятностей, дискретной свёртки и статистических испытаний;
изучено влияние характера связи /корреляци:/ временных пара-
да метров процесса случайной адаптации на закон распределения
показателя простоя порогового восстанавливающего органа;
- получены выражения для основных характеристик над&шостн сис
темы двоичных каналов с мажоритарным элементом в качестве
восстанавливающего органа с учётом случайности статистической
оценки вероятности отказа отдельного канала, различных стра
тегий обслуживания и наличия множественных /вызванных общей
причиной/ отказов.
В прикладном плане:
разработаны программные средстза оценки вероятности ошибки пришсіаемого пороговым восстанавливаазцим органом решения;
предложена инженерная методика выбора оптимальной структуры соединения датчиков состояния входа порогового органа при ре-
лонной адаптации без обратной связи;
- разработан и програшно реализован для задач нашийного анали-
.. з^. восставав сиванцего органа и процес--а его адаптации метод
дискретной свёртки, с еомоиъю которого находится закон распределения функция независимых случайных переменных по задан-
- 9 -ним законам их распределений;
разработан алгоритм оптимизации стратегии случайной адаптации порогового восстанавливающего органа;
предложен алгоштм оптимального распределения стационарного коэффициента готошости при ограничении на стоимость, предназначенный мл после гг.зательнс" структуры из ряда подсистем, каждая яз которых представляет собой совокупность двоичных хапалсз с мзкорптаріют элементе:-; :- качестве воостанавливаще-го органа. . .
Научная значимость работы. Научная значимость результатов диссертационной работы заключается в том, что в совокупности они могут быть квалифицированы как новое научное направление в области надёжности управлявшей вычислительной техники, позволившее единым подходом адаптационного порогового резервирования и с исл;льзоэ8:пг;?.: мажнного эксперимента последовать и рс:г.ть проблем-.: спт::-.::-лыгого построения кворуип'х восстанавливав-.;:::; органов в системах управления ТС.
Достоверность,основных.научных положений. Достоверность основных научных положений и выводов работы гарантируется тем, что:
все результаты получены на основе единого подхода, базирующегося на методах, хорошо зарекомендовавших себя при решении задач теории надёжности;
проведены сравнения теоретических заключений с данными машинных экспериментов;
осуществлён сравнительный анализ решений аналогичных задач, полученных различными авторами и методами.
Личный вклад автора. Представленные в .диссертации сснозные результата получены автором самостоятельно. В работах, выполненных г соавторстве, диссертант является ияишгатором идей :: ак-*
тивнкм исполнителем; ому принадлежат: формулировка задачи,- разработка осіювішх полоношй и алгоритмов развитого общего катода к решотш частных вопросов, интерпретация данных машшшых экспериментов.
Практическое значение,. Практическая ценность результатов работы состоит в:
развитии и утверждении основанного на машинном -эксперименте подхода к решоїпш проблем обеспечения надёжности управляющих вычислительных систем при использования в них адаптационного резервирования информационных каналов;
разработке программных средств моделирование пороговых органов и стратегий их фтккцдошгроттш;
решении единым подходом ряда прикладных задач порогового резервирования;
повышении производительности и качества инненерного труда по обеспечение надёжности информационных каналов с восстанавли-вавдшли органами в системах управления ТС;
возможности распространения развиваемого подхода на биологические .социальные и прочие системы, в которых возникают проблемы принятия альтернативных решений на основе избыточной двоичной информации.
диссертационная работа связана с:
- госбюджетными темами лафодры радиотехники Тбилисского госу
дарственного университета "Исследование параметрической на-
, д&кности электронных схем средствами Ештационного моделирования и цифровой вычислительной техники" /номер гос.регистра-циг ОІ840028Ю7/ и "Логические структуры с пороговыми элементами и генераторные схема второго порядка" /номер университетской регистрации 3-13/;
- II -
хоздоговорной темой кафедры радиотехники Тбилисского государственного университета "Исследование путей построения оп-тималышх структур многокашішшх цифровых вычислительных систем" /номер университетской регистрации 57/369-71/, проводившейся для решения задач НЛР "Рассвет" ЦНИИ "Гранит";
гзсив/,:пг;;оП темой ннстпиуАа ігр.іі'-и^оіі -тематики игл. акад. И.II. Bciya Тбилисского государственного университета "Внедрение аппаратных средств с целью коллективного пользования системой БЭСМ-S - БЗСМ-6/7.ИШ им. акад. 11.11. Взкуа ТГУ и исследования по машинному проеістированиа радкоэлекгропшх схем" ' /номер гос. регистрации 80077128/;
хоздоговорной темой отраслевой научпо-исслодовательской лаборатории Л-8 Тбилисского государственного ушнзерептета "Создание аппаратуры обработки аналоговой информации для световод-пых систем связи" /номер университетской регистрации 1/8-84/, . проводшпепся для решения задач НИР "Самшит" ЦНИИ "Еолпа".
Научные результаты прикладного характера внедрены и используются при проектировании и обеспечении надёжности управля-здей вычислительной техники. 3 частности, в разработісах НИР "Самшит" ЦНИИ "Волна" внедрён созданный диссертантом в составе хоздоговорной темы 1/8-84 ОНИЛ J58 ТГУ комплекс программ анализа и оптимизации параметров схем обработки информации. Условный годовой экономический эффект от внедрения темы составляет триста семьдесят пять тысяч рублей в соответствии с методом расчёта, определённым распоряжением Президиума АН СССР от 29 ноября 1982 г. К249 "О временном порядке определения эффехтив -ности фундаментальных и поисковых работ в интересах обороны . страны". ' . .
Предложенные диссертантом метода оценки надёашсти логических структур с пороговым резервированием и использования в них адаптации восстанавливающих органов, вошедшие в отчёт ЦНИИ "Гранит" по НИР "Рассвет", частично использованы в отраслевом стандарте ОСТ 5.370.073 "Информационные и управляющие системы. Расчёт надёжности розервированных вычислительных структур".
Разработанные для анализа, моделирования и оптимизации пороговых органов "Комплекс программ для определения функции распределения случайной величины методом дискретной свёртки" я "Подпрограмма вычисления.вероятности ошибки порогового органа" вклочєия в Государственный фонд алгоритмов ь. программ СССР за инвентарными номерами 56850000888 и 50860000718 соответственно.
Материалы, изложенные в диссертационной работе, используются на физическом факультета Тбилисского государственного университета пря чтении таких курсов лекций, как "Теория надакнос-ти", "Микропроцессоры и микропроцессорные системы", "Прогнозирование научно-технического прогресса", а также при проведении лабораторных работ по специальным предметам. Они отражены в монографии "Пороговое резервирование в управляющих вычислительных системах" к частично.входят в учебник для вузов "Теория надёа-ыости" /на грузинском языке/, единоличным автором которых диссертант является.
Апробация работа. Отдельные результаты диссертации докладывались и обсуждались. ,на различных республиканских к всесоюзных семинарах, совещанияхчи конференциях, в том число "а:
республиканской научно.- технической конференции по вопросам / на^йкостя;, качества и долговечности /Тслиси ,1955/;
Бсэсоюзаых'меавузрвских. научно - технических Іноїреренциях по . проблемам ковшения ' надежности' электро- ;іі,^йьч|йшических
- ІЗ -изделий /Ленинград, 1966; Ленинград,1958; Тбилиси,1970/;
республиканских научных конференциях физиков высших учебных заведений Грузинской ССР /Кутаиси,1966; Гори,1974; Сухуми, 1978; Тбилиси, ГЭ80; Кутаиси,1981; Тбилиси,1982/;
третьей Ленинградской научно-технической конференции по повышению качества, надёжности и долговечности промышленных изделий /Ленинград,1967/;
республиканской межвузовской научно - технической конференции по вопросам радиоэлектроники и автоматики /Львов, 1967/;
межведомственных семинарах "Оценка характеристик качества * сложных систем и системный анализ" /минск,ГЭ70; Вильнюс,1974; Брест,1976; Днепропетровск,1978; Витебск,1980/;
республиканской научно - технической конференции по осповнкм вопросам теории и практики стандартизации Дбилисн,1970/;
республиканском совещании по проблемам повышения качества и кадёкноети изделий /Батуми, 1974/;
четвёртой всесоюзной межвузовской конференции "Надёжность систем и средств управления'' /Ленинград, 1975/;
всесоюзных научно-технических конференциях "Надежность и оф-фективность автоматизированных систем управления технологическими процессами и производством" /Киев,1975; Каев,1978/;
восьмом научно-техническом семинаре "Вопросы эксплуатации радиоэлектронной аппаратуры и её элементной базы, оценка и прогнозирование показателей надёжности изделий электронной техники" /Ивано-Франковск,1979/;
всесоюзних научных сессиях НТОРЭС им. А.С. Попова, посвященных Дню радио Д1осква,1982; Москва, 1984/;
девятом всесоюзном спшозиуме по проблегле избыточности в информационных системах /Ленинград,1986/.
Результаты исследований автора по пороговым постанавливающим органам н их адаптации докладывались на коллокзіумах Национального Центра Франции по дальней космической связи /Лшшион, 1972-1973/.
В целом диссертация обсуждалась на семинарах кафедры радиотехники, отраслевой научно-исследовательской лаборатории J6 8 и института прикладной математики им. акад. И.Н. Векуа Тбилисского государственного университета, Минского высшего инженерного зешггно - ракетного училища, а такке других организаций в 1984 - 1989 т.г.
Еублитстши. Основные результаты,излоиенные в мссертации, опуб-ликоволы в 30 научных работах, в числе которых - одна монография и учебник для вузов. Список работ по теме диссертации приведён в конце автореферата.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, содержащего обзор состояния направления исследований, описание объекта изучения, постановку задач, обоснование структуры и формулировку выносимых на защиту научных полоаений; четырёх глав, раскрывающих содержание; заключения, суммирующего важнейшие из полученных результатов; списка литературы и приложений, в которых приводятся программные реализации отдельных методов, разработанных в диссертации, а такае сведения, под-тверадавщие внедрения.
Полный объём диссертации составляет 427 страниц и включает
44 рисунка на 42 страницах, 20 приложений на 79. страницах и
список литературы из 160 наименований на 17 страницах. Основной
., текс: предстаг-тен на 285 машинописных траницах и содераит 3
таблиц.
Вряослвдэ на защиту положения. На защиту выносятся:
принцип порогового резервирования с адаптацией в совокупности с численными методами моделирования для эффективного использования машинного эксперимента при надёжностном исследовании кворумных восстанавливающее органов в управляющих вычислительных системах;
модели различных стратегий адаптации порогового решающего органа с алгоритмами их исследования в машинных экспериментах;
модель случайной адаптации порогового решающего органа;
кокплэкс формул для характеристик надёжности системы двоичных каналов с гэяоритарнш резервированием при рандомизации вероятности отказов отдельных каналов,различных стратегиях восстановления и учете мнохоственных отказов,
![Рациональное управление системой психологической помощи на основе медицинского мониторинга и организации психопрофилактического процесса [Электронный ресурс]](/i/i/4409/168295.png "Рациональное управление системой психологической помощи на основе медицинского мониторинга и организации психопрофилактического процесса [Электронный ресурс] Склярова Татьяна Петровна")
