Применение метода самодиагностирования с использованием структур взаимоконтроля для обеспечения отказоустойчивости микропроцессорных комплексов бортового оборудования транспортных средств

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

дить эволюцию всего процесса. Формула (9), напротив, позволяет это сделать.

Заключение

Таким образом, в данной модели динамика частиц кислорода описывается уравнением (9). В процессе эволюции функции распределения происходит смещение ее максимума в сторону меньших значений скоростей, что в свою очередь может привести к скачку потенциала и, соответственно, к изменению адсорбирующей поверхности.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Евсевлеева Л. Г., Свердлова О. Л., Туркина Н.

М. Моделирование процесса адсорбции кисло-

рода на поверхности сульфида железа // Математические методы в технике и технологиях. 2010. Т.8. С. 20-21.

2. Стромберг А. Г., Семченко Д. П. Физическая химия. М. : Высш. шк., 2001. 527 с.

3. Карапетьянц М. Х. Строение вещества. М. : Химия. 1978. 304 с.

4. Арсеньев Л. А. Лекции о кинетических уравнениях. М. : Наука. 1972. - 216 с.

5. Бобылев А. В. Точные решения нелинейного уравнения Больцмана и теория релаксации Максвелловского газа // Теоретическая и математическая физика. 1984. Т. 60. № 2. С.280-310.

6. Бобылев А. В. О точечных решениях уравнений Больцмана // ДАН. 1975. Т. 25. № 6. С. 12961299.

УДК 533.6.05 Тихий Иван Иванович,

д. т. н., профессор кафедры прикладной механики, Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС), тел. 89500844791, (3952)54-47-52, e-mail: tiviv@list.ru Иванова Ольга Леонтьевна, аспирант, ИрГУПС, тел. 89500881230

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА САМОДИАГНОСТИРОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТРУКТУР ВЗАИМОКОНТРОЛЯ

ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОСТИ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ КОМПЛЕКСОВ БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ

I.I. Tikhiy, O.L. Ivanova

APPLICATION OF SELF-DIAGNOSING WITH MUTUAL

CONTROL STRUCTURES TO PROVIDE ON-BOARD VEHICLE EQUIPMENT MICROPROCESSOR SYSTEMS

FAULT TOLERANCE

Аннотация. Обоснована возможность и целесообразность применения метода самодиагностирования с использованием структур взаимоконтроля для обеспечения отказоустойчивости распределённых вычислительных систем, составляющих основу современных комплексов бортового оборудования транспортных средств, на примере комплексного локомотивного устройства безопасности КЛУБ-У.

Ключевые слова: отказоустойчивость, надёжность, безопасность, структуры взаимоконтроля, самодиагностирование, диагностические модели, диагностический граф.

Abstract. The possibility and usefulness of the self-diagnosing method with mutual control structure for fault tolerance of distributed computing systems

that form the basis of modern avionics systems on the example of complex locomotive safety device KLUB-U is shown.

Keywords: fault tolerance, reliability, safety, mutual control structure, self-diagnosing, diagnostic models, diagnostic graphs.

Перевозка пассажиров и грузов является сложным технологическим процессом, характеризующимся особыми требованиями к обеспечению сохранности здоровья людей, технических средств, материальных ценностей и окружающей среды при одновременном достижении требуемого уровня качества и эффективности перевозок в целом. Безопасность и эффективность перевозок в общем случае зависит от надежности функцио-

Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы

ш

нирования технических составляющих транспортных средств, обеспечение которой было и остаётся актуальной научно-технической проблемой.

Успешное решение этой проблемы возможно только на основе развития современных научных методов с максимально полным учётом особенностей построения и постоянно расширяющихся функциональных возможностей технических объектов. В связи с этим важным является учёт уже состоявшейся тенденции активного внедрения в комплексы бортового оборудования (КБО) транспортных средств в качестве базовых компонентов микропроцессорных вычислительных систем.

В общем случае используются два подхода к решению проблемы обеспечения надежного функционирования таких комплексов: использование элементов и аппаратуры повышенной надежности и реализация принципа отказоустойчивости системы в целом.

Первый подход предполагает длительное время и высокие затраты на разработку элементов, находящихся ближе к безотказным, чем серийные. При этом, чрезмерные затраты не оправдываются полученным приростом надежности. Гораздо более эффективным с этой точки зрения является обеспечение надёжности комплексов оборудования за счёт организации их отказоустойчивости. При этом, основой для реализации принципа отказоустойчивости является вычислительная система (ВС), составляющая ядро комплекса бортового оборудования современных транспортных средств.

В общем случае для реализации принципа отказоустойчивости требуется организовать диагностирование технического состояния ВС и по его результатам обеспечить восстановление её работоспособности. Для организации процесса диагностирования отказов и устранения их влияния на правильность выполняемых функций используется избыточность, которая в ВС обеспечивается, в частности, информационным, структурным, функциональным, временным и нагрузочным резервированием.

По способу проведения различают два вида технического диагностирования: тестовое и функциональное. Оба вида диагностирования производятся внешними или встроенными средствами диагностирования, общим недостатком которых является то, что они сами подвержены отказам, и в этих случаях результаты диагностирования оказываются недостоверными.

Этого недостатка лишена система самодиагностирования с использованием структур взаимоконтроля (СВК), впервые предложенная в рабо-

те [1], которая может быть наиболее эффективно применена к распределенным ВС с унифицированными вычислительными модулями и развитыми связями.

При такой организации самодиагностирования модули одного порядка надежности с помощью тестов проверяют исправность друг друга, и по совокупности проверок ставится диагноз для каждого модуля и системы в целом. Эта система диагностирования, реализованная программным способом, допускает наличие в ВС неисправных модулей, участвующих в проверках, и, тем самым, уже сама является отказоустойчивой в отличие от всех других систем диагностирования.

Взаимодействия в ВС описываются диагностическим графом G=G(V Е), где множество вершин V - множество модулей V; системы, г = \.п. ^.е Г, а множество дуг Е - множество связей

(V ), V',, е V. При этом, одной из основных характеристик рассматриваемого способа является диагностируемость (¿-ДС), которая определяет взаимосвязь между структурой диагностического графа (ДГ) и наибольшим числом отказавших модулей, при котором возможно получение правильного диагноза.

Представленная выше в самом общем виде диагностическая модель СВК детализируется и адаптируется к особенностям топологии связей и применения конкретных ВС. В процессе разработки этой модели решению подлежат следующие основные задачи:

- выявление и учёт ограничений на эксперимент (диагностирование);

- выбор способа диагностирования (с восстановлением или без восстановления);

- выбор модели выявления неисправностей (системы оценивания);

- задание величины ¿-ДС.

Рассмотрим наиболее существенные особенности, подлежащие учёту при разработке диагностических моделей транспортных средств, на примере комплексного локомотивного устройства безопасности КЛУБ-У. Система представляет собой комплекс локомотивных устройств, который выполняет функции контроля работоспособности всего бортового оборудования локомотива, автоматической сигнализации и электронной регистрации параметров движения. В свою очередь, КЛУБ-У является составной частью комплекса обеспечения безопасности движения на железнодорожном транспорте, поэтому к нему самому предъявляется повышенные требования по надежности функционирования.

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

С архитектурной точки зрения КЛУБ-У представляет собой полносвязную распределенную вычислительную систему (ВС) [2].

Её состав и размещение основных блоков представлены на рис. 1.

На рисунке показаны: БЭЛ-У - блок электроники локомотивный; БИЛ - блок индикации локомотивный; БКР-У - блок коммутации и регистрации информации; БВД-У - блока ввода и диагностики унифицированный; РБ, РБС, РБП - рукоятки подтверждения бдительности машиниста и помощника машиниста; КПУ - приемные катушки сигналов АЛСН; ДПС - датчик измерения пути и скорости; ДД - датчики измерения давлений; ЭПК - электропневматический клапан экстренного торможения; КОН - блок контроля несанкционированного отключения ЭПК ключом; АСНС - антенна спутниковой навигации системы; АРК - антенна радиоканала; БСИ - блок согласования интерфейсов; ИПЛЭ - источник питания локомотивный электрический.

Программное обеспечение системы представляет собой совокупность независимых программных модулей, которые обмениваются информацией по последовательному интерфейсу. Языком программирования для КЛУБ-У выбран язык С. В качестве контроллеров использованы однокристальные СА^контроллеры, схема узла сопряжения которых входит в состав каждого модуля.

Контроль собственного состояния системы осуществляется «встроенной диагностикой», выявляющей и индицирующей отказы основного

и резервного комплекта. Предусмотрен также фоновый тест в каналах двухканальных узлов системы, который способствует обнаружению скрытых ошибок. В основном режиме работы активные модули системы циклически передают информацию о своём состоянии и результатах выполнения тестов в модуль центрального обработчика (МЦО), входящего в состав БЭЛ-У. В нем проводится анализ результатов самотестирования модулей (отображенных в соответствующих полях СА^ сообщений) и контроль периодически поступающих от модулей сообщений. В случае успешных результатов тестирования модуль включается в конфигурацию системы (КС), и передаваемые им сообщения становятся доступными для дальнейшей обработки.

Вместе с тем анализ состава и функциональных возможностей КЛУБ-У позволил выявить существенный недостаток, заключающийся в блокировании работы всей системы при недостоверном оценивании состояний блоков модулем центральной обработки МЦО.

Проведенный анализ также показал, что система КЛУБ-У обладает хорошими высокоскоростными связями между блоками, каждый из которых может обрабатывать и передавать информацию, и это позволяет организовать структуры взаимоконтроля для определения состояний элементов системы. Создание СВК обеспечивается программно на основе существующих аппаратных возможностей комплекса и требует решения следующих задач с учётом особенностей бортовых ВС.

Рис. 1. Состав и размещение основных блоков КЛУБ-У:

Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы

1. Выбор и обоснование модели самодиагностирования

Существует достаточно большое количество моделей, описывающих процесс самодиагностирования в многомашинных системах, которые определяют характер взаимодействия модулей, а также систему оценивания результатов диагностирования в зависимости от состояния модулей, составляющих элементарную проверку. Из этого множества наиболее распространенными являются Р-, В-, Я- К- и вероятностные модели [3].

Классическая модель Препараты - Метце -Чена (Р-модель) [1] основана на представлении процесса диагностирования взаимодействием пар модулей, следствием которого является получение множества результатов диагностирования.

Диагностическая модель представляется в виде диагностического графа (ДГ), где модули -это вершины, а межмодульные связи - дуги. На рис. 2 приведен в качестве примера диагностический граф В-структуры для п = 6 и ^ = 4.

1 2

Рис. 2. Диагностический граф

В модели модуль V, контролирует модуль Уц, а общее количество модулей - п. Проверка с помощью тестовой последовательности Нц модулем V, технического состояния модуля Vц называется элементарной проверкой, а ее результат обозначается Гц. Совокупность тестов Нц образует множество J, а совокупность элементарных проверок Гц -множество Я, Я={гц}, которое называется синдромом. Все множество J проверок осуществляется за один цикл диагностирования. Элементарные проверки передаются от модуля V, к модулю Vц по каналам связи вц, которые называются проверочными связями. Результат элементарной проверки обозначается «0», если тест «прошел», и «1» -в противном случае. Для данной диагностической модели результат элементарной проверки описывается табл. 1 (модель оценивания результатов проверок).

Т а б л и ц а 1

Модуль

исправен неисправен

V, исправен 0 1

неисправен Х

Т а б л и ц а 2

Модуль

исправен неисправен

V, исправен 0 1

неисправен Х(0У1) 1

Модель Барси - Грандони - Маестрини (В-модель) [4] отличается от Р-модели лишь тем, что при неисправных проверяющем и проверяемом модулях V, и Vц результат элементарной проверки всегда равен «1». Результат элементарной проверки Гц описывается таблицей 2. Вероятность того, что при тестировании отказавшего модуля также отказавший проверяющий модуль выдаст заключение, что проверяемый модуль исправен, ничтожно мала. Применение В-модели предполагает меньшее число допустимых состояний системы, или, что то же самое, большее значение диагностируемости системы.

Я-модель [5] предусматривает описание проверки одного элемента несколькими другими аппаратно или с помощью программных процедур. В системах, описываемых такими моделями, п элементам ставится в соответствие множество ^0 допустимых одиночных неисправностей /: Е0={/1, . . . , /П), для которых задается множество J тестов Нц, ц=1, . . . , р, J={Н1, . . . ,НР}. При этом предполагается, что каждый тест является полным для одной неисправности из множества

К-модель [6] выделяет следующие виды неисправностей:

А = а1,...,с1щ - множество атомарных неисправностей;

М= т1,...,тщ - множество макронеисправностей;

Р= р]..... р,, - множество групповых дефектов.

Между множествами неисправностей существуют определенные соотношения. В частности, введена функция /ар из А в Р и отображение связи гат между А и М, а также гтр между М и Р.

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Также существуют вероятностные модели выявления отказов, которые применяются для систем с неравноценными отказами модулей.

Выбор математической модели самодиагностирования в первую очередь определяется задачами и целями диагностирования, сформулированными исходя из назначения и условий применения конкретной ВС. Кроме этого, на выбор оказывают влияние архитектура и топология связей ВС, ее элементная база, возможности обработки и использования диагностической информации. От вида выбранной модели зависят полнота и достоверность диагностирования, сложность алгоритмов диагностирования, временные затраты на диагностирование и другие характеристики.

Ни одна из рассмотренных выше моделей не обладает абсолютной универсальностью, так как каждая из них предполагает определенные ограничения на применение. Так, R- и К- модели имеют жесткие ограничения на применение и характеризуются высокой сложностью реализации, что приводит к большим временным затратам и затратам памяти. Применение вероятностных моделей в настоящей работе не рассматривается по причине унификации элементов ВС (это предполагает относительную равноценность отказов).

Для распределенных микропроцессорных ВС целесообразно выбирать Р- или В-модели, позволяющие при достаточной полноте сравнительно просто решать задачи диагностирования. В данных моделях используются результаты взаимодействия модулей между собой, а функциональные особенности элементов не играют существенной роли при анализе технического состояния системы в целом в отличие от R- и ^-моделей. Кроме этого, немаловажным является то, что эти модели позволяют частично или полностью использовать для диагностирования типовое программное обеспечение МП-модулей [7].

Анализ и сравнение характеристик диагно-стируемости P- и 5-моделей показывает идентичность условий оптимальности графов и существенное различие в оценках максимального значения диагностируемое™: п-1

(Р=-

2

Гн =/7-2; гн <гр

То есть для В-модели допускается большее количество неисправных модулей, и расшифровка синдромов значительно упрощается по сравнению с Р-моделью, что обуславливает целесообразность ее применения для ВС, в которых возможен одновременный выход из строя большинства модулей, входящих в ее состав.

2. Выбор способа диагностирования

В многомашинных отказоустойчивых системах процесс самодиагностирования можно организовать двумя способами:

- диагностированием без восстановления (обеспечивается параллельный поиск всех ^ неисправных модулей);

- диагностирование с восстановлением (поиск неисправных модулей выполняется последовательно и многократно, каждый раз указывается один или несколько неисправных модулей, после восстановления или замены которых процесс диагностирования продолжается до получения информации о том, что объект исправен) [3].

Оба способа имеют достоинства и недостатки. Так, диагностирование без восстановления при небольшом числе отказавших модулей не требует больших временных затрат, что особенно важно для ВС, работающих в реальном масштабе времени. Диагностирование с восстановлением ввиду необходимости введения прерываний в процесс функционирования и усложнения обслуживания системы в данном случае неприемлемо.

На основании вышеизложенного за основу построения диагностической модели исследуемой ВС целесообразно принять В-модель диагностирования без восстановления.

Вместе с тем реализация выбранной модели предполагает одновременное проведение всех тестовых проверок, что приводит к возрастанию затрат ресурсов на диагностирование. Поэтому для диагностирования исследуемой системы КЛУБ-У предлагается использовать организацию диагностических процедур по минимально необходимому числу проверок во время движения локомотива (при выполнении блоками своих основных функций), а при предрейсовом или плановом диагностировании применять полный набор проверок.

Способ организации диагностических процедур по минимально необходимому числу проверок изложен в работе [8]. Сущность этого способа заключается в том, что предлагается в качестве модели диагностирования использовать граф переменной структуры, позволяющий проводить поэтапное диагностирование, при котором на каждом последующем этапе добавляется по одной проверке на каждый модуль: на 1-м этапе выполняется по одной проверке каждого модуля (I (О) =1), на 11-м этапе по две (I (О) =2) и т. д.

В то время как при диагностировании без восстановления всё множество 3 проверок осуществляется за один цикл диагностирования независимо от реальной отказовой ситуации, существующей в системе 5" на момент проведения каждого цикла проверок, в предлагаемом способе

Информатика, вычислительная техника и управление. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы

организации каждый последующий этап будет проводиться только в том случае, если на предыдущем был получен синдром, содержащий | < У (А'), где Л1, | - число единичных проверок

в реальном синдроме [8].

Данный способ диагностирования позволяет значительно сократить временные затраты на диагностирование и рационально использовать вычислительную мощность системы.

3. Определение допущений и ограничений на применение диагностической модели

В общем случае, применение диагностических моделей связано с определенными допущениями на характер неисправностей, виды взаимодействия элементов, однозначность и полноту контроля и т. д.

Основными ограничениями на применение В-модели являются:

- отказы, поиск и локализацию которых осуществляет система диагностирования, являются только константными;

- все исправные контролирующие элементы осуществляют полную проверку контролируемых элементов;

- допускается однократное диагностирование (без восстановления);

- максимально возможное число отказавших модулей не превышает и наиболее вероятным считается отказ наименьшего числа модулей;

- результаты проверок независимы;

- неисправный модуль должен оценить другой неисправный модуль только как неисправный (выполнение этого условия можно довольно просто обеспечить аппаратным способом за счет использования возможностей встроенного контроля

[4]).

Введение допущений на применение В-модели диагностирования исключает учёт воздействий на диагностируемую систему событий, вызывающих неконстантные отказовые ситуации, не входящие в область определения модели. Вместе с тем проявление в реальных условиях этих событий приводит при использовании обычных алгоритмов идентификации отказов к получению неправильного диагноза или же, что более вероятно, к тупиковой ситуации (отсутствию диагноза вообще). Поэтому для повышения эффективности самодиагностирования с использованием СВК необходимо оценить влияние на синдром событий, приводящих к возникновению неконстантных отказов, которые в работе [9] сведены в множество А={аь а2, . . . , ак}, где:

а1 - сбои в функционировании модулей;

а2 - изменение технического состояния ВС во время цикла диагностирования;

а3 - отказ большего, чем числа модулей; а4 - перемежающиеся отказы; а5 - неполнота тестов диагностирования; а6 - неисправность каналов связи. Анализ причин отказов микропроцессорных бортовых ВС показал, что сбои (а1) и перемежающиеся отказы (а4) случаются значительно чаще, чем устойчивые отказы (примерно 90 %). Наибольшую вероятность проявления имеет событие а2 (до 0,5). Вероятность событий а3, а4, а6 резко возрастает во время воздействия на ВС дестабилизирующих факторов [9]. Следовательно, выбранная для использования в бортовых ВС транспортных средств В-модель нуждается в существенной модернизации.

4. Организация диагностирования при возникновении отказовых ситуаций различного типа

Каждое событие С1 е А вносит различные изменения в синдром Я^), поэтому невозможно применение какого-либо одного из известных способов для диагностирования всех видов неконстантных отказов. Решение проблемы заключается в поиске и обосновании единого для всех отказо-вых ситуаций диагностического признака.

Проведенные исследования показали, что в качестве такого признака, позволяющего диагностировать как константные, так и неконстантные и гибридные отказовые ситуации, можно использовать факт получения тупикового синдрома Я ^), то есть синдрома, не соответствующего ни одному из возможных синдромов константных отказовых ситуаций для данной структуры ДГ [10].

Всего в результате невыполнения допущений на модель могут быть получены три вида синдромов: тупиковый синдром Я (Z); синдром частичного диагноза Я (Z) ; синдром неправильного диагноза Яя (Z) . Вероятность их появления была оценена; результаты расчётов приведены на рис. 3.

Из рисунка следует, что с достаточной степенью достоверности в качестве единственного диагностического признака неконстантных отка-зовых ситуаций можно принять наличие тупикового синдрома Я ^). Поэтому в работе [11] была предложена обобщенная структура организации процесса диагностирования отказовых ситуаций априорно неизвестного типа, представляющих собой определённую условную последовательность циклов диагностирования, проверок корректности полученных синдромов и их дешифрирования.

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Рис. 3. Вероятности появления синдромов различных отказовых ситуаций

Таким образом, проведенные исследования показали, что для класса технических объектов, к которым относятся бортовые вычислительные системы транспортных средств типа КЛУБ-У, наиболее эффективным является применение самодиагностирования с использованием структур взаимоконтроля, так как данные объекты представляют собой распределенные многомашинные вычислительные системы.

Модифицированная организация диагностирования расширяет круг идентифицируемых отка-зовых ситуаций, сокращает временные издержки и экономит вычислительную мощность системы.

Предлагаемый метод позволяет реализовать принцип отказоустойчивости комплексов бортового оборудования транспортных систем, что приводит к повышению надежности их функционирования и обеспечивает безопасность движения поездов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Preparato F. P. On the Connection Assignment Problem of Diagnosable Systems / F. P. Preparato, G. Metze, R. J. Chien // IEEE Trans. 1967. № 6. P. 848-854.

2. Унифицированное комплексное локомотивное устройство безопасности (КЛУБ-У) : учебное пособие / В. И. Астрахан, В. И. Зорин, Г. К. Ки-сельгоф и др.; под ред. В.И. Зорина, В.И. Аст-рахана. М. : УМЦ ЖДТ, 2008. 177 с.

3. Коваленко А. Е., Гула В. В. Отказоустойчивые микропроцессорные системы Киев : Техника, 1986. 152 с.

4. Barsi T., Crandoni T., Maestrini P. A Thecry of Diagnosability of Digital Systems / IEEE Trans., 1976. vol. С-25. № 6. P. 585-593.

5. Russel J., Kime C. Sistem Fault Diagnosability Without Repair // IEEE Trans. 1975. vol. C-24. № 11. P.1078-1089.

6. Kime С. К. An Abstract Model for Digital System Diagnosis // IEEE Trans. vol. C-28. № 8. P. 754767.

7. Тихий И. И., Лифанов О. Г. Системы оценивания при самодиагностировании вычислительных систем // Материалы XXYII военно-науч. конфер. училища. Ч. Ш. Киев: КВВАИУ, 1986. С.233-238.

8. Тихий И. И., Кашковский В. В. Самодиагностирование комплекса оборудования с использованием структур взаимоконтроля по минимально необходимому числу проверок // Контроль. Диагностика. 2009. № 2 (128). С.62-68.

9. Тихий И. И., Кашковский В. В. О диагностировании в вычислительных системах отказовых ситуаций различного типа // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2009. № 11. С. 35-42.

10. Тихий И. И. Обобщённый диагностический признак различных отказовых ситуаций в структурах взаимоконтроля. // Контроль. Диагностика. 2011. № 1 (151). С 33-39

11. Тихий И. И. Кашковский В. В. Организация диагностирования отказовых ситуаций различного типа в распределённых вычислительных системах // Контроль. Диагностика. 2009. № 10 (136)С. 56-62.