Технология проектирования и программноаппаратные методы обеспечения отказоустойчивости вычислительных структур

УДК 681.07

Ю.О. Чернышев, В.В. Храмов

ОСОБЕННОСТИ АГРЕГИРОВАНИЯ КАЧЕСТВЕННЫХ ПРИЗНАКОВ ОПОРНЫХ ОРИЕНТИРОВ В СИСТЕМАХ ТЕХНИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ

Современные системы технического зрения (СТЗ), используемые для коррекции систем навигации летательных аппаратов (ЛА) используют преимущественно количественную информацию о подстилающей поверхности (ПП) и опорных ориентиров на ней. С учетом специфики работы датчиков СТЗ, при которой львиная доля времени работы бортовых ЭВМ затрачивается на формирование исходного изображения ПП, требования к времени обработки и интерпретации данных весьма высоки и продолжают расти. Вместе с тем, значительная часть работы устройств распознавания СТЗ может базироваться на данных, оцениваемых порядковой шкалой или даже шкалой наименований. Особенности агрегирования признаков, носящих качественный характер для сложных систем, какими являются СТЗ, предполагают нечеткую аппроксимацию лингвистических переменных, описывающих порядковые шкалы, формирование и уточнение множеств Х„ образующих составной объект ПП X, построение цепочки латентной (для объектов естественного происхождения) или интеллатентной (для искусственных объектов с элементами маскировки) доминантности. Иерархия элементов множества X позволяет уточнить процедуры обработки и распознавания данных о ПП, об опорных ориентирах и повысить качество наведения ЛА на цель.

В ходе проведенных исследований использовались размытые модели рельефа местности с коэффициентами корреляции различимых соседних элементов ПП от 0,05 до 0,7 . Результаты сравнительных модельных экспериментов позволяют утверждать, что время, затрачиваемое на обработку и распознавание опорных ориентиров при использовании формальной модели агрегирования признаков, сократилось на 18 ± 3%.

УДК 681.32

С.И.Родзин

ТЕХНОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОГРАММНО- АППАРАТНЫЕ МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОТКАЗОУСТОЙЧИВОСТИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СТРУКТУР

Разрабатывается новая технология организации и проектирования вычислительных структур (ВС), которая бы обеспечивала комплексные и взаимосогласованные решения следующих насущных проблем надежного функционирования ВС:

- способность ВС при определенных условиях выполнять свои функции в течение заданного периода времени с требуемой вероятностью;

- способность ВС автоматически тестировать процесс своего функционирования и определенным образом реагировать на возникновение неисправностей;

- приспособленность ВС к проведению ее технического обслуживания, диагностики и ремонта;

- ограничение возможности распространения возникающих неисправностей как «вширь», так и «вглубь» ВС.

Технология базируется на использовании принципов анализа и синтеза отказоустойчивых ВС, методологии их проектирования и контроля и на идеях встроенного самотестирования в процессе решения задач, в частности - в условиях сбоев/ отказов компонентов ВС.

Все технические системы состоят из электронных и механических компонент с ограниченным сроком эксплуатации. Из соображений экономии система обычно включает в себя минимальное число компонент, которые выполняют заранее заданные функции, и любая неисправность ненадежной компоненты приводит к отказу всей системы. Еще в 1956 г. Дж. фон Нейман обратил внимание на необходимость проектирования надежных систем обработки данных, состоящих из ненадежных элементов. Однако плата за отказоустойчивость оказывается, зачастую, слишком высокой, что сдерживает появление отказоустойчивых технических систем. Другая причина состоит в том, что развитие ВС изначально шло по пути создания экономичной элементной базы, вследствие чего вопросам отказоустойчивости ВС долгое время не уделялось внимания, поскольку проектировать все новое и новое как в функциональном, так и в техническом отношении ВС оказалось проще и дешевле, нежели проектировать изначально отказоустойчивые ВС, тем более что решения этой задачи, как показывает практика, не являются универсальными и требуют взаимодействия проектировщиков, производителей и заказчиков, так как условия эксплуатации проектируемой системы могут играть решающую роль. Иными словами, требования надежности и отказоустойчивости ВС в известной мере зависят от области применения ВС. С этой точки зрения предполагается следующая классификация ВС:

- системы реального времени, требующие соблюдения заранее заданных временных ограничений для реакции на входные данные даже при наличии отказа/сбоя;

- коммуникационные ВС, предъявляющие высокие требования к максимально допустимой продолжительности отказа/ сбоя;

- системы транзакций (вопрос- ответ), взаимодействующие с общим банком данных, требующие повышенного коэффициента готовности системы и гарантии защиты данных;

- локальные корпоративные ВС и сети серверного типа, получившие широкое распространение и требующие повышенного внимания к их отказоустойчивости;

- транспортные системы с заранее заданным временем обслуживания, в которых происходит чередование фаз активной работы и профилактики;

- ВС для поддержки безопасной жизнедеятельности на ограниченном отрезке времени эксплуатации;

Независимо от того, к какому из указанных выше классов относится проектируемая ВС, под надежностью понимается способность функционального блока ВС выполнять требуемые функции в течение заданного периода времени. Основными показателями надежности являются вероятность безотказной работы, вероятность отказа, среднее время наработки на отказ, среднее время восстановления. Под отказоустойчивостью понимается мера способности системы функционировать правильно при наличии неисправностей. Ремонтопригодность- это степень приспособленности ВС к проведению технического обслуживания и замены неисправных компонент.

Самотестируемость - означает, что для каждой неисправности из заданного множества неисправностей генерируется, по меньшей мере, один входной набор, ответная реакция на который диагностируется как неисправность.

На основе эволюционного анализа существующих моделей и методов обеспечения отказоустойчивости ВС:

• разрабатывается новая структурно- функциональная модель обеспечения отказоустойчивости, основанная на концепции встроенного самотестирования и позволяющая существенно сократить затраты на тестирование (синтез теста, оценка эффективности теста, время тестирования), сделать возможным тестирование на предельных рабочих частотах;

• предлагается и обосновывается новый метод проектирования сигнатурных схем генерации теста, позволяющий заранее прогнозировать длину теста при встроенном самотестировании и приводящий к увеличению избыточности на десятки процентов, в отличие от дублирования;

• разработан комплекс алгоритмов и программ функционального самотестирования ВС, ориентированный на пользователя, использующий аппарат се-тей Петри, позволяющий сократить затраты на тестирование и гарантирующий широкий охват физических неисправностей;

• разработан отказоустойчивый протокол передачи и маршрутизации сообщений в многопроцессорных ВС с кольцевой архитектурой, совместимый со стандартными протоколами и способный облегчить надежную связь между компьютерными узлами при параллельной и асинхронной передаче сообщений;

• с единых методических позиций проведен анализ тестируемости однородных секционных ВС и разрабатывается алгоритмическое обеспечение процедур синтеза теста с учетом таких требований контролепригодного проектирования, как управляемость, наблюдае.иость, доступность и предсказуемость.

В целом анализ показывает, что не существует универсальных методов обеспечения отказоустойчивости современных многоуровневых программно -аппаратных комплексов, каковыми являются ВС. Отказы и неисправности могут произойти на разных уровнях ВС и подходы к их обнаружению и устранению должны быть различными.

Наиболее радикальным средством повышения отказоустойчивости ВС является введение избыточности (структурной, функциональной, информационной, временной) с учетом анализа типа, числа, особенностей проявления неисправностей в ВС и связанных с введением избыточности затрат. Заказчик должен ясно представлять, какие именно процессы и данные в ходе решения прикладных задач необходимо держать под контролем, что и должно быть учтено при проектировании отказоустойчивых ВС в виде спецификаций к проекту.

К практическим результатам разработанной технологии можно отнести следующее:

• при определенных, относительно небольших, затратах можно обеспечить самотестируемость аппаратной части ВС при достаточно широком охвате множества неисправностей (это не относится к программному обеспечению, для которого требование отказоустойчивости оказывается пока практически невыполнимым);

• на примере эксплуатации отказоустойчивых ВС на железнодорожном транспорте дается положительный ответ на вопрос о том, действительно ли соблюдение правил и принципов обеспечения отказоустойчивости приводит к повышению общей надежности системы.

УДК 621.313.13

М. М. Фёдоров, Е. Р. Алексеев

МЕТОДЫ РАСЧЕТА ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ НАПРЯЖЕНИЯ СЕТИ

Тепловое состояние изоляции обмоток асинхронного двигателя(АД) является важнейшим фактором, определяющим его надёжную эксплуатацию. Источниками тепла в АД являются потери в его узлах. Колебание напряжения в значительной степени влияет на их величину [2]. Так, при понижении имеет место значительное повышение потерь в роторе, а следовательно и температуры в обмотке ротора, что важно для двигателей с фазным ротором. В предлагаемой работе рассмотрены результаты исследований теплового состояния в АД с фазным ротором и короткозамкнутого АД при колебаниях напряжения сеїи. При анализе теплового состояния использованы результаты аналитических и экспериментальных исследований. Расчёты теплового состояния осуществлялись с помощью эквивалентных тепловых схем замещения (ЭТС) электрических машин [1]. В двигателе с фазным ротором МТН111-6 были выделены следующие восемь узлов машины: 1

- пазовая часть обмотки статора; 2 - пазовая часть обмотки ротора; 3 - пакет статора; 4 - пакет ротора; 5 - лобовая часть обмотки статора; 6 - лобовая часть обмотки ротора; 7 - внутренний воздух; 8 - корпус. В короткозамкнутом АД АИУМ225М4 выделены следующие узлы: 1 - пазовая часть обмотки статора; 2 -лобовая часть обмотки статора; 3 - ротор; 4 - зубцы железа статора; 5 - корпус