“主從多機(jī)通信系統(tǒng)可靠性建模研究”案例一的要求V

1、.主從多機(jī)通信系統(tǒng)可靠性建模研究案例一：一個(gè)RS485多機(jī)通信系統(tǒng)的可靠性評(píng)估的建模和仿真基本條件和實(shí)驗(yàn)要求(2011-3-9更新)1 詞匯表12 物理模型33 理論假設(shè)、基本參數(shù)43.1關(guān)于部件劃分和元件組合方式43.2關(guān)于發(fā)生故障的概率和人工排除故障所需的時(shí)間53.3關(guān)于故障后果53.4其他54 理論模型65 仿真實(shí)驗(yàn)要求76 附錄：仿真算法及模型提示86.1利用馬爾可夫鏈建立仿真算法模型86.2元件的狀態(tài)轉(zhuǎn)移機(jī)模型86.3統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)量96.4微小概率事件的影響96.5故障后果判別96.6隨機(jī)數(shù)發(fā)生96.7關(guān)于仿真算法設(shè)計(jì)101 詞匯表元件部件的基本構(gòu)成單位，也是模型中系統(tǒng)的最小組成單位，

2、具有“原子性”，不對(duì)其分割研究。部件由一個(gè)或多個(gè)元件構(gòu)成。在模型中構(gòu)成一個(gè)部件的元件組合方式具有“單純性”，即只能是以下三種情形之一：串聯(lián)組合、并聯(lián)組合、k-out-of-n組合。多個(gè)部件可以組合為具有一定功能的子系統(tǒng)。子系統(tǒng)由若干部件構(gòu)成，能完成一組特定功能。為討論方便，模型中整個(gè)系統(tǒng)被劃分為5個(gè)子系統(tǒng)：通信主機(jī)子系統(tǒng)、集線器子系統(tǒng)、三個(gè)相互獨(dú)立的通信從機(jī)子系統(tǒng)。串聯(lián)組合參與組合的所有元（部）件之一失效，則整體失效。并聯(lián)組合參與組合的所有元（部）件全部失效，則整體才失效。k-out-of-n組合參與組合的所有n個(gè)元（部）件中，若至少有k個(gè)正常，則整體正常；換言之，多于(n-k)個(gè)同時(shí)失效，則

3、整體才失效。這類似一種投票機(jī)制。系統(tǒng)故障系統(tǒng)內(nèi)若存在有處于失效狀態(tài)的部件，則認(rèn)為有系統(tǒng)故障。重大系統(tǒng)故障系統(tǒng)運(yùn)行中的下述情形，列為重大系統(tǒng)故障。這些情形可能同時(shí)并存。l 通信主機(jī)子系統(tǒng)失效或無法通信（雙機(jī)熱備時(shí)，雙機(jī)同時(shí)失效或無法通信）。l 集線器發(fā)生故障。l 因某個(gè)通信從機(jī)的某類特定故障，引發(fā)通信總線阻塞，整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)癱瘓。l 三個(gè)通信從機(jī)子系統(tǒng)中，有兩個(gè)或兩個(gè)以上同時(shí)失效或無法通信。一般系統(tǒng)故障除列為重大系統(tǒng)故障之外的其他故障系統(tǒng)。（通信）總線阻塞系統(tǒng)中的通信總線是各通信機(jī)間的共享信道。在同一時(shí)刻，至多只能有一臺(tái)通信機(jī)的接口電路工作于發(fā)送信息狀態(tài)，并占用信道。當(dāng)某臺(tái)通信機(jī)出現(xiàn)特定故障，使其

4、通信接口電路無法退出發(fā)送狀態(tài)，會(huì)造成通信總線阻塞。此時(shí)，因信道被占用，其他處于正常狀態(tài)的通信機(jī)間也無法進(jìn)行通信。雙機(jī)熱備份通信主機(jī)子系統(tǒng)可配置為雙機(jī)熱備份，實(shí)現(xiàn)冗余容錯(cuò)。結(jié)構(gòu)相同的雙機(jī)同步運(yùn)行。正常情況下，一臺(tái)為主用機(jī)，承擔(dān)完整的信息輸入處理和控制信號(hào)輸出職責(zé)；一臺(tái)為備用機(jī)，僅有信息輸入，控制信號(hào)輸出通路被切斷。當(dāng)主用機(jī)發(fā)生故障時(shí)，主備職責(zé)自動(dòng)倒換，可保持子系統(tǒng)整體不失效。需要指出的是，由于是熱備份，所以處于備用狀態(tài)的主機(jī)也在實(shí)際運(yùn)行，運(yùn)行中也可能出現(xiàn)故障狀態(tài)，甚至需要人工修復(fù)。2 物理模型圖1 基本配置下系統(tǒng)的組成被研究的系統(tǒng)為一個(gè)“1主3從”通信系統(tǒng)。在基本配置下，其組成示意圖如圖1。系統(tǒng)

5、中有1臺(tái)通信主機(jī)和3臺(tái)通信從機(jī)。所有通信主/從機(jī)使用共享信道建立物理連接。典型的實(shí)例如RS485標(biāo)準(zhǔn)的總線結(jié)構(gòu)。在該通信系統(tǒng)的傳輸協(xié)議中有以下規(guī)定：l 每臺(tái)通信機(jī)擁有唯一的地址標(biāo)識(shí)l 僅主機(jī)擁有發(fā)起對(duì)話的權(quán)限，主機(jī)與從機(jī)之間可進(jìn)行“主問從答”式對(duì)話l 從機(jī)與從機(jī)間不進(jìn)行對(duì)話l 必須保證在同一時(shí)刻，至多只有一臺(tái)通信機(jī)占用信道發(fā)送信息，其余通信機(jī)處于接收監(jiān)聽狀態(tài)每臺(tái)通信機(jī)內(nèi)部有兩塊電路板：控制電路板和接口電路板?？刂齐娐钒迳嫌形⑻幚砥鳎\(yùn)行相應(yīng)的軟件程序。接口電路板負(fù)責(zé)與通信總線聯(lián)系，它的某類故障，會(huì)引發(fā)總線阻塞。光電隔離器完成電-光-電信號(hào)轉(zhuǎn)換，通過電氣隔離增加安全性。其內(nèi)部采用了提高可靠性為目

6、的的元件冗余設(shè)計(jì)。光電隔離器無法阻止接口電路故障引發(fā)的總線阻塞。集線器是一個(gè)通信線纜的匯接裝置。根據(jù)了解，為提高該系統(tǒng)的可靠性，實(shí)際可能采取的工程措施有以下三項(xiàng)。l 措施1：微處理器中引入Watchdog機(jī)構(gòu)當(dāng)軟件程序因自身缺陷或硬件不穩(wěn)定，引起程序運(yùn)行不正常，此時(shí)若能被Watchdog機(jī)構(gòu)偵測(cè)到，可以觸發(fā)硬件復(fù)位信號(hào)，重新啟動(dòng)程序。不過，Watchdog并不能成功偵測(cè)所有的程序不正常狀態(tài)。l 措施2：防止接口電路板故障阻塞總線通過特別的電路設(shè)計(jì)（比如圖2的例子），可以防止接口電路故障導(dǎo)致總線阻塞。提示：圖2的電路僅供參考，具體工作原理與完成課程設(shè)計(jì)任務(wù)沒有直接關(guān)聯(lián)。圖2 防止總線阻塞的電路方

7、案l 措施3：主機(jī)的雙機(jī)熱備通信主機(jī)在系統(tǒng)中至關(guān)重要，可以采取冗余設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的容錯(cuò)運(yùn)行能力。雙機(jī)熱備配置下，系統(tǒng)組成示意圖如圖3。圖3 主機(jī)熱備配置下系統(tǒng)的組成3 理論假設(shè)、基本參數(shù)3.1 關(guān)于部件劃分和元件組合方式l 控制電路板可看作兩個(gè)部件組成：“控制硬部件”對(duì)應(yīng)硬件電路部分，“控制軟部件”對(duì)應(yīng)軟件程序部分。l 控制硬部件可看作由35個(gè)統(tǒng)計(jì)特性獨(dú)立元件構(gòu)成，并適用串聯(lián)組合。l 控制軟部件可看作單元件構(gòu)成。l 未使用措施2前，接口電路板可看作由10個(gè)統(tǒng)計(jì)特性獨(dú)立元件構(gòu)成的“接口部件”，并適用串聯(lián)組合；使用措施2后，接口電路板可看作由15個(gè)統(tǒng)計(jì)特性獨(dú)立元件構(gòu)成的“接口部件”，并適用串聯(lián)組合

8、。l 光電隔離器可看作由5個(gè)統(tǒng)計(jì)特性獨(dú)立元件構(gòu)成的“光隔部件”，其中任意3個(gè)元件無故障即能使該部件正常發(fā)揮效能，適用k-out-of-n組合，k=3，n=5。l 集線器可看作由7個(gè)統(tǒng)計(jì)特性獨(dú)立元件構(gòu)成的“集線器部件”，并適用串聯(lián)組合。3.2 關(guān)于發(fā)生故障的概率和人工排除故障所需的時(shí)間l 所有元件連續(xù)無故障運(yùn)行時(shí)間的概率密度分布都遵從負(fù)指數(shù)分布其中為常數(shù)，對(duì)不同的元件可以取不同的值。l 構(gòu)成控制硬部件、接口部件、集線器部件的所有元件特性滿足獨(dú)立同分布，對(duì)應(yīng)參數(shù)l 構(gòu)成控制軟部件的單元件，對(duì)應(yīng)分布參數(shù)l 構(gòu)成光隔部件的所有元件特性滿足獨(dú)立同分布，對(duì)應(yīng)參數(shù)l 對(duì)故障進(jìn)行人工修理，排除故障所需花費(fèi)的時(shí)

9、間是隨機(jī)變量，其概率密度分布遵從負(fù)指數(shù)分布其中。3.3 關(guān)于故障后果l 控制硬部件、集線器部件、接口部件組成元件的故障需要依靠人工修復(fù)。l 未采取措施1時(shí)，控制軟部件組成元件的故障需要依靠人工修復(fù)；采取措施1以后，控制軟部件組成元件的故障中有97%可以通過自動(dòng)重啟恢復(fù)（故障狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間可認(rèn)為1小時(shí)），還有3%的故障需要依靠人工修復(fù)。l 未采取措施2時(shí)，接口部件組成元件的故障中有7%會(huì)引發(fā)總線阻塞；采取措施2以后，可完全避免引發(fā)總線阻塞，但并不能降低元件故障發(fā)生率。l 未采取措施3時(shí)，通信主機(jī)子系統(tǒng)一旦有故障即刻完全失效。l 采取措施3以后，在互為備份的雙機(jī)同時(shí)失效時(shí)，子系統(tǒng)失效，即雙機(jī)適用并

10、聯(lián)組合。但這不是嚴(yán)格意義上的并聯(lián)組合，如果未同時(shí)采取措施2，雙機(jī)熱備配置中的單機(jī)接口電路硬件故障的引發(fā)總線阻塞，仍會(huì)造成系統(tǒng)失效。l 光隔部件組成元件的故障可以自動(dòng)恢復(fù)（故障狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間可認(rèn)為1小時(shí)）。3.4 其他l 以“小時(shí)”為仿真試驗(yàn)的最小顆粒，即時(shí)間遞推步長(zhǎng)。4 理論模型根據(jù)前文中各項(xiàng)假設(shè)建立的理論模型可以圖4和圖5表示。圖4 無雙機(jī)備份的系統(tǒng)理論模型圖5 雙機(jī)備份的系統(tǒng)理論模型5 仿真實(shí)驗(yàn)要求根據(jù)前文提出的理論假設(shè)、基本參數(shù)和理論模型，確立仿真算法，利用蒙特卡洛法模擬N套同型系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行10年的各種狀況。分別在1） 不采取措施1、2、3；2） 單獨(dú)采取措施1；3） 單獨(dú)采取措施2；4

11、） 單獨(dú)采取措施3；5） 同時(shí)采取措施1、2、3這5種情形下，求解以下系統(tǒng)指標(biāo)：l （10年中）人工修理平均次數(shù)（注解：“修理”是作用于單個(gè)元件的，任一元件發(fā)生一次需要人工修復(fù)的失效，則計(jì)一次修理。一個(gè)部件中多個(gè)元件同時(shí)失效要修理，計(jì)多次。）（提示：如果系統(tǒng)有內(nèi)部元件并聯(lián)組合的部件，則發(fā)生修理未必就有系統(tǒng)故障）l （10年中）系統(tǒng)故障平均發(fā)生次數(shù)（注解：對(duì)于系統(tǒng)，原因不同的兩個(gè)或多個(gè)故障，如果首尾相連或重疊發(fā)生，則視作同一次系統(tǒng)故障。）（提示：由于k-out-of-n組合的光隔部件，其元件故障可以自動(dòng)恢復(fù)，則有系統(tǒng)故障未必就要修理）l （10年中）重大系統(tǒng)故障平均發(fā)生次數(shù)（注解：對(duì)于系統(tǒng)，原因

12、不同的兩個(gè)或多個(gè)重大系統(tǒng)故障，如果首尾相連或重疊發(fā)生，則視作同一次重大系統(tǒng)故障。）（提示：若“重大故障-一般故障-重大故障”如此首尾相連發(fā)生，則按系統(tǒng)故障計(jì)次為1次，按系統(tǒng)重大故障計(jì)次為2次，但此類情況發(fā)生概率微小。）l （10年中）平均無故障運(yùn)行時(shí)間 （注解：假定被測(cè)的任意一個(gè)系統(tǒng)在10年中的無故障運(yùn)行總時(shí)間為小時(shí)，共個(gè)被測(cè)系統(tǒng)，則約定平均無故障運(yùn)行時(shí)間 = 小時(shí) ）l 平均連續(xù)無故障運(yùn)行時(shí)間（MTBF，mean time between failure）（注解：假定被測(cè)的任意一個(gè)系統(tǒng)在10年中發(fā)生次故障，連續(xù)無故障運(yùn)行的完整時(shí)間段落有個(gè)，每段時(shí)間分別為小時(shí)，則約定平均連續(xù)無故障運(yùn)行時(shí)間 =

13、 小時(shí) ）l 平均連續(xù)無重大故障運(yùn)行時(shí)間（注解：假定被測(cè)的任意一個(gè)系統(tǒng)在10年中發(fā)生次重大故障，連續(xù)無重大故障運(yùn)行的完整時(shí)間段落有個(gè)，每段時(shí)間分別為小時(shí)，則約定平均連續(xù)無重大故障運(yùn)行時(shí)間 = 小時(shí) ）并通過定量指標(biāo)的對(duì)比，評(píng)價(jià)各項(xiàng)措施的使用對(duì)提高系統(tǒng)可靠性所起的效果。已給定的理論假設(shè)原則上不能改動(dòng)，但這些假設(shè)條件未必完備，如有必要可自行定義和增加。將研究結(jié)果寫成研究報(bào)告，格式自擬，篇幅限定在A4紙6頁以內(nèi)（正文五號(hào)字體）。可以將本文列為關(guān)聯(lián)文擋加以引述，適當(dāng)減少圖文重復(fù)，把主要篇幅用作描述自行完成的工作。6 附錄：仿真算法及模型提示6.1 利用馬爾可夫鏈建立仿真算法模型由于元件故障概率都假定為

14、負(fù)指數(shù)分布，很適合應(yīng)用馬爾可夫鏈建立仿真算法。最直觀的做法是為每個(gè)元件建立狀態(tài)轉(zhuǎn)移機(jī)模型。然后根據(jù)元件狀態(tài)推定部件狀態(tài)，根據(jù)部件狀態(tài)推定子系統(tǒng)和系統(tǒng)狀態(tài)。6.2 元件的狀態(tài)轉(zhuǎn)移機(jī)模型（1）以集線器部件的組成元件為例，可設(shè)計(jì)出如附圖1的狀態(tài)機(jī)模型附圖1 元件狀態(tài)機(jī)1附圖1中，。（2）在采取措施1的情況下，對(duì)控制軟部件的組成元件可設(shè)計(jì)出如附圖2的狀態(tài)機(jī)模型附圖2 元件狀態(tài)機(jī)2附圖2中，。6.3 統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)量必須保證有數(shù)量足夠的統(tǒng)計(jì)樣本，才能得到比較準(zhǔn)確的結(jié)論。建議至少應(yīng)仿真測(cè)試100個(gè)樣本系統(tǒng)。6.4 微小概率事件的影響當(dāng)樣本數(shù)量不大時(shí)，要密切關(guān)注實(shí)驗(yàn)中是否發(fā)生微小概率事件。比如，假定我們只仿真測(cè)

15、試10個(gè)樣本，在實(shí)驗(yàn)中又恰好出現(xiàn)過雙機(jī)備分通信主機(jī)失效的情況，相對(duì)于這10個(gè)樣本而言，該狀況屬于微小概率事件，會(huì)使實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)生嚴(yán)重偏離。對(duì)哪些事件在哪些情況下構(gòu)成微小概率事件，應(yīng)事前適當(dāng)研究，以便采取對(duì)策或增加試驗(yàn)樣本數(shù)量，或剔除發(fā)生此類事件的樣本。使用后一項(xiàng)對(duì)策時(shí)，須十分謹(jǐn)慎。6.5 故障后果判別仿真過程中，對(duì)當(dāng)前的系統(tǒng)故障需要判別其后果，比如判斷是否構(gòu)成“重大系統(tǒng)故障”，是否會(huì)造成總線阻塞，等等。有興趣的同學(xué)可以自學(xué)并采用“故障樹”判別法，該方法通?？梢允惯壿嫿Y(jié)構(gòu)顯得比較緊湊高效。6.6 隨機(jī)數(shù)發(fā)生基于蒙特卡洛法的仿真實(shí)驗(yàn)中，各概率事件都需要通過發(fā)生隨機(jī)數(shù)來模擬。本項(xiàng)課題中，所涉及到的概率數(shù)值比較小，所以需要使用大周期數(shù)的隨機(jī)數(shù)序列，推薦運(yùn)用MATLAB。一般的C語言標(biāo)準(zhǔn)隨機(jī)數(shù)函數(shù)所提供的偽隨機(jī)序列周期比較短，可能無法滿足本項(xiàng)課題研究的需要！6.7 關(guān)于仿真算法設(shè)計(jì)關(guān)于本課題的仿真算法設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)方法是比較多的，下面一個(gè)思路供大家參考。1、 系統(tǒng)模型的最?。ā霸印保┙M成單位是元件。當(dāng)每一個(gè)元件的狀態(tài)都確定的情況下，各個(gè)部件、子系統(tǒng)，乃至整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)都可以依次推定。2、 程序可以按以下順序執(zhí)行（1） 為每個(gè)元件建立狀態(tài)機(jī)，模擬一個(gè)元件每一小時(shí)的狀況變化；（2） 按組合規(guī)則，根據(jù)每個(gè)部件的組成元件的狀態(tài)，推