книги / Диагностические модели и методы повышения контролепригодности элементов и устройств распределенных информационно-управляющих систем на основе комбинирования логик

снижение вычислительной сложности алгоритмов обнаружения/поиска дефектов за счет построения структуры объекта контроля, «приспособленной для диагностирования»;

улучшение диагностических свойств, снижение общего количества и упрощение структуры тестов.

Преимущества наличия у объекта диагностирования свойства контролепригодности:

адекватность диагностической модели контроля функционирования (проверки правильности функционирования) элемента системы управления как объекта контроля;

реализация стека стандартных транспортных протоколов, что позволяет строить унифицированные локальные и транспортные сети управления и мониторинга в соответствии с требованиями рекомендаций ITU-T;

поддержка стандартных протоколов управления, что обеспечивает управляемость, наблюдаемость и тестопригодность объектов контроля путем реализации архитектуры «агент / менеджер».

Встандарте ГОСТ 26656-85 [35] введены два основных показателя контролепригодности:

– средняя оперативная трудоемкость вида диагностирования Sд (ч), опреде-

ляемая как сумма трудоемкостей всех N операций диагностирования Sд. j, j [1; N];

– коэффициент безразборного диагностирования Kб.д., определяемый как отношение количества параметров, измеряемых без демонтажа устройства, к общему числу параметров.

Задачи контролепригодного проектирования эффективнее всего могут быть решены на этапе разработки соответствующего вида обеспечения элементов системы управления. При этом указанные свойства могут быть реализованы и в сетевом элементе (агенте), и в управляющем элементе (менеджере) РИУС [132]. С учетом вышеизложенного далее предлагаются рекомендации, которые использованы в разработанных и практически реализованных методах повышения контролепригодности элементов и устройств РИУС.

Рекомендации для повышения контролепригодности сетевых элементов РИУС:

1.Реализация стандартизированной структуры информационной базы данных MIB (представление объекта с использованием объектно-ориентированного подхода (XML), переменные, таблицы (ASN.1) и другие структуры данных, диагностическая модель).

2.Поддержка стандартизированных алгоритмов взаимодействия с менеджером (формат команд/ответов, интерфейсные функции доступа к ресурсам), формализуемых рекомендациями (например, ITU-T X.701) или стандартными протоколами управления (CMIP, SNMP).

71

3.Поддержка коммуникационных (транспортных) протоколов (Ethernet,

TCP/IP).

4.Возможность интеграции в контролепригодную структуру (JTAG – модули в устройстве, внутриблочная магистраль – устройства в блоке (изделии), локальная или транспортная сеть – блоки в структуре системы управления) [145].

Рекомендации для повышения контролепригодности управляющих элементов РИУС:

1.Формирование иерархической структуры управления (уровни управления

сразделением решаемых задач) [130].

2.Реализация программных интерфейсов с системой управления базой дан-

ных (СУБД) [131].

3.Поддержка стандартных протоколов управления (SNMP, CMIP, CMOT

и т.п.) [142].

4.Реализация технологий создания и реализации распределенных приложе-

ний (CORBA) [141].

Выполнение предложенных рекомендаций позволяет улучшить количественные и качественные показатели контролепригодности (примеры приведены в следующих разделах).

На практике часто встречается ситуация, когда элементы системы управления уже разработаны и внедрены, а способы обеспечения контролепригодности не реализованы или выполнены в неполном (недостаточном) объеме. Тогда на этапе эксплуатации производится контролепригодное реконфигурирование структуры

системы управления, например, при помощи механизма адаптации («шлюзования») между контролируемой системой управления и системой диагностирования (или системой управления более высокого уровня иерархии). Это требует разработки (или приобретения) и ввода в структуру системы управления дополнительного элемента – адаптера протоколов (шлюза). Результаты работы в данном направлении отражены в других публикациях авторов и далее не рассматриваются. В следующих разделах будет описано применение предложенных рекомендаций при реализации информационного, программного и технического обеспечения элементов РИУС на этапах разработки, производства и эксплуатации.

На этапе эксплуатации предлагается реализовать два варианта придания объекту свойства контролепригодности:

1) с изменением текущей конфигурации объекта диагностирования, что потребует временного исключения объекта из рабочей конфигурации РИУС;

2) без изменения текущей конфигурации объекта диагностирования (реконфигурация его диагностической модели в устройстве управления (менеджере), что не потребует исключения объекта из рабочей конфигурации системы управления.

Далее предлагается следующий алгоритм реализации контролепригодного проектирования (на этапе эксплуатации – реконфигурирования).

72

1.Формирование требований к показателям надежности, на основании которых строятся перечень дефектов и диагностическая модель объекта.

2.Составление проверяющих тестов, построениеалгоритмадиагностирования.

3.Реконфигурация объекта (или его диагностической модели).

4.Тестирование и сбор диагностических данных, после чего (при необходимости) возврат к рабочей конфигурации СУ.

5.Обработка и дешифрация результатов диагностирования.

6.Принятие решения о техническом состоянии объектов диагностирования.

7.Формирование перечня корректирующих и предупреждающих действий. Ниже приводятся результаты решения частных задач повышения контроле-

пригодности элементов и устройств РИУС на этапах их разработки, внедрения

иэксплуатации.

3.2.Контролепригодное проектирование диагностической модели элемента РИУС как объекта контроля

3.2.1. Основные подходы к проектированию контролепригодной структуры функциональной диагностической модели

Задачи разработки иерархической структуры диагностической модели объекта диагностирования – элемента системы управления (определение количества, формулировок и взаимосвязи ЭФ), выбора средств их контроля (контролирующих мероприятий и диагностический тестов) решает специалист-диагност при разработке информационного и методического обеспечения сопровождающей системы тестового диагностирования. Недостаточный опыт проектирования таких систем в увязке со сложными гетерогенными мультивендорными многофункциональными объектами контроля (элементами и устройствами РИУС), а также сравнительно малое количество нормативно-методической документации и научнопрактических публикаций приводят зачастую к формальному, поверхностному решению указанных задач. При произвольном построении диагностических моделей, как правило, не учитываются методы и алгоритмы диагностирования степени выполнения ЭФ, что проявляется как:

–отсутствие общих подходов к созданию и анализу методического и алгоритмического обеспечения систем контроля результатов тестового диагностирования (сложность или невозможность определения степени выполнения ЭФ с заданной точностью, затруднение поиска ЭФ с недостаточной степенью выполнения и т.д.);

–избыточность средств контроля («перегруз», дублирование проверок

ит.д.);

–неравномерные (при равнозначных ЭФ) или не соответствующие важности (при неравнозначных ЭФ) количество и трудоемкость средств контроля;

–выбор неэффективных средств контроля для различных групп ЭФ и т.д.

73

При этом взаимоучет указанных факторов приводит к необходимости контролепригодного проектирования компонентов диагностической модели на уровне элементарных функций. Термин «контролепригодное проектирование» заимствован из технической диагностики и обозначает синтез объекта диагностирования с учетом требований диагностирования, облегчающих решение задачи контроля и поиска дефектов в объекте [35]. Анализ отечественных и зарубежных публикаций показал недостаточность публикаций по решению указанной задачи в сформулированной постановке [101].

Ранее предложена иерархическая функциональная диагностическая модель элемента РИУС, в которой выделены виды обеспечения и их реализация до уровня элементарных функций, которые являются объектами диагностирования и контроля. В связи со сложностью элементарных функций и проверяющих правильность (степень) их выполнения тестов возникает проблема обеспечения их взаимоувязанности (учет свойств объекта диагностирования при построении тестов, а также характеристик тестов при выделении объектов диагностирования – для данной диагностической модели это формулировки и содержание элементарных функций). Поэтому классификацию подходов к формированию иерархической структуры диагностической модели объекта контроля выполним по критерию ее взаимоувязанности с реализуемыми в рамках системы диагностирования методами и средствами диагностирования. Выделим два подхода к формированию диагностической модели и средств диагностирования: при первом не учитывается взаимное влияние содержания и количественных характеристик диагностической модели и средств контроля; во втором реализуется контролепригодное проектирование иерархической структуры диагностической модели. При этом учитываются взаимосвязь и взаимовлияние объектов диагностирования и средств контроля (тестов), которые обусловливают:

–использование выбранных методов диагностирования (процедур поиска ЭФ с недостаточной степенью выполнения – нЭФ);

–подбор средств контроля (тестов) заданного вида;

–удовлетворение требований к точности и простоте алгоритма дешифрации результатов диагностирования;

–снижение сложности расчета интегродифференциального критерия оценки степени выполнения ЭФ;

–введение ограничений на количественные показатели иерархической структуры;

–задание формата таблицы диагностирования;

–соответствие содержания и функциональности элементов проверяемой системы управления графику процедур диагностирования и т.д.

Далее представлен подход к определению, выбору и взаимосвязи компонентов иерархической структуры диагностической модели объектов контроля, а также подбору наиболее эффективных способов их контроля и оценки. При этом ис-

74

пользованы результаты автора, полученные для решения задач диагностирования в смежных предметных областях [68, 149].

Целью настоящего подраздела является решение частной задачи анализа и выбора способа придания компонентам диагностической модели свойства контролепригодности. Выполняемое при этом совместное итеративное проектирование иерархической структуры и средств контроля позволит повысить качество контроля, которое однозначно отразится на повышении степени выполнения функций и качества функционирования соответствующих им видов обеспечения элемента системы управления.

3.2.2.Проектирование контролепригодной структуры функциональной диагностической модели

После составления диагностической модели необходимо выбрать средства контроля (элементарные проверки, тесты) для сформулированных атомарных объектов контроля – ЭФ. В общем случае, без учета методов диагностирования, общее количество ЭФ во многом определяет выбор способов формирования и средств контроля. Поэтому для первой итерации проектирования (результаты которой на следующих этапах будут скорректированы с учетом выбранных методов диагностирования степени выполнения ЭФ и вышележащих уровней модели) логично ограничивать число ЭФ, избегая излишнего дробления или объединения.

Средство контроля, как правило, представляет собой обобщенный последовательный тест (ОПТ), состоящий из совокупности последовательно реализуемых элементарных проверок. Характер теста во многом определяется видом обеспечения, которое он проверяет.

Сформулированные элементарные функции и выбранные средства контроля связаны через таблицу диагностирования. Таблица диагностирования определяет, какими функциональными тестами контролируется каждая ЭФ и какие ЭФ контролирует каждый тест. Таким образом, определяются покрытия для каждой элементарной функции (ПЭ) и каждого теста (ПТ). Можно отметить взаимное влияние формулировок ЭФ и средств контроля друг на друга. С одной стороны, по заданным формулировкам ЭФ подбираются и закрепляются тесты, формируя покрытие таблицы. С другой стороны, выбрав совокупность тестов, с учетом реализации процедур тестового диагностирования, ориентацией на заданную глубину (точность) поиска и т.д. можно подобрать требуемую структуру диагностической модели (количество и формулировки ЭФ). Задача в указанной постановке в тех-

нической диагностике решается при контролепригодном проектировании, т.е. при придании объекту контроля свойств, в дальнейшем облегчающих процедуру и повышающих качество диагностирования его состояния. Для рассматриваемого объекта контроля (ЭФ) свойство контролепригодности структуры заключается, например:

75

–в возможности использования выбранных методов диагностирования (процедур поиска ЭФ с недостаточной степенью выполнения – нЭФ);

–подборе средств контроля (тестов) заданного вида;

–удовлетворении требований к точности и простоте алгоритма дешифрации результатов диагностирования;

–снижении сложности расчета интегродифференциального критерия оценки степени выполнения ЭФ;

–введении ограничений на количественные показатели структуры;

–задании пороговых значения покрытия таблицы диагностирования и т.д. Укажем, что таблица диагностирования имеет две стадии заполнения:

–на этапе разработки диагностической модели: для установления соответствия между ЭФ и контролирующими их тестами (установление покрытия);

–на этапе диагностирования: для фиксации результатов текущего контроля степени выполнения ЭФ (реакции на тесты в двузначном или многозначном алфавитах).

Далее будут рассмотрены варианты покрытия таблицы диагностирования в процессе реализации первой стадии ее заполнения.

Каждый вариант покрытия таблицы диагностирования характеризуется определенными характеристиками, по которым их можно сравнивать друг с другом.

Вкачестве примеров указанных характеристик можно привести следующие:

–максимальное, минимальное и среднее покрытие ЭФ, характеризующее количество контролирующих ее тестов и косвенно определяющее трудоемкость оценивания (например, временные, технические, кадровые и другие ресурсы);

–максимальное, минимальное и среднее покрытие теста, характеризующее количество контролируемых им ЭФ и косвенно определяющее сложность построения, процедуры тестирования и дешифрации результатов;

–особенности применения процедуры обнаружения и/или процедур безусловного или условного поиска ЭФ с недостаточной степенью выполнения;

–глубина (точность) локализации ЭФ с недостаточной степенью выполнения в совокупности с затраченными ресурсами и т.д.

Иерархическую структуру диагностической модели задает специалистдиагност, основываясь на информации о системе управления и ее элементах, заданной системе ограничений и рекомендаций, методах оценивания и алгоритмах диагностирования степени выполнения ЭФ. Поэтому задача проектирования структуры – нетривиальная, а способ ее решения – итеративный.

Средства контроля позволяют выявить и оценить степень выполнения ЭФ по заданной шкале оценивания с использованием выбранного метода диагностирования. Для общности терминов и компактности в дальнейшем будем обозначать средства контроля понятием «тест» (от слова англ. test — «испытание», «проверка»). Тест содержит элементарные проверки, которые могут быть сформулированы в явном виде (например, запросы, действия и т.д.), а может сам пред-

76

ставлять результат и быть объектом оценивания (например, лог-файл, карта сети, фрагмент базы данных оборудования и т.д.). Применение единой терминологии будет востребовано при разработке методов контроля, основанных на тестовом диагностировании.

По принадлежности к контролю определенной группы функций примем сле-

дующие обозначения – тесты интерфейсных функций (ТИФ), тесты обрабатывающих функций (ТОФ), тесты трансформирующих функций (ТТФ). В общем случае будем полагать, что каждая группа функций контролируется тестами, не участвующими (или игнорируемыми) в проверке других групп функции (поэтому выше введены обозначения тестов для рассматриваемой диагностической модели). Это позволяет говорить о прямых методах измерений, в которых для каждой группы функций выбран наиболее соответствующий, целостно и объективно контролирующий ее вид тестов. Для уменьшения избыточности, а также для повышения точности диагностирования могут быть применены косвенные методы измерений, которые основываются на том, что функции из одной группы могут дополнительно контролироваться тестами функций из других групп.

Ранее введены понятия простой тест, составной тест, сложный тест.

Анализируя приведенную классификацию, можно указать, что для тестов интерфейсных функций больше подходят простые и составные тесты, для тестов обрабатывающих и трансформирующих функции – составные и сложные тесты. Как будет показано ниже, вид теста влияет на выбор формата таблицы диагностирования, а также на алгоритмы и методы контроля и оценки степени выполнения ЭФ.

3.2.3. Анализ вариантов построения таблиц диагностирования элементарных функций

Рассмотрим базовые варианты структуры (форматов) (основные (граничные) – 1, 2, 3 и комбинированный – 4) таблиц диагностирования однотипных элементарных функций общим количеством h и выбранных средств их контроля общим количеством H (в соответствии с общим форматом, приведенным в таблице диагностирования). В табл. 3.1, 3.2, 3.3 для упрощения восприятия участие теста Тj в проверке элементарной функции Эi указано символом «*», подразумевая в дальнейшем (после реализации теста) размещение в данной ячейке соответствующих результатов тестирования и оценок. Для каждой строки рассчитывается значение «покрытие элементарной функции» (V), которое определяется как количество тестов, участвующее в контроле данной ЭФ. Для каждого столбца рассчитывается значение «покрытие теста» (W), которое определяется как количество элементарных функций, контролируемых данным тестом.

Далее рассмотрены примеры базовых (граничных) и комбинированного вариантов построения таблиц диагностирования:

– с полным единичным покрытием элементарных функций (еПЭ) и тестов (еПТ) (h = H, см. табл. 3.1, обозначение «еПЭ & еПТ»: каждый тест контролирует свою ЭФ (участие теста в контроле других ЭФ отсутствует либо игнорируется));

77

–с единичным покрытием элементарных функций (еПЭ) и неединичным покрытием тестов (неПТ) (h > H, см. табл. 3.2, обозначение «еПЭ & неПТ»: каждая ЭФ контролируется только одним тестом, но один тест может контролировать несколько ЭФ);

–с неединичным покрытием элементарных функций (неПЭ) и единичным покрытием тестов (еПТ) (h < H, см. табл. 3.3, обозначение «неПЭ & еПТ»: каждый тест контролирует только одну ЭФ, но одна ЭФ может контролироваться несколькими тестами).

Вариант 1. Полное единичное покрытие. Предполагается построение таб-

лицы диагностирования с единичным покрытием каждого теста (Wj = 1, j [1; H], где H – количество тестов) и каждой элементарной функции (Vi = 1, i [1; h], где h – количество элементарных функций). Пример формата полного единичного покрытия приведен в табл. 3.1.

Достоинства:

–каждый тест относится к определенной категории – ТИФ, ТОФ или ТТФ, поэтому реализуются прямые методы измерений;

–АИДКО степени выполнения каждой ЭФ составляется из результата реализации соответствующего теста, что не требует расчета весовых коэффициентов, исключает явление «компенсации» одних результатов другими (отличие интегральной оценки от одной или нескольких дифференциальных) и таким образом позволяет максимально точно определить оценку.

Недостатки:

–для сложных тестов сложно выделить только одну контролируемую им элементарную функцию и игнорировать их участие в контроле других элементарных функций;

–однозначная зависимость количества тестов и элементарных функций может привести к необоснованному разрастанию структуры.

Область целесообразного применения:

–количество средств контроля (тестов), совпадающее с количеством ЭФ;

–соответствие каждой ЭФ индивидуального теста (или участие которого в проверке других ЭФ игнорируется);

78

–наличие в составе средств контроля простых тестов;

–как правило, для проверки интерфейсных функций.

Вариант 2. Единичное покрытие элементарных функций и неединичное по-

крытие тестов. Предполагается построение таблицы диагностирования с единичным покрытием каждой элементарной функции (Vi = 1, i [1; h], где h – количество элементарных функций). Пример формата единичного покрытия элементарных функций и неединичного покрытия тестов приведен в табл. 3.2.

Таблицу диагностирования с единичным покрытием элементарных функций и соответствующую ей структуру можно получить, проведя декомпозицию ЭФ и синтез составных тестов из простых. Пример преобразования приведен в табл. 3.2, построенной из табл. 3.1. В ней Э1 из табл. 3.1 декомпозирована на Э1' и Э4' в табл. 3.2, а Э2 из табл. 3.1 декомпозирована на Э2' и Э5' в табл. 3.2. В данном случае затрудняется (усложняется) процедура локализации дефекта каждым из покрываемых тестом элементарных функций, что приводит к необходимости дополнительной дешифрации результатов тестирования. Это сводится либо к дешифрации результатов тестирования, либо к декомпозиции тестов (для примера в табл. 3.2 – Т1' декомпозируется на Т11, проверяющий Э1', и Т14, проверяющий Э4'; Т2' – на Т22 и Т25). Таким образом, происходит формальное увеличение общего количества тестов (в рассматриваемом примере до значения H = H + (h – H)) = 3 + (5 – 3) = 5), что сводит данный вариант к варианту 1 с указанными для него достоинствами и недостатками.

Достоинства:

–позволяет под частично заданные средства контроля выбрать наиболее детализированные и соответствующие формулировки ЭФ;

–первоначальное количество тестов сравнительно небольшое.

Недостатки:

–необходимость реализации процедуры дешифрации общего результата теста на результаты относительно каждого из контролируемых им ЭФ, которые при единичном покрытии элементарных функций и будут ИДКО их степени выполнения;

–тесты должны быть составными или сложными.

Область целесообразного применения:

–достаточно детализированные формулировки ЭФ, что вызывает необходимость контроля составными (сложными) тестами;

–количество тестов, меньшее количества ЭФ (небольшое число средств контроля для расширенной структуры диагностической модели);

–наличие в составе средств контроля составных и сложных тестов;

–текущий контроль с помощью условных процедур диагностирования.

Вариант 3. Неединичное покрытие элементарных функций и единичное по-

крытие тестов. Предполагается построение таблицы диагностирования с единичным покрытием каждого теста (Wj = 1, j [1; H], где H – количество тестов).

79

Пример формата неединичного покрытия элементарных функций и единичного покрытия тестов приведен в табл. 3.3.

Таблицу диагностирования с единичным покрытием тестов и соответствующую ей структуру ДМ можно получить, проведя объединение ЭФ. Пример преобразования приведен в табл. 3.3, построенной из табл. 3.1. В ней Э2 и Э3 из табл. 3.1 объединены в Э2'' в табл. 3.3. Каждый тест покрывает (контролирует) только один элемент, при этом часть элементарных функций проверяется несколькими тестами (пример приведен в табл. 3.3 – элементарная функция Э2). При этом очевидно, что тесты контролируют разные составляющие (свойства, части содержания или структуры и т.п.) элемента, следовательно, необходима декомпозиция элементарной функции (для примера в табл. 3.3 – Э2'' декомпозируется на Э21, проверяемой тестом Т2'', и Э22, проверяемый тестом Т3''. Таким образом, происходит формальное увеличение общего количества элементарных функций (в рассматриваемом примере до значения h'' = h + (H – h)) = 3), что сводит данный вариант к варианту 1 с указанными для него достоинствами и недостатками. Это приводит к искусственному расширению (усложнению) структуры диагностической модели, и не всегда приемлемо. Если не проводить декомпозицию элементарных функций, то это будет означать, что одна элементарная функция контролируется несколькими тестами, что в некоторых случаях может быть признано избыточным, а оценка степени выполнения каждой элементарной функции складывается из результатов нескольких контролирующих его тестов с учетом их взаимовлияния (компенсации одних результатов другими).

Достоинства:

–тесты простые;

–дешифрация результатов не требуется из-за свойств простых тестов;

–компактная компонентная структура (небольшое количество ЭФ). Недостатки:

–для определения степени выполнения ЭФ требуется построение ИДКО вследствие неединичного покрытия элементарных функций;

–возникает задача расчета весовых коэффициентов дифференциальных критериев в составе интегрального.

Область целесообразного применения:

–укрупненные формулировки ЭФ, которые вызывают необходимость их контроля (или контроля их составляющих) несколькими тестами;

–количество тестов, большее количества ЭФ (большое число средств контроля для компактной структуры ДМ);

–наличие в составе средств контроля простых тестов.

Вариант 4. Комбинированное покрытие: для любого соотношения h и H по-

крытие может превышать единичное.

Обобщенный случай объединяет все особенности вариантов 1, 2 и 3 и является наиболее часто встречающимся на практике при реализации условных про-

80