Software & Systems

Современный уровень развития систем управления привел к интеграции программного обеспечения (ПО) в состав систем данного класса. Обусловлено это тем, что функции обработки данных и выдачи соответствующих управляющих воздействий обеспечиваются программными средствами, поскольку процесс управления может вовлекать сложные расчеты данных большого объема, проведение которых только на аппаратной базе нецелесообразно.

Область применения систем управления определяет требования к уровню надежности этих системам. При обработке информации посредством ПО от его надежности зависит непосредственно надежность всей системы управления. Таким образом, задача обеспечения заданного уровня надежности программных средств является одной из важных при формировании высоконадежных систем управления.

Наиболее перспективным подходом к обеспечению высокой надежности и отказоустойчивости программных средств является мультиверсионное проектирование. Данная методология основывается на принципе программной избыточности, введение которой позволяет не только существенно повысить уровень надежности программной составляющей систем управления, но и гарантировать отказоустойчивость последних.

Большое количество модулей ПО сложных систем управления, их дополнительные версии и ограничения реального мира (стоимость, объем оперативной памяти) ставят перед проектировщиком задачу выбора оптимального состава мультиверсионного ПО системы управления с учетом ряда критериев.

Выбор лучшего варианта состава из множества возможных реализаций позволяют произвести методы многокритериального принятия решений, ориентированные на класс задач, где множество альтернатив дискретно и конечно. Однако зачастую в задачах принятия решений невозможно найти наилучший вариант, так как результатом работы метода принятия решений является множество недоминируемых альтернатив. В этом случае выбор лучшего варианта производит лицо, принимающее решение (ЛПР).

Формирование состава ПО отказоустойчивых систем управления в случае, когда выбор лучшего варианта производит ЛПР, затруднительно без средств автоматизации принятия решений. В связи с этим предлагается использовать систему поддержки принятия решений, которая позволяет найти оптимальный вариант состава ПО отказоустойчивой системы управления (см.: Программная система «NV-DMSS v1.0». М.: ВНТИЦ. 2004. №50200401373).

Разработанная система при создании мультиверсионной структуры ПО служит инструментарием для проектировщика отказоустойчивых систем управления, в состав которых входит данное ПО.

Данная система позволяет рассмотреть различные варианты состава систем управления, в которых могут быть использованы готовые версии программных компонент. Кроме этого, проектировщику предоставляется возможность назначения уровня надежности каждой версии с целью учета возможного возникновения сбоев в версиях программных модулей при функционировании проектируемой системы управления в реальных условиях.

Одной из основных проблем оценки и выбора состава системы управления является предоставление решений, полученных на основе доступных программных компонент, в виде, понятном и доступном проектировщику. Используя предоставленные модули, он может при помощи данной системы задать последовательность их выполнения и определить объем вводимой программной избыточности модулей.

Достоинством системы поддержки принятия решений является гибкий, удобный и интуитивно понятный интерфейс.

Входные данные всех версий одного модуля идентичны. Это достигается применением метода мажоритарного голосования в блоке контроля, с которого данные подаются на вход каждого модуля (см.: Р.Ю. Царев. Многоатрибутивное принятие решений в мультиверсионном проектировании. Красноярск. 2005). Получив вычисленные значения от различных версий модуля, блок контроля по большинству голосов определяет правильный результат. Разумеется, для этого в системе должно использоваться не менее трех версий каждого модуля. С увеличением количества версий модуля надежность исполнения модуля и всей системы управления увеличивается.

Следует отметить, что выходные данные одного модуля должны соответствовать по типу и количеству входным данным другого модуля, принимающего от первого результаты его вычислений. При функционировании мультиверсионного ПО отказоустойчивой системы управления модули исполняются последовательно. Поэтому очередность модулей системы является важным моментом. Для проверки соответствия выходов предшествующих модулей входам последующих в системе поддержки принятия решений предусмотрен механизм проверки этих данных. В случае несоответствия открывается диалоговое окно, содержащее информацию о модулях и несоответствующих данных.

Выбор оптимального состава версий программных модулей, используемых в системе управления, выполняется с помощью методов многокритериального принятия решений. В системе поддержки принятия решений реализованы следующие методы: линейный метод назначения, метод простого суммарного взвешивания, ELECTRE, TOPSIS.

Применение ряда методов обеспечивает многовариантность решений. Данные методы позволяют провести ранжирование возможных вариантов формирования системы управления. При ранжировании используются значения характеристик модулей. При этом, как правило, указанные методы неоднозначны в оценке различных вариантов состава. В частности, данная система поддержки принятия решений была использована при модернизации информационно-управляющей системы оделения Фдерального казначейства по г. Красноярску.

При сужении всего множества возможных вариантов формирования были получены одиннадцать недоминируемых альтернатив. Отдать предпочтение какой-ибо из них ЛПР без средств автоматизации было бы сложно. Применение методов дало следующие результаты: лнейный метод назначения: 2, 7, 1, 4, 3, 5, 6, 8, 9, 11, 10; метод простого суммарного взвешивания: 2, 7, 3, 1, 4, 5, 8, 6, 9, 10, 11; ELECTRE: 7, 2, 1, 3, 4, 8, 6, 5, 9, 10, 11; TOPSIS: 2, 7, 1, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11.

Альтернативы здесь представлены в порядке уменьшения предпочтительности.

На основе полученных результатов ЛПР заключило, что вторая альтернатива наиболее предпочтительна, поскольку большинство методов определило ее ранг наивысшим.

Из примера видно, что многовариантность решений позволяет принять объективное решение при выборе лучшей альтернативы. Так, если бы оценка производилась исключительно при помощи метода ELECTRE, то предпочтение было бы отдано седьмой альтернативе, чему противоречит выбор, проведенный согласно остальным трем методам принятия решений, входящим в систему поддержки принятия решений. Применение предлагаемой системы при модернизации информационно-управляющей системы отделения Федерального казначейства по Красноярску привело к тому, что показатель надежности составил 99,8163%, что на 0,72% выше существующего значения в организации; время простоя в случае отказа сократилось с 4,58 часов в год до 36,66 минут в год. Кроме того, оценка экономического эффекта от модификации данной информационно-уп­равляющей системы показывает, что в случае отказа общие расходы будут снижены на 279861,35 руб.

Благодаря применению методологии избыточности не только значительно повышается надежность ПО, но и вся система управления, в которой оно используется, приобретает свойство отказоустойчивости. В случае формирования мультиверсионого ПО системы управления даже из ненадежных версий сама система обладает устойчивостью к сбоям и отказам. Таким образом, системы данного типа могут применяться в различных областях науки и производства, где их функционирование происходит в критических условиях.