主从多机通信系统可靠性建模的研究案例一要求V6.docx

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主从多机通信系统可靠性建模的研究案例一要求V6

主从多机通信系统可靠性建模研究案例一：

一个RS485多机通信系统的可靠性评估的建模和仿真

基本条件和实验要求（2011-3-9更新）

1．词汇表1

2．物理模型3

3．理论假设、基本参数4

3.1关于部件划分和元件组合方式4

3.2关于发生故障的概率和人工排除故障所需的时间5

3.3关于故障后果5

3.4其他5

4．理论模型6

5．仿真实验要求7

6．附录：

仿真算法及模型提示8

6.1利用马尔可夫链建立仿真算法模型8

6.2元件的状态转移机模型8

6.3统计样本数量9

6.4微小概率事件的影响9

6.5故障后果判别9

6.6随机数发生9

6.7关于仿真算法设计10

1．词汇表

元件

部件的基本构成单位，也是模型中系统的最小组成单位，具有“原子性”，不对其分割研究。

部件

由一个或多个元件构成。

在模型中构成一个部件的元件组合方式具有“单纯性”，即只能是以下三种情形之一：

串联组合、并联组合、k-out-of-n组合。

多个部件可以组合为具有一定功能的子系统。

子系统

由若干部件构成，能完成一组特定功能。

为讨论方便，模型中整个系统被划分为5个子系统：

通信主机子系统、集线器子系统、三个相互独立的通信从机子系统。

串联组合

参与组合的所有元（部）件之一失效，则整体失效。

并联组合

参与组合的所有元（部）件全部失效，则整体才失效。

k-out-of-n组合

参与组合的所有n个元（部）件中，若至少有k个正常，则整体正常；换言之，多于（n-k）个同时失效，则整体才失效。

这类似一种投票机制。

系统故障

系统内若存在有处于失效状态的部件，则认为有系统故障。

重大系统故障

系统运行中的下述情形，列为重大系统故障。

这些情形可能同时并存。

●通信主机子系统失效或无法通信（双机热备时，双机同时失效或无法通信）。

●集线器发生故障。

●因某个通信从机的某类特定故障，引发通信总线阻塞，整个通信网络瘫痪。

●三个通信从机子系统中，有两个或两个以上同时失效或无法通信。

一般系统故障

除列为重大系统故障之外的其他故障系统。

（通信）总线阻塞

系统中的通信总线是各通信机间的共享信道。

在同一时刻，至多只能有一台通信机的接口电路工作于发送信息状态，并占用信道。

当某台通信机出现特定故障，使其通信接口电路无法退出发送状态，会造成通信总线阻塞。

此时，因信道被占用，其他处于正常状态的通信机间也无法进行通信。

双机热备份

通信主机子系统可配置为双机热备份，实现冗余容错。

结构相同的双机同步运行。

正常情况下，一台为主用机，承担完整的信息输入处理和控制信号输出职责；一台为备用机，仅有信息输入，控制信号输出通路被切断。

当主用机发生故障时，主备职责自动倒换，可保持子系统整体不失效。

需要指出的是，由于是热备份，所以处于备用状态的主机也在实际运行，运行中也可能出现故障状态，甚至需要人工修复。

2．物理模型

图1基本配置下系统的组成

被研究的系统为一个“1主3从”通信系统。

在基本配置下，其组成示意图如图1。

系统中有1台通信主机和3台通信从机。

所有通信主/从机使用共享信道建立物理连接。

典型的实例如RS485标准的总线结构。

在该通信系统的传输协议中有以下规定：

●每台通信机拥有唯一的地址标识

●仅主机拥有发起对话的权限，主机与从机之间可进行“主问从答”式对话

●从机与从机间不进行对话

●必须保证在同一时刻，至多只有一台通信机占用信道发送信息，其余通信机处于接收监听状态

每台通信机内部有两块电路板：

控制电路板和接口电路板。

控制电路板上有微处理器，运行相应的软件程序。

接口电路板负责与通信总线联系，它的某类故障，会引发总线阻塞。

光电隔离器完成电-光-电信号转换，通过电气隔离增加安全性。

其内部采用了提高可靠性为目的的元件冗余设计。

光电隔离器无法阻止接口电路故障引发的总线阻塞。

集线器是一个通信线缆的汇接装置。

根据了解，为提高该系统的可靠性，实际可能采取的工程措施有以下三项。

●措施1：

微处理器中引入Watchdog机构

当软件程序因自身缺陷或硬件不稳定，引起程序运行不正常，此时若能被Watchdog机构侦测到，可以触发硬件复位信号，重新启动程序。

不过，Watchdog并不能成功侦测所有的程序不正常状态。

●措施2：

防止接口电路板故障阻塞总线

通过特别的电路设计（比如图2的例子），可以防止接口电路故障导致总线阻塞。

[提示：

图2的电路仅供参考，具体工作原理与完成课程设计任务没有直接关联。

]

图2防止总线阻塞的电路方案

●措施3：

主机的双机热备

通信主机在系统中至关重要，可以采取冗余设计，提高系统的容错运行能力。

双机热备配置下，系统组成示意图如图3。

图3主机热备配置下系统的组成

3．理论假设、基本参数

3.1关于部件划分和元件组合方式

●控制电路板可看作两个部件组成：

“控制硬部件”对应硬件电路部分，“控制软部件”对应软件程序部分。

●控制硬部件可看作由35个统计特性独立元件构成，并适用串联组合。

●控制软部件可看作单元件构成。

●未使用措施2前，接口电路板可看作由10个统计特性独立元件构成的“接口部件”，并适用串联组合；使用措施2后，接口电路板可看作由15个统计特性独立元件构成的“接口部件”，并适用串联组合。

●光电隔离器可看作由5个统计特性独立元件构成的“光隔部件”，其中任意3个元件无故障即能使该部件正常发挥效能，适用k-out-of-n组合，k=3，n=5。

●集线器可看作由7个统计特性独立元件构成的“集线器部件”，并适用串联组合。

3.2关于发生故障的概率和人工排除故障所需的时间

●所有元件连续无故障运行时间

的概率密度分布都遵从负指数分布

其中

为常数，对不同的元件可以取不同的值。

●构成控制硬部件、接口部件、集线器部件的所有元件特性满足独立同分布，对应参数

●构成控制软部件的单元件，对应分布参数

●构成光隔部件的所有元件特性满足独立同分布，对应参数

●对故障进行人工修理，排除故障所需花费的时间

是随机变量，其概率密度分布遵从负指数分布

其中

。

3.3关于故障后果

●控制硬部件、集线器部件、接口部件组成元件的故障需要依靠人工修复。

●未采取措施1时，控制软部件组成元件的故障需要依靠人工修复；采取措施1以后，控制软部件组成元件的故障中有97%可以通过自动重启恢复（故障状态的持续时间可认为1小时），还有3%的故障需要依靠人工修复。

●未采取措施2时，接口部件组成元件的故障中有7%会引发总线阻塞；采取措施2以后，可完全避免引发总线阻塞，但并不能降低元件故障发生率。

●未采取措施3时，通信主机子系统一旦有故障即刻完全失效。

●采取措施3以后，在互为备份的双机同时失效时，子系统失效，即双机适用并联组合。

但这不是严格意义上的并联组合，如果未同时采取措施2，双机热备配置中的单机接口电路硬件故障的引发总线阻塞，仍会造成系统失效。

●光隔部件组成元件的故障可以自动恢复（故障状态的持续时间可认为1小时）。

3.4其他

●以“小时”为仿真试验的最小颗粒，即时间递推步长。

4．理论模型

根据前文中各项假设建立的理论模型可以图4和图5表示。

图4无双机备份的系统理论模型

图5双机备份的系统理论模型

5．仿真实验要求

根据前文提出的理论假设、基本参数和理论模型，确立仿真算法，利用蒙特卡洛法模拟N套同型系统连续运行10年的各种状况。

分别在

1）不采取措施1、2、3；

2）单独采取措施1；

3）单独采取措施2；

4）单独采取措施3；

5）同时采取措施1、2、3

这5种情形下，求解以下系统指标：

●（10年中）人工修理平均次数

（注解：

“修理”是作用于单个元件的，任一元件发生一次需要人工修复的失效，则计一次修理。

一个部件中多个元件同时失效要修理，计多次。

）

（提示：

如果系统有内部元件并联组合的部件，则发生修理未必就有系统故障）

●（10年中）系统故障平均发生次数

（注解：

对于系统，原因不同的两个或多个故障，如果首尾相连或重叠发生，则视作同一次系统故障。

）

（提示：

由于k-out-of-n组合的光隔部件，其元件故障可以自动恢复，则有系统故障未必就要修理）

●（10年中）重大系统故障平均发生次数

（注解：

对于系统，原因不同的两个或多个重大系统故障，如果首尾相连或重叠发生，则视作同一次重大系统故障。

）

（提示：

若“重大故障-一般故障-重大故障”如此首尾相连发生，则按系统故障计次为1次，按系统重大故障计次为2次，但此类情况发生概率微小。

）

●（10年中）平均无故障运行时间

（注解：

假定被测的任意一个系统在10年中的无故障运行总时间为

小时，

，共

个被测系统，则约定

平均无故障运行时间=

小时）

●平均连续无故障运行时间（MTBF，meantimebetweenfailure）

（注解：

假定被测的任意一个系统在10年中发生

次故障，

，连续无故障运行的完整时间段落有

个，每段时间分别为

小时，

，则约定

平均连续无故障运行时间=

小时）

●平均连续无重大故障运行时间

（注解：

假定被测的任意一个系统在10年中发生

次重大故障，

，连续无重大故障运行的完整时间段落有

个，每段时间分别为

小时，

，则约定

平均连续无重大故障运行时间=

小时）

并通过定量指标的对比，评价各项措施的使用对提高系统可靠性所起的效果。

已给定的理论假设原则上不能改动，但这些假设条件未必完备，如有必要可自行定义和增加。

将研究结果写成研究报告，格式自拟，篇幅限定在A4纸6页以内（正文五号字体）。

可以将本文列为关联文挡加以引述，适当减少图文重复，把主要篇幅用作描述自行完成的工作。

6．附录：

仿真算法及模型提示

6.1利用马尔可夫链建立仿真算法模型

由于元件故障概率都假定为负指数分布，很适合应用马尔可夫链建立仿真算法。

最直观的做法是为每个元件建立状态转移机模型。

然后根据元件状态推定部件状态，根据部件状态推定子系统和系统状态。

6.2元件的状态转移机模型

（1）以集线器部件的组成元件为例，可设计出如附图1的状态机模型

附图1元件状态机1

附图1中，

。

（2）在采取措施1的情况下，对控制软部件的组成元件可设计出如附图2的状态机模型

附图2元件状态机2

附图2中，

。

6.3统计样本数量

必须保证有数量足够的统计样本，才能得到比较准确的结论。

建议至少应仿真测试100个样本系统。

6.4微小概率事件的影响

当样本数量不大时，要密切关注实验中是否发生微小概率事件。

比如，假定我们只仿真测试10个样本，在实验中又恰好出现过双机备分通信主机失效的情况，相对于这10个样本而言，该状况属于微小概率事件，会使实验统计结果发生严重偏离。

对哪些事件在哪些情况下构成微小概率事件，应事前适当研究，以便采取对策——或增加试验样本数量，或剔除发生此类事件的样本。

使用后一项对策时，须十分谨慎。

6.5故障后果判别

仿真过程中，对当前的系统故障需要判别其后果，比如判断是否构成“重大系统故障”，是否会造成总线阻塞，等等。

有兴趣的同学可以自学并采用“故障树”判别法，该方法通常可以使逻辑结构显得比较紧凑高效。

6.6随机数发生

基于蒙特卡洛法的仿真实验中，各概率事件都需要通过发生随机数来模拟。

本项课题中，所涉及到的概率数值比较小，所以需要使用大周期数的随机数序列，推荐运用MATLAB。

一般的C语言标准随机数函数所提供的伪随机序列周期比较短，可能无法满足本项课题研究的需要！

6.7关于仿真算法设计

关于本课题的仿真算法设计及其实现方法是比较多的，下面一个思路供大家参考。

1、系统模型的最小（“原子”）组成单位是元件。

当每一个元件的状态都确定的情况下，各个部件、子系统，乃至整个系统的状态都可以依次推定。

2、程序可以按以下顺序执行

（1）为每个元件建立状态机，模拟一个元件每一小时的状况变化；

（2）按组合规则，根据每个部件的组成元件的状态，推定该部件的状况；

（3）（必要时）按组合规则，根据每个子系统的组成部件的状态，推定该子系统的状况；

（4）按组合规则或工作原理，根据每个子系统或部件的状态，推定整个系统的状况；同一时间系统内可能存在多个故障点，根据约定规则评估当前系统的可靠性状态（无故障、一般故障、严重故障）；

（5）记录和统计运算。

不断重复

（1）-（5），模拟一个样本系统一小时复一小时的运行中出现的状况变化，直至达到年限。

这样就完成了针对一个样本系统故障事件发生的仿真。

3、对足够多的样本系统进行测试，统计测算各项指标。