ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN ANH KHIÊM
NGHIÊN CỨU CÁC PHƢƠNG PHÁP NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY
CHO HỆ THỐNG TÍNH TOÁN QUA CẤU TRÚC HỆ THỐNG LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN
Ngành: Công nghệ Thông tin
Chuyên ngành: Kỹ thuật phần mềm
Mã số: 60480103
LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TIẾN SĨ LÊ QUANG MINH
Hà Nội – 2014
1
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành chương trình khóa cao học và viết luận văn này,tôi đã nhận
được sự hướng dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của quý thầy cô trường Đại học
Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội.
Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Lê Quang Minh –
quan của các tác giả, tôiđã ghi rõ nguồn gốc tài liệu tham khảo và đƣợc liệt kê
tại phần tài liệu tham khảo ở cuối luận văn. Học viên
Nguyễn Anh Khiêm 3
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH VẼ 6
CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11
1.1 Khái niệm cơ bản về độ tin cậy 11
1.1.1 Tổng quan về độ tin cậy 11
1.1.2 Định nghĩa về độ tin cậy 11
1.2Những khái niệm cơ bản 12
1.2.1 Phần tử không phục hồi 12
1.2.2 Phần tử phục hồi 17
1.3Phƣơng pháp tính giá độ tin cậy của hệ thống qua cấu trúc hệ thống 20
1.3.1 Sơ đồ khối tin cậy của hệ thống 20
1.3.2 Hệ thống các phần tử nối tiếp 21
1.3.3 Hệ thống các phần tử song song 23
1.4 Phƣơng pháp đánhgiá độ tin cậy của hệ thống qua cấu trúc hệ thống 24
1.4.1Phƣơng pháp đồ thị giải tích 24
3.1 Đặt vấn đề 57
3.2 Phát biểu bài toán 58
3.3 Mô hình hệ thống dự phòng nâng cao độ tin cậy 60
3.3.1 Mô hình bài toán dự phòng truyền thống 60
3.3.2 Mô hình bài toán hệ thống dự phòng bảo vệ tích cực: 62
3.3.3 Mô hình hệ thống kết hợp dự phòng truyền thống và dự phòng bảo vệ
tích cực 64
3.4 Kết luận 68
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 70
TÀI LIỆU THAM KHẢO 71
5
DANH MỤC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tăt
Từ tiếng Anh
Từ hoặc cụm từ
AP
Active Protection
Phƣơng pháp dự phòng chủ
động
HCS
Hierarchical Computing Systems
Hệ thống máy tính phân cấp
MTTF
Mean Time To Failure
Hình 2.4: Các khả năng không hỏng của hệ ba phần tử 44
Hình 2.5. Cấu trúc hệ thống dự phòng bảo vệ tích cực. 49
Hình 2.6: Đồ thị điều chỉnh độ tin cậy của phần mềm theo thời gian 51
Hình 3.1 Mô hình hệ thống máy tính phân cấp 59
Hình 3.2. Cấu hình HCS với dự phòng. 60
Hình 3.3. Cấu hình hệ thống HCS với AP 62
Hình 3.4. Cấu hình HCS với AP và dự phòng tĩnh. 64
Hình 3.5. Cấu hình HCS với các phƣơng án dự phòng 66
Hình 3.6. Đồ thị xác suất độ tin cậy của HCS cấu hình số 1, số 14, số 18, số 20
theo thời gian 67
Hình 3.7. Cấu hình HCS với AP và dự phòng nhân bản ba. 67
Hình 3.8. Đồ thị xác suất độ tin cậy của HCS cấu hình số 1, số 14, số 21, số 22
theo thời gian 68
7
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Cuộc cách mạng bùng nổ của khoa học kỹ thuật trong lĩnh vực công nghệ
thì đã bắt đầu tạo ra các hệ thống tính toán - đó là các hệ thống siêu phức tạp hỗ
trợ con ngƣời trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống: khoa học máy tính, giao
thông vận tải, năng lƣợng và các ngành khác của xã hội, Các hệ thống tính toán
thay thế hoặc hỗ trợ con ngƣời trong kỷ nguyên công nghệ, nó tạo ra các hệ
thốngsiêu phức tạp trong các lĩnh vực của nền kinh tế. Hệ thốngtính toán không
đơn thuần chỉ là một hệ thống đơn giản mà là hệ thống đƣợc đặc trƣng bởi một
số lƣợng lớn các yếu tố thành phần, có cấu trúc phức tạp với các chƣơng trình
tính toán, điều khiển các hoạt động của nó. Đây chính là những hệ thốngcó tính
ứng dụng cao, tham gia vào trong tất cả các lĩnh vực của đời sống, là toàn bộ cơ
sở hạ tầng của xã hội hiện đại.
Tuy nhiên, cũng chính vì các hệ thống này tham gia tất cả các lĩnh vực
trên các chỉ số đó nghiên cứu các phƣơng pháp dự phòng nâng cao độ tin cậy
cho hệ thống, đề xuất cải tiến thêm một phƣơng pháp dự phòng tích cực và
chứng minh phƣơng pháp đề xuất cho hiệu quả cao hơn so với các phƣơng pháp
truyền thống.
3. Giả thuyết khoa học
Nếu đánh giá đúng đắn độ tin cậy của hệ thống thì sẽ làm cơ sở để xây
dựng các phƣơng pháp nâng cao độ tin cậy của hệ thống cấu trúc và đƣa ra các
giải pháp xây dựng các phƣơng án dự phòng cho các hệ thống cấu trúc phức tạp
hơn, làm nền tảng đáng tin cậy cho các nhà sản xuất,… cho ra đời các hệ thống,
sản phẩm có chất lƣợng, năng suất và hiệu quả cao hơn trong nền kinh tế xã hội.
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Nghiên cứu các khái niệm cơ bản, các chỉ số của phần tử, hệ thống và các
phƣơng pháp tính độ tin cậy của hệ thống.
- Nghiên cứu đƣa ra các phƣơng pháp dự phòng nâng cao độ tin cậy của hệ
thống cấu trúc.
- Áp dụng các phƣơng pháp dự phòng cho hệ thống cấu trúc trên mô hình
hệ thống máy tính phân cấp cụ thể.
9
- Đƣa ra các biểu đồ so sánh hiệu quả các phƣơng pháp dự phòng và đề
xuất phƣơng pháp dự phòng dựa trên các phƣơng pháp dự phòng truyền thống
và cho kết quả so sánh.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu:
- Phƣơng pháp phân tích, tổng hợp lý luận: nghiên cứu, tìm hiểu, phân tích
các tài liệu có liên quan đến đánh giá độ tin cậy, các phƣơng pháp dự phòngnâng
cao độ tin cậy của hệ thống.
- Phƣơng pháp sử dụng toán học: Sử dụng phƣơng pháp tính toán xác suất
thống kê, xử lý các kết quả và xây dựng đồ thị trực quan so sánh các kết quả.
6. Đóng góp của luận văn
thống. 11
CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1 Khái niệm cơ bản về độ tin cậy
1.1.1 Tổng quan về độ tin cậy
Trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật khi đánh giá về định lƣợng của phần tử
hoặcchức năng,thành phần trong hệ thống chúng ta thƣờng sử dụng phƣơngpháp
phân tích, tính toán dựa trên các yếu tố cơ bản là: tính làm việc an toàn và tính
sửa chữa đƣợc và cho ra cácchỉsố, các chỉ số chính là độ tin cậy [3].
Đối tƣợng nghiên cứu của khoa học về độ tin cậy [3] là các động cơ, thiết
bị, bộ phận máy, các thành phần hệ thống và các tổ hợp của chúng trong mối
quan hệ tƣơng hỗ với nhau để nhằm hoàn thành một phức hợp nhiệm vụ nhất
định-gọi chung đối tƣợng nghiên cứu này là phần tử.
“Phần tửlà một đối tượng có độ tin cậy độc lập, một bộ phận tạo thành hệ
thống mà trong quá trình nghiên cứu độ tin cậynó được xem như là một đơn vị
không chia nhỏ hơn nữa trong hệ thống” [3].
Độ tin cậy của phần tử đƣợc cho trƣớc hoặc xác định dựa trên các số liệu
thống kê. Việc nâng cao khả năng làm việc của các phần tử, các thành phần
trong hệ thống nhƣ khả năng chịu tải, chịu nhiệt, tốc độ, độ chính xác, hiệu suất
làm việc, khả năng tự động hóa, tuổi thọ, độ an toàn,… dƣới những điều kiện
nhất định trở thành vấn đề cấp thiết hiện nay.Quan niệm về hệ thống theo quan
điểm lĩnh vực khoa học kỹ thuật làm cơ sở cho việc tính toán độ tin cậy cho hệ
thống:
“Hệ thống là một tập hợp gồm nhiều phần tử tương tác, có các mối quan
hệ ràng buộc lẫn nhau, tương hỗ nhau và cùng thực hiện hướng tới một mục tiêu
nhất định”[3].
Các bài toán về độ tin cậy và các chỉ tiêu về độ tin cậy của các đối tƣợng cơ
tinh do thám đó đã bay vào không gian thì nó sẽ đƣợc coi là sản phẩm không
phục hồi.
Những thông số cơ bản của phần tử không phục hồi là:
a. Thời gian vận hành an toàn
.
Giả thiết ở thời điểm t = 0 phần tử bắt
đầu hoạt động và đến thời điểm t = thì
phần tử bị sự cố. Khoảng thời gian đƣợc
gọi là thời gian liên tục vận hành an toàn
của phần tử. Vì sự cố không xảy ra tất
định nên là một đại lƣợng ngẫu nhiên
có các giá trị trong khoảng 0 ≤ ≤ ∞.
Giả thiết trong khoảng thời gian khảo sát t thì phần tử xảy ra sự cố với xác
suất Q(t). Khi đó: Q(t) = P{< t}
13
Vì là đại lƣợng ngẫu nhiên liên tục nên:
- Q(t) đƣợc gọi là hàm phân phối của biến ngẫu nhiên liên tục .
- f(t) là hàm mật độ phân phối xác suất của .
Trên hình 1.1, biểu diễn hàm mật độ phân phối xác suất của thời gian trung bình
vận hành an toàn.
Mật độ xác suất hỏng [3] là hàm số đặc trƣng cho tốc độ giảm độ tin cậy,
cũng chính là tốc độ tăng hƣ hỏng của phần tử. Theo tính chất của hàm mật độ
phân phối xác suất của biếnngẫu nhiên liên tục ta có:
=
của phần tử đƣợc ký hiệu là P(t) và đƣợc tính theo định nghĩa:
P(t) = 1 – Q(t) = P{ ≥ t} (1.5)
Xác suất không hỏng của phần tử phụ thuộc vào thời điểm t đang xét tức
là tuổi thọ của phần tử.
Xác suất không hỏng của phần tử có các tính chất [3]:
1. 0
1 vì P(t) là số đo xác suất của sự kiện.
2. P(0) = 1: ở thời điểm ban đầu phần tử hoàn toàn tốt, không xảy ra hƣ
hỏng.
3. P
= 0: sau thời gian làm việc dài thì việc hƣ hỏng chắc chắn xảy
ra.
14
4.
1
2
.
∞
(1.7)
Từ công thức tính xác suất an toàn của phần tử P(t) ta biểu diễn trên trục
toạn độ theo thời gian: Quan sát đồ thị hình 1.3 biểu diễn hàm phân phối xác suất ta thấy rằng
Q(∞) = 1 và P(∞) = 0, chứng tỏ độ tin cậy của phần tử giảm dần theo thời gian.
c. Cường độ hỏng hóc
(t)
Cƣờng độ hỏng (t)hay cƣờng độ trở ngại [3] là đại lƣợng xác định bằng tỉ
số giữa phần tử hỏng xảy ra trong một đơn vị thời gian tại thời điểm khảo sát và
số phần tử còn làm việc tốt trong khoảng thời gian đó, (t) là một hàm theo thời
gian.
Xét bài toán: giả sử phần tử làm việc không hỏng tới thời điểm t, hãy tìm
xác suất không hỏng trong khoảng làm việc ∆t tiếp theo. Ký hiệu P(t, t+∆t) là
Hình 1.2: Biểu diễn độ tin cậy của phần tử
P(t)
()
(1.8)
Biến đổi công thức ta có mối quan hệ giữa (t) và P(t):
=
()
( )
=
()
1 ()
(1.9)
Từ biểu thức (1.9) nói lên ý nghĩa của
– đó là hàm mật độ phân phối
xác suất có điều kiện để xuất hiện hƣ hỏng tại thời điểm t với điều kiện trƣớc đó
sản phẩm đã làm việc không hỏng và biểu thức cho thấy sự quan hệ giữa bốn đại
lƣợng: cƣờng độ hỏng hóc, hàm mật độ xác suất, hàm phân bố xác suất và độ tin
cậy của phần tử.
Từ (1.3) và (1.5) ta có:
=
′
()
=
0
0
=
|
0
nhờ phƣơng pháp thống kê quá trình hỏng hóc trong quá khứcủa phần tử.
Trong các hệ thống hiện giờ thƣờng sử dụng điều kiện đầu: (t) = = hằng
số (λ tƣơng đối nhỏ), thực hiện đƣợc nhờ bảo quản định kỳ. Khi đó cƣờng độ
hỏng hóc là giá trị trung bình số lần sự cố xảy ra trong một đơn vị thời gian. Do
đó:
=
t
;
= 1
t
;
=
t
16
Theo công thức (1.9) có thể xác định
đƣợc cƣờng độ hỏng
Thời gian hoạt động đƣợc định nghĩa là giá trị trung bình của thời gian vận
hành an toàn dựa trên số liệu thống kê của nhiều phần tử cùng loại, nghĩa là
T
LV
là kỳ vọng toán hay còn gọi là giá trị trung bình của biến ngẫu nhiên và
đƣợc xác định [20]:
= = t. f
t
. dt
1.11
∞
0
Hình 1.4: Biểu diễn hàm phân phối
và độ tin cậy
Q(t) P(t)
t
Q(t)
0
1
P(t)
Hình 1.5: Biểu diễn cường độ hỏng
hóc
(t)
∞
0
Với (t) = hằng số, thì
=
t
(phân bố hàm mũ)
= =
t
. dt
0
=
1
.
t
0
=
1
Trong đó: ngƣời ta thƣờng chọn [] = 1/giờ và [T
LV
] = giờ
=
t
=
1.2.2 Phần tử phục hồi
Phần tử phục hồi [3,6]là phần tử khi đƣa vào làm việc đến khi xảy ra sự cố
thì phần tử đƣợc phục hồi khả năng làm việc bằng cách sửa chữa hoặc thay mới.
Phần tử bắt đầu làm việc ở thời điểm t = 0, sau một khoảng thời gian làm
việc T
1
, nó ngừng hoạt động trong khoảng thời gian
1
để tiến hành sửa chữa
hƣ hỏng, rồi lại trở lại hoạt động tiếp trong khoảng T
2
,… thời gian ngừng
máy
k
1
T
2
T
3
t
18
Trong thực tế, các phần tử hỏng đƣợc thay thế rất nhanh bằng phần tử mới,
phần tử đƣợc xem nhƣ luôn ở trong trạng thái tốt. Đại lƣợng đặc trƣng cho hỏng
hóc của loại phần tử này là: thông số của dòng hỏng hóc (t):
= lim
0
1
( ra trong t, t + t)
So với định nghĩa (t), ở đây không đòi hỏi điều kiện phần tử phải làm việc
tốt từ đầu cho đến t, mà chỉ cần thời điểm t nó đang làm việc, điều kiện này luôn
đúng vì phần tử luôn làm việc, khi hỏng nó đƣợc phục hồi tức thời.
Tƣơng tự nhƣ (t), đại lƣợng ω(t).∆t là xác suất để hỏng hóc xảy ra
+
(1.13)
- Xác suất phần tử ở trạng thái hỏng ở thời điểm t là P
H
(t).
=
=
+
+
+
Theo lý thuyết xác suất, áp dụng cho cƣờng độ chuyển trạng thái và thông số
dòng hỏng hóc biến đổi công thức ta đƣợc:
=
. =
+
+
+
+
(1.15)
c. Thời gian trung bình sửa chữa sự cố
s
:
Đối với các phần tử phục hồi thuật ngữ MTBF (Mean Time Between
Failure) đƣợc dùng thay thế cho MTTF (Mean Time To Failure) [10].
trong khoảng thời gian t phần tử đang ở trạng thái hỏng hóc – nghĩa là chƣa sửa
xong.Xác suất phần tử ở trạng thái hỏng có giá trị là:
=
μt
1.17
Trong đó: = 1/
s
là cƣờng độ phục hồi hỏng hóc (1/giờ).
Xác suất để sửa chữa kết thúc trong khoảng thời gian t, cũng chính là hàm
phân bố xác suất của thời gian
s
là:
= 1
μt
1.18
Thời gian trung bình sửa chữa sự cố là:
HD
Với giả thiết T tuân theo luật phân bố mũ, giống nhƣ ở trên đã xét ta có:
=
T
=
1
(1.20)
d. Khả năng sẵn sàng hoạt động A (Availability)
20
Hệ số sẵn sàng A [4, 6] là phần lƣợng thời gian hoạt động trên toàn bộ thời
gian khảo sát của phần tử:
=
+
=
+
=
là: phƣơng pháp tính độ tin cậy của hệ thống không dự phòng và hệ thống có dự
phòng[3].
Phƣơng pháp đánh giá độ tin cậy của hệ thống qua cấu trúc là xây dựng
mối quan hệ trực tiếp giữa độ tin cậy của hệ thống với độ tin cậy của các phần tử
đã biết. Sơ đồ khối độ tin cậy (Reliability Block Diagrams - RBD) của hệ thống
đƣợc xây dựng trên cơ sở phân tích ảnh hƣởng của hỏng hóc phần tử đến hỏng
hóc của hệ thống vì vậy sơ đồ độ tin cậy thƣờng khác với sơ đồ vật lý.
Sơ đồ khối độ tin cậy [21] có thể đƣợc xem xét một cách độc lập bởi các
thành phần của hệ thống có thể đƣợc ƣớc tính độ tin cậy và khả năng sẵn sàng
21
(hoặc không). Việc xây dựng sơ đồ khối độ tin cậy có thể khó khăn đối với hệ
thống lớn và phức tạp.
Sơ đồ khối độ tin cậy bao gồm:
- Các nút: nút nguồn, nút tải và các nút trung gian.
- Các nhánh: Đƣợc vẽ bằng các khối hình chữ nhật mô tả trạng thái tốt của
phần tử. Phần tử bị hỏng tƣơng ứng với việc xóa khối của phần tử đó ra khỏi sơ
đồ.
Nhánh và nút tạo thành mạng lƣới nối liền nút phát và nút tải của sơ đồ. Có
thể có nhiều đƣờng nối từ nút phát đến nút tải, mỗi đƣờng gồm nhiều nhánh nối
tiếp, vì vậy số đƣờng đi từ nút phát đến nút tải là rất lớn đối với các hệ thống
phức tạp.
Theo sơ đồ mô tả:
- Trạng thái tốt của hệ thống là trạng thái trong đó có ít nhất một đƣờng có
thể đi từ nút phát đến nút tải.
- Trạng thái hỏng của hệ thống khi nút phát bị tách rời với nút tải do hỏng
hóc của phần tử trung gian.
1.3.2Hệ thống các phần tử nối tiếp
Hệ thống các phần tử nối tiếp [3, 5] (hệ thống không dự phòng) là hệ
thống trong đó sự hỏng của toàn hệ thống xảy ra khi và chỉ khi một phần tử bị
Xét độ tin cậy của hệ thống nói tiếp trong hai trƣờng hợp: các phần tử
không phục hồi và các phần tử phục hồi.
a. Hệ nối tiếp các phần tử không phục hồi
Hệ thống các phần tử không phục hồi (sửa chữa hoặc thay thế) nên sự hoạt
động của hệ chỉ tới lần hỏng đầu tiên của phần tử [3, 6].
P
i
(t) là xác suất không hỏng hay hàm tin cậy của phần tử thứ i, ở thời điểm
xác định t và P
s
(t) của hệ thống [3, 14, 17].
=
1
.
2
Xác suất hỏng Q
s
(t) của hệ thống:
= 1
= 1
1
=1
=1
(1.26)
Trong đó: Q
i
=
(1.28)
=1
=1
với
là cƣờng độ hỏng của phần tử thứ i; i = 1, …,n
Các phần tử của hệ thống có độ tin cậy tuân theo quy luật hàm số mũ và gọi
cƣờng độ hỏng của các phần tử là λi; i = 1, , n. Độ tin cậy của hệ thống tuân
theo quy luật hàm số mũ [7]:
=1
23
Từ công thức [1.29] cho ta thấy tuổi thọ của các phần tử có phân phối mũ
thì tuổi thọ của hệ cũng có phân phối mũ.
Thời gian hoạt động an toàn trung bình của hệ thống là:
=
1
=
1
=1
(1.30)
b. Hệ nối tiếp các phần tử phục hồi
Độ tin cậy của hệ thống [3] còn phụ thuộc vào việc các phần tử chƣa hỏng
có làm việc hay không trong lúc tiến hành phục hồi các phần tử bị hỏng.Giả thiết
thời gian phục hồi là hữu hạn, nếu mỗi phần tử có phân phối thời gian làm việc
đến khi hỏng khác nhau và phân phối thời gian phục hồi khác nhau thì thời gian
làm việc của hệ đến lần hỏng đầu tiên khác với thời gian làm việc giữa hai lần
=1
=
1
(1.31)
Trong đó: = 1/
S
và ta thấy T
S
>>
S
Khi t -> ∞ thì công thức tính hệ số sẵn sàng của hệ thống là:
=
+
=
+
(1.32)
Hàm tin cậy của hệ thống sẽ là:
(1.34)
1.3.3 Hệ thống các phần tử song song
Trong hệ thống các phần tử song song (hệ thống có dự phòng) [3, 17,18],
sự cố của một phần tử nào đó không nhất định là sẽ dẫn đến sự cố cho toàn hệ
thống, hệ thống sẽ gặp sự cố khi tất cả các phần tử gặp sự cố. Hình 1.9 thể hiện
sơ đồ các phần tử song song đơn giản nhất.
Hình 1.9: Sơ đồ hệ các phần tử song song
1
2
n
N
T
Copyright: Tài liệu đại học ©