Способ резервирования систем и устройство его реализации
Владельцы патента RU 2604335:
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации (RU)
Группа изобретений относится к области вычислительной техники и может быть использована в сложных радиотехнических комплексах, автоматизированных системах управления. Техническим результатом является повышение надежности. Устройство содержит рабочий элемент, элементы сравнения, суммирующее устройство, делитель, вычитающие устройства, блок управления, устройства коммутации, контроллер. 2 н.п. ф-лы, 5 ил., 1 прил.
Предлагаемое изобретение относится к сложным радиотехническим комплексам, автоматизированным системам управления, резервированным в интересах повышения надежности.
Известен способ резервирования систем с помощью мажоритарных элементов. В этом случае состояние одной (рабочей) системы сравнивается с состоянием ряда таких же систем с помощью пороговых схем сравнения [Г.А. Шевцов, Е.М. Шеремет. Логическое резервирование. Издательство Львовского университета, 1973, стр. 43-44, 60-61]. Признаком безотказности рабочей системы является совпадение ее состояния с состоянием большинства систем. Этот принцип широко используется для обнаружения внезапных отказов. Известно устройство реализации этого способа [там же], состоящее из рабочего и нескольких элементов сравнения, входы которых соединены с входом системы, а выходы - попарно с входами вычитающих устройств, устройства сравнения, входы которого подключены к выходам вычитающих устройств, а выход - к управляющему входу устройства коммутации, вход которого соединен с выходом рабочего элемента, а выход с выходом системы.
Сигналы с выхода рабочего элемента и выходов элементов сравнения попарно вычитаются в вычитающих устройствах и затем сравниваются в устройстве сравнения, который подключает рабочий элемент через устройство коммутации, если большинство значений разности выходных параметров (ВП) элементов не превысят заданный порог.
Основным недостатком данного способа и устройства реализации является то, что они не дают выигрыш в надежности по постепенным отказам. Обнаружение отказавшего элемента происходит только в случае, если его ВП сильно отличается от других.
Известен способ резервирования, основанный на обнаружении отказов системы по месту, занимаемому ее ВП в вариационном ряде, образуемом мгновенными значениями ВП нескольких систем [Г.А. Шевцов, Е.М. Шеремет. Логическое резервирование. Издательство Львовского университета, 1973, стр. 50, 89-100]. Известно устройство реализации этого способа [там же], состоящее из нескольких элементов сравнения, входы которых соединены с входом системы, а выходы с входами логического устройства, выход логического устройства подключен к выходу системы.
Логическое устройство оценивает значения ВП элементов сравнения и подключает на выход системы элемент, ВП которого занимает определенное место в вариационном ряде выходных параметров. Признаком отказа элемента является изменение места его ВП в последовательности.
Недостатком данного способа резервирования и устройства его реализации является то, что надежность существенно зависит от выбора места k-го элемента вариационного ряда из N элементов сравнения. Наибольший выигрыш в надежности по постепенным отказам для симметричного допуска достигается при выборе статистической медианы (при N нечетном: k=(N+1)/2), а при одностороннем допуске - крайних членов вариационного ряда (k=N -для постепенных отказов вниз, k=1 - для постепенных отказов вверх).
Наиболее близким по сущности и достигаемому эффекту (прототипом) является способ резервирования систем, основанный на сравнении ВП рабочей системы со средним арифметическим значением ВП рабочей и систем сравнения [Г.А. Шевцов, Е.М. Шеремет. Логическое резервирование. Издательство Львовского университета, 1973, стр. 35-36, 83-85]. Этот способ резервирования в основном используется для обнаружения постепенных отказов, так как в данном случае неизвестные истинные значения ВП заменяются оценками (средней арифметической величиной наблюденных значений). Известно устройство реализации данного способа [там же], состоящее из рабочего элемента и нескольких элементов сравнения, устройства коммутации и последовательно соединенных суммирующего устройства, делителя, вычитающего устройства и блок управления, при этом входы элементов подключены к источнику сигнала, а выходы - к соответствующим входам суммирующего устройства, а устройство коммутации коммутируемым входом соединен с выходом рабочего элемента и вторым входом вычитающего устройства, управляемым входом - с выходом блока управления, а выходом - с выходом системы.
Сигналы разности с выхода рабочего элемента и среднего арифметического значения ВП рабочего и элементов сравнения оцениваются в блоке управления, который отключает рабочий элемент от выхода системы при превышении сигналом разности заданного порога.
Недостатком данного способа и устройства его реализации является то, что внезапный отказ одного (любого) n-го элемента сравнения приводит к недопустимому изменению среднего арифметического значения на величину Xn/N (практически отказу), где Xn - значение выходного параметра n-го элемента сравнения, N - количество элементов сравнения.
Техническим результатом изобретения является повышение надежности резервированных систем путем исключения из процесса определения среднего арифметического значения выходных параметров рабочего и элементов сравнения тех элементов, выходные параметры которых находятся на границе или вне области допустимых значений, и подключения на выход системы элемента, выходные параметры которого наименее отличаются от найденного среднего арифметического значения.
Указанный результат достигается тем, что в известном способе резервирования систем, заключающемся в сравнении ВП рабочего элемента системы со средним арифметическим значением (САЗ) выходных параметров рабочего и элементов сравнения для обнаружения отказа и отключения рабочего элемента от выхода системы, дополнительно до вычисления среднего арифметического значения ВП определяют условие нахождения значения ВП рабочего и каждого элемента сравнения системы в пределах области допустимых значений и, если условие не выполняется, то исключают данный элемент из дальнейшего рассмотрения, определяют элемент, значение ВП которого находится наиболее близко к среднему арифметическому значению, и подключают его к выходу резервированной системы.
Указанный результат достигается тем, что в устройство реализации способа резервирования систем, содержащее рабочий элемент (РЭ) и n=1…N элементов сравнения (ЭС) и последовательно соединенные суммирующее устройство (СУ), делитель (Д), вычитающее устройство (ВУ), блок управления (БУ) и устройство коммутации (УК), при этом входы РЭ и ЭС подключены к источнику сигнала, а выходы - к соответствующим входам СУ, а УК коммутируемым входом соединен с выходом РЭ и вторым входом ВУ, выходом - с выходом системы, дополнительно введены N ВУ, N УК и контроллер (К), причем первые входы введенных ВУ соединены с коммутируемыми входами введенных УК и выходами ЭС, соответственно, вторые входы, соединенные вместе, - с выходом Д, а БУ дополнительными n+1 входами соединен с выходами введенных ВУ, а n+1 выходами - с управляющими входами введенных УК, соответственно, при этом первый вход К соединен с выходом РЭ, n+1 вход - с выходом соответствующего ЭС, первый выход - с управляющим входом СУ, а второй выход - с управляющим входом Д.
На фиг. 1 показана схема устройства, реализующего способ-прототип.
На фиг. 2 приведена схема устройства, реализующего предлагаемый способ резервирования систем для случая, когда элементов сравнения N=2.
На фиг. 3 изображен вид функций принадлежности термов входных лингвистических переменных (ЛП), на фиг. 4 - выходных ЛП.
На фиг. 5 показано в табличной форме принятые степени уверенности заключений для каждого условия правил нечеткого вывода.
В Приложении приведена рабочая программа для определения участвующих в процессе суммирования и деления (ПСД) элементов с использованием языка нечеткого управления (работа контроллера), нахождения САЗ ВП (работа суммирующего устройства и делителя), выбора исправного элемента (работа устройств сравнения и блока управления), реализованная в среде Mathcad.
Устройство-прототип (фиг. 1) содержит рабочий элемент РЭ1 и n=1…2 элементов сравнения ЭС2.1, ЭС2.1, последовательно соединенные суммирующее устройство СУ3, делитель Д4, вычитающее устройство ВУ5.1, блок управления БУ6 и устройство коммутации УК7.1, при этом входы РЭ1 и ЭС2.1, 2.2 подключены к источнику сигнала, а выходы - к соответствующим входам СУ3, а УК7 коммутируемым входом соединен с выходом РЭ1 и вторым входом ВУ5, выходом - с выходом системы.
Принцип действия устройства, реализующего способ-прототип, состоит в следующем. Входной сигнал системы поступает на входы элементов РЭ1, ЭС2.1, ЭС2.2, выходные сигналы с которых суммируются в СУ3 и далее делятся на число элементов (равно 3) в Д4. САЗ ВП элементов с выхода Д4 сравнивается с ВП РЭ1 в ВУ5.1 и, если разность не превышает заданный порог срабатывания БУ6, он коммутирует сигнал с выхода РЭ1 через УК7.1 на выход системы, а при превышении - отключает резервированную систему.
В предлагаемое устройство (фиг. 2), в отличие от устройства-прототипа, дополнительно введены ВУ5.2, ВУ5.3, УК7.2, УК7.3 и контроллер (К8), причем первые входы ВУ5.2, ВУ5.3 подключены к выходам ЭС2.1, ЭС2.2, соответственно, вторые входы, соединенные вместе, - к выходу Д4, а выходы - со вторым и третьим входами БУ6, соответственно, коммутируемые входы УК7.2, УК7.3 соединены с выходами ЭС2.1, ЭС2.2, соответственно, управляющие входы - со вторым и третьим выходами БУ6, а выходы - с выходом системы, при этом первый вход К8 соединен с выходом РЭ1, второй и третий вход - с выходами ЭС2.1 и ЭС2.2, соответственно, первый выход - с управляющим входом СУ3, а второй выход - с управляющим входом Д4.
Это устройство функционирует следующим образом. Входной сигнал поступает на входы элементов РЭ1, ЭС2.1 и ЭС2.2. С выхода элементов сигналы поступают на входы СУ3, К8, на первые входы ВУ5.1-ВУ5.3 и коммутируемые входы УК7.1-УК7.3. Оценка нахождения значений ВП элементов на границе или вне области допустимых значений осуществляется с использованием методов нечеткой логики в К8. Алгоритмы нечеткой логики, заложенные в контроллере К8, состоят из следующих этапов [Леоненков А.В. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH. - СПб.: БХВ-Петербург, 2005. - 736 с: ил.]: формирования базы правил нечеткого вывода (ПНВ) в форме структурированного текста: «ЕСЛИ «Условие_1» ТО «Заключение_1»; фаззификации входных переменных; агрегирования условий; активизации заключений; аккумуляции заключений; дефаззификации выходных переменных. Входными лингвистическими переменными (ЛП) были приняты «Значение ВП» с термами «NB» (большое вниз), «Z» (в допустимой области), «РВ» (большое вверх), которые задаются на шкале значений ВП и зависят от среднеквадратического отклонения (СКО) ВП. Вид функций принадлежности термов входных ЛП µХ представлен на фиг. 3. В качестве выходных ЛП были приняты «Элемент участвует в ПСД» и делитель Д3 «d=m» (m - число элементов, участвующих в ПСД) с термами «S» (малая уверенность), «М» (достаточная уверенность), «В» (сильная уверенность), вид функций принадлежности термов выходных ЛП µY представлен на фиг. 4. Примем, что значения ВП элементов РЭ1, ЭС2.1 и ЭС 2.2 изменяются в пределах от 0-1 В до 11-12 В с СКО ВП 3σх=1 В и имеют следующие значения, соответственно:
1 вариант: Х1=1,01 В, Х2=0,86 В, Х3=0,94 В;
2 вариант: Х1=1,01 В, Х2=0,86 В, Х3=0,40 В;
3 вариант: Х1=11,61 В, Х2=0,86 В, Х3=0,40 В;
4 вариант: Х1=11,61 В, Х2=0,06 В, Х3=0,40 В.
Сформированные ПНВ включали следующие условия и заключения:
Условие 1: «Х1 есть Z» И «Х2 есть Z» И «Х3 есть Z»;
Условие 2: «Х1 есть Z» И «Х2 есть Z» И «Х3 есть NB или РВ»;
Условие 3: «Х1 есть Z» И «Х2 есть NB или PB» И «X3 есть Z»;
Условие 4: «X1 есть NB или РВ» И «Х2 есть Z» И «Х3 есть Z»;
Условие 5: «Х1 есть Z» И «Х2 есть NB или PB» И «X3 есть NB или РВ»;
Условие 6: «X1 есть NB или PB» И «Х2 есть Z» И «X3 есть NB или PB»;
Условие 7: «Х1 есть NB или PB» И «Х2 есть NB или РВ» И «X3 есть Z»;
Условие 8: «Х1 есть NB или РВ» И «X2 есть NB или PB» И «X3 есть NB или PB»;
Заключение 1: «Все элементы участвуют в ПСД» И «d=3»;
Заключение 2: «РЭ1 и ЭС2.1 участвуют в ПСД» И «d=2»;
Заключение 3: «РЭ1 и ЭС2.2 участвуют в ПСД» И «d=2»;
Заключение 4: «ЭС2.1 и ЭС2.2 участвуют в ПСД» И «d=2»;
Заключение 5: «РЭ1 участвует в ПСД» И «d=1»;
Заключение 6: «ЭС2.1 участвует в ПСД» И «d=1»;
Заключение 7: «ЭС2.2 участвует в ПСД» И «d=1»;
Заключение 8: «Отказ системы» И «d=106».
ПНВ и принятые степени уверенности заключений для каждого условия даны в таблице, представленной на фиг. 5. С использованием рабочей программы, представленной в Приложении, в результате подстановки принятых исходных данных были получены следующие выходные данные:
- для 1 варианта ряд количественных значений степени уверенности выходных ЛП Y1=[0,79 0,45 0,54 0,41 0,15 0,04 0,09 0,04]T, максимальное значение MaxY1=0,79, что соответствует заключению Resh=1;
- для 2 варианта - Y2=[0,43 0,69 0,31 0,21 0,38 0,29 0,10 0,10]T, MaxY2=0,69, что соответствует заключению Resh=2;
- для 3 варианта - Y3=[0,43 0,44 0,31 0,44 0,31 0,57 0,31 0,38]T, MaxY3=0,57, что соответствует заключению Resh=6;
- для 4 варианта - Y4=[0,12 0,12 0,43 0,12 0,44 0,12 0,44 0,57]T, MaxY4=0,57, что соответствует заключению Resh=8.
В соответствии с полученными заключениями на выходе К8 для управляющего входа СУ3 будут следующие команды:
- в первом варианте «Все элементы участвуют в ПСД»;
- во втором варианте «РЭ1 и ЭС2.1 участвуют в ПСД»;
- в третьем варианте «ЭС2.1 участвует в ПСД»;
- в четвертом варианте «Отказ системы»,
а на выходе К8 для управляющего входа Д4 будут следующие команды:
- в первом варианте «d=3»;
- во втором варианте «d=2»;
- в третьем варианте «d=1»;
- в четвертом варианте «d=106».
В соответствии с принятой логикой подключения к выходу системы через УК7.1-УК7.3 элемента, ВП которого наименее отличается от найденного САЗ ВП, блок управления БУ5:
в 1 варианте подключает к нагрузке ЭС2.2;
во 2 варианте - РЭ1;
в 3 варианте - ЭС2.1;
в 4 варианте - ни один из РЭ (отказ PC).
Рабочая программа может быть реализована с использованием современных широко распространенных PIC микроконтроллеров. В качестве контроллера К8 также могут быть использованы контроллеры, поддерживающие нечеткую логику, например, микросхемы 68НС11, 68НС12 фирмы Motorola, MCS-96 фирмы Intel. Остальные устройства системы могут быть построены с использованием широко распространенной элементной базы в виде операционных усилителей, шифраторов, дешифраторов, транзисторов и т.п.
Изложенные сведения свидетельствуют о возможности исполнения заявленного способа резервирования систем и устройства его реализации для обнаружения в резервированной системе отказов рабочей и элементов сравнения путем сравнения их выходных параметров со средним арифметическим значением, из процесса нахождения которого исключаются элементы, выходные параметры которых находятся на границе или вне области допустимых значений.
Кроме того, достоинством предложенного способа и устройства его реализации является то, что дополнительно имеется информация о типе отказа рабочего элемента и/или элемента сравнения, а наличие ряда выходных решений с количественными значениями степени уверенности Y позволяет эксперту постоянно оценивать состояния всех элементов.
Таким образом, заявленные способ резервирования систем и устройство его реализации обеспечивают повышение надежности резервированных систем, основанных на принципах сравнения ВП элементов системы со средним арифметическим значением ВП элементов, за счет исключения из процесса определения САЗ ВП элементов, ВП которых находятся на границе или вне области допустимых значений.
Предлагаемое решение соответствует критерию «промышленная применимость», так как совокупность характеризующих его признаков обеспечивает возможность его существования, работоспособность и воспроизводимость, так как для реализации заявляемого решения могут быть использованы известные материалы и оборудование.
1. Способ резервирования систем, заключающийся в сравнении выходных параметров рабочего элемента системы со средним арифметическим значением выходных параметров рабочего и элементов сравнения, обнаружении отказа и отключении рабочего элемента от выхода системы, отличающийся тем, что до вычисления среднего арифметического значения определяют условие нахождения значения выходного параметра рабочего и каждого элемента сравнения системы в пределах области допустимых значений с использованием методов нечеткой логики и, если условие не выполняется, то исключают данный элемент из дальнейшего рассмотрения, определяют элемент, значение выходного параметра которого находится наиболее близко к среднему арифметическому значению, и подключают его к выходу резервированной системы.
2. Устройство реализации способа резервирования систем, содержащее рабочий элемент (РЭ), n=1…N элементов сравнения (ЭС) и последовательно соединенные суммирующее устройство (СУ), делитель (Д), вычитающее устройство (ВУ), блок управления (БУ) и устройство коммутации (УК), при этом входы РЭ и ЭС подключены к источнику сигнала, а выходы - к соответствующим входам СУ, а УК коммутируемым входом соединен с выходом РЭ и вторым входом ВУ, выходом - с выходом системы, отличающееся тем, что в него дополнительно введены N ВУ, N УК и контроллер (К), причем первые входы введенных ВУ соединены с коммутируемыми входами введенных УК и выходами ЭС, соответственно, вторые входы, соединенные вместе, - с выходом Д, а БУ дополнительными n+1 входами соединен с выходами введенных ВУ, а n+1 выходами - с управляющими входами введенных УК, соответственно, при этом первый вход К соединен с выходом РЭ, n+1 вход - с выходом соответствующего ЭС, первый выход - с управляющим входом СУ, а второй выход - с управляющим входом Д.
