“主从多机通信系统可靠性建模的研究”案例一要求V6

1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.......................................................................................................................................12．物理模型...................................................................................................................................33．理论假设、基本参数...............................................................................................................43.1关于部件划分和元件组合方式...................................................................................43.2关于发生故障的概率和人工排除故障所需的时间...................................................53.3关于故障后果...............................................................................................................53.4其他...............................................................................................................................54．理论模型...................................................................................................................................65．仿真实验要求...........................................................................................................................76．附录：仿真算法及模型提示...................................................................................................86.1利用马尔可夫链建立仿真算法模型...........................................................................86.2元件的状态转移机模型...............................................................................................86.3统计样本数量...............................................................................................................96.4微小概率事件的影响...................................................................................................96.5故障后果判别...............................................................................................................96.6随机数发生...................................................................................................................96.7关于仿真算法设计.....................................................................................................101．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。2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。32．物理模型控制电路接口电路通信主机控制电路接口电路通信从机1光电隔离器集线器通信总线控制电路接口电路通信从机2光电隔离器控制电路接口电路通信从机3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：4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。控制电路接口电路通信主机控制电路接口电路通信从机1光电隔离器集线器通信总线控制电路接口电路通信从机2光电隔离器控制电路接口电路通信从机3控制电路接口电路通信主机主备倒换图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。5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t的概率密度分布都遵从负指数分布tTetf)(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hour51103/1构成控制软部件的单元件，对应分布参数hour42102/1构成光隔部件的所有元件特性满足独立同分布，对应参数hour33107/1对故障进行人工修理，排除故障所需花费的时间t是随机变量，其概率密度分布遵从负指数分布tTetf)(其中hour8/1。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。64．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。控制软部件1控制硬部件s接口部件s通信主机子系统集线器部件s集线器子系统控制软部件1控制硬部件s接口部件s通信从机子系统2光隔部件k控制软部件1控制硬部件s接口部件s通信从机子系统1控制软部件1控制硬部件s接口部件s通信从机子