РАЗДЕЛ 2
ПРИНЦИПЫ ДИВЕРСИФИКАЦИИ И МОДЕЛИ ОТКАЗОУСТОЙЧИВЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ С ПРОГРАММИРУЕМОЙ ЛОГИКОЙ НА ОСНОВЕ ЧАСТИЧНО ОПРЕДЕЛЕННЫХ И ЧАСТИЧНО КОРРЕКТНЫХ АВТОМАТОВ
2.1. Ресурсно-ориентированная диверсификация проектов отказоустойчивых цифровых систем управления с программируемой логикой
На сегодняшний день на мировом рынке цифровой техники наблюдается тенденция к наращиванию функциональности цифровых устройств при относительном отставании развития существующих методов повышения надежности. В такой ситуации эффективным средством защиты от сбоев в работе является разработка отказоустойчивых систем. При этом существует два основных направления при их построении:
- использование только отказоустойчивых компонентов [117];
- разработка методов, гарантирующих построение отказоустойчивой системы из компонентов, не являющихся отказоустойчивыми.
В первом случае каждый компонент системы может продолжать свое функционирование, даже если один или несколько ее подкомпонентов выходят из строя. Во втором случае отказоустойчивость обеспечивается за счет введения избыточности и разработки специального программного обеспечения, элементных взаимосвязей и алгоритмов функционирования [90, 13, 118, 119].
Как показывает практика, при создании отказоустойчивых ЦСУПЛ для аэрокосмических и других критических приложений широко применяют различные виды избыточности [79, 90, 118 - 120]. При этом часто обязательным требованием в техническом задании на такие ЦСУПЛ является реализация их в виде многоверсионных проектов. Такой подход позволяет учитывать не только дефекты, возникающие при функционировании аппаратных средств, но и дефекты проектирования, которые не были выявлены в процессе отладки, приемо-сдаточных испытаний и могут проявиться при эксплуатации. Механизмом для получения версий в рамках многоверсионного подхода к проектированию является диверсификация проектов ЦСУПЛ [79, 121].
2.1.1. Концепция внешней и внутренней диверсификации проектов цифровых систем управления с программируемой логикой. Применение многоверсионного подхода к проектированию ЦСУПЛ предполагает варьирование множества ресурсов, использующихся в процессе проектирования, с целью получения различающихся между собой вариантов одной и той же системы. Например, используя несколько групп разработчиков, несколько пакетов САПР и т.д., можно существенно снизить уровень корреляции версий. Поэтому очевидным является тот факт, что для получения n-версионной ЦСУПЛ необходимо выделить n подмножеств ресурсов, реализующих одинаковую функциональность. При этом версии, полученные из разных подмножеств, будут менее коррелированны между собой, чем те, которые были сформированы путем применения различных параметров в пределах одного подмножества. Так, используя, например, несколько различных пакетов САПР для проектирования ЦСУПЛ можно добиться меньшей корреляции версий, чем изменяя настройки только одного пакета САПР.
Следовательно, в данном контексте можно говорить о двух уровнях диверсификации проектов ЦСУПЛ - внешнем и внутреннем [2]. Внутренняя диверсификация предполагает получение версий системы с помощью только одного выделенного подмножества ресурсов проектирования [79, 2, 118, 119], внешняя же рассматривает несколько альтернативных подмножеств, позволяющих, тем не менее, реализовать одинаковую функциональность (рис. 2.1). Например, разработка многоверсионного проекта ЦСУПЛ средствами нескольких САПР является иллюстрацией внешней диверсификации по отношению к применению различных настроек компилятора в рамках одного пакета САПР, однако, в пределах общего подхода к проектированию использование нескольких пакетов САПР является внутренней диверсификацией.
Рис. 2.1. Внутренняя и внешняя диверсификация проектов ЦСУПЛ
Таким образом, важнейшими задачами при создании многоверсионной ЦСУПЛ является:
- выделение подмножеств, обладающих требуемой мощностью, для дальнейшего синтеза версий системы [2];
- выбор метрик диверсности, позволяющих сравнивать между собой полученные версии и оценивать насколько они различны [121];
- анализ рисков, связанных с оценкой совместимости получаемых версий.
Для формирования подмножеств ресурсов проектирования может быть использована внешняя диверсификация на выбранном разработчиком уровне (рис. 2.1) с возможностью внутренней диверсификации в случае необходимости получения значительного числа версий. При этом целесообразной может стать диверсификация проектов на уровне подхода к созданию ЦСУПЛ, ввиду значительного увеличения мощности множества вариантов получения менее коррелированных версий проекта.
2.1.2. Методы диверсификации проектов отказоустойчивых цифровых систем управления с программируемой логикой. Выделяют несколько методов диверсификации проектов ЦСУПЛ, которые базируются на классическом и неклассическом подходах к созданию цифровых систем. Первый предполагает использование средств стандартных инструментальных средств, второй - логику работы ГА, искусственных нейронных сетей и т.п. В рамках данного исследования был выбран математический аппарат ГА в качестве альтернативы классическому системному проектированию.
2.1.2.1. Диверсификация проектов отказоустойчивых цифровых систем управления с программируемой логикой средствами САПР. Широко известной и наиболее популярной в среде разработчиков практикой при создании многоверсионных ЦСУПЛ является использование современных пакетов САПР. Существует также метод диверсификации проектов ЦСУПЛ средствами САПР, позволяющий получать заданное множество версий системы [78, 79]. Применение этого метода неразрывно связано с этапами жизненного цикла проектирования ЦСУПЛ с помощью стандартного инструментария САПР. При этом диверсификация ЦСУПЛ может осуществляться либо на протяжении всего процесса проектирования, либо на одном или нескольких его этапах. Внутренняя диверсификация в рамках данного подхода возможна на этапах:
- выбора фирмы-производителя и конк