ОЦЕНКА НАДЁЖНОСТИ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СРЕДЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ Баранова Ирина Вячеславовна –

ОЦЕНКА НАДЁЖНОСТИ МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ
ИНФОРМАЦИОННОЙ СРЕДЫ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ
Баранова Ирина Вячеславовна – аспирант кафедры «Управление и
информатика в технических системах» ФГБОУ ВПО «Московский
государственный технологический университет «Станкин»,
[email protected]
Соколов Сергей Николаевич – аспирант кафедры «Бизнес и деловое
администрирование» ФГБОУ ВПО «Российская академия народного хозяйства
и государственной службы при Президенте РФ», [email protected]
Аннотация
Рассмотрено влияние информационных технологий на деятельность
промышленного
предприятия,
ориентированного
на
активизацию
инновационных факторов развития. Установлены отличительные признаки
информационных систем информационных сред, являющихся совокупностью
информационных
Сформулирована
систем
и
аппаратно-программного
оборудования.
задача оценки надежности информационных сред, и
предложена совокупность моделей для оценки надежности многокомпонентной
информационной среды промышленного предприятия.
Ключевые слова: Система инноваций. Инновационное предприятие.
Информационные
Информационная
технологии.
система.
Информационная
Аппаратно-программная
инфраструктура.
среда.
Надежность
информационной среды. Распределенная модульная структура. Путь успешного
функционирования.
Конъюнкция
элементов.
Дизъюнкция.
Вероятность
безотказной работы. Резервирование.
1
Abstract
The influence of information technology on the activities of an industrial
enterprise focused on enhancing innovation development factors. Established features
of the information systems of information environments, which are a set of
information systems and the hardware and software equipment. The problem of
evaluating the reliability of information environments, and propose a set of models to
assess the reliability of multi-component information to industry.
Keywords: System of innovation. Innovative Enterprise. Information
technology. Information infrastructure. Information system. Hardware and software
environment. Reliability of the information environment. Distributed modular
structure. Way successful operation. The conjunction of elements. Disjunction.
Reliabilities. Reservations.
Введение
Современные
экономические
системы
(например,
промышленные
предприятия) функционируют в условиях высококонкурентного рынка. Это
касается всех сегментов рынка – продукции, технологий, услуг, финансового и
интеллектуального
капитала
и
т.д.
Ситуация,
складывающаяся
в
макроэкономической системе под воздействием факторов глобализации,
создает
принципиально
новые
условия
деятельности
промышленных
предприятий.
Все хозяйствующие субъекты, включая промышленные предприятия, в
жесткой конкурентной борьбе должны отстаивать свое право на занятие
соответствующей рыночной ниши. Это достигается путем насыщения рынка
новыми продуктами (продуктовыми инновациями) и новыми технологиями
(процессными инновациями) [1]. Важным фактором повышения эффективности
деятельности
промышленного
предприятия
в
современных
условиях
становится применение информационных технологий [3]. Без их использования
не возможна организация рабочих мест, управление потоками ресурсов
2
(материальных,
финансовых
и
интеллектуальных),
формирование
принципиально новых организационно-производственных структур и т.д.
1. Информационные системы как фактор эффективности деятельности
промышленного предприятия
Поэтому создание информационной инфраструктуры и внедрение
информационных систем становится для предприятия важной стратегической
задачей. Решая эту задачу, следует учитывать ряд факторов. Во-первых, в
последние годы информационные технологии развиваются с огромной
скоростью, программные решения и аппаратное обеспечение могут устаревать
не только в течение двух-трёх лет, но даже нескольких месяцев. Во-вторых,
процесс создания информационной инфраструктуры предприятия и внедрения
информационных систем во времени значительно растянут. Именно этот
фактор
существенно
снижает
эффективность
разработки
и
внедрения
программных продуктов, сокращая срок их использования. Кроме того, может
возникнуть ситуация, при которой создаваемые информационные технологии
могут устареть ещё до начала их практического использования.
В последнее десятилетие ключевыми концепциями эффективности
деятельности промышленного предприятия являются скорость создания и
внедрения информационной инфраструктуры и информационных систем [2, 3],
а также использование системы инноваций (процессных, продуктовых,
организационно-управленческих,
маркетинговых,
ресурсных и
т.д.)
[1].
Поэтому основными характеристиками, позволяющими отнести промышленное
предприятие к ряду инновационных предприятий, являются наличие у
предприятия:
 совокупности
инноваций
(технологических,
маркетинговых,
организационно-управленческих и т.д.), объединенных в систему и
интегрированных в единую информационную среду;
 высокотехнологичного
оборудования,
организационно-производственных
входящего
структур,
в
сочетающих
состав
в
себе
3
высокий
уровень
гибкости
и
автоматизации
производственных
процессов;
 разветвленной информационной инфраструктуры и информационных
систем;
 высокого
интеллектуального
потенциала,
использование
которого
приводит к появлению конкурентоспособных на отечественном и
мировом рынках результатов интеллектуальной деятельности.
Совместное действие инновационных и информационных факторов
обеспечивает
промышленному
предприятию
качественный
рост
конкурентоспособности и высокую эффективность реализации совокупности
основных, вспомогательных и обслуживающих бизнес-процессов.
Современные инновационные информационные технологии являются
логическим
развитием
существующих
аппаратно-программных
сред
и
оборудования [4], используя современные вычислительные устройства в
качестве средств управления в масштабе реального времени основными
функциями, реализуемыми в процессе жизненного цикла продуктовой или
процессной инновации, а также промышленного предприятия в целом.
Существующие в настоящее время информационные среды, являющиеся
организованной
совокупностью
информационных
систем
и
аппаратно-
программного оборудования. Эти среды имеют ряд отличительных признаков,
в частности характеризуются:
 большой разветвленностью технологических подсистем;
 большим числом и разнотипностью используемого оборудования, а также
применяемых программно-аппаратных платформ;
 сложностью алгоритмов управления.
2. Проблемы оценки надежности информационной среды
Проблемы оценки надежности информационных сред и повышения
уровня этой надежности являются актуальной задачей не только для
современной прикладной науки, но и практики деятельности инновационных
предприятий [1, 5]. Однако решение этой задачи сопряжено с рядом
4
трудностей, поскольку в настоящее время теория надежности информационных
систем еще не разработана в той степени, как, например, теория надежности
аппаратного оборудования.
Применение методов теории надежности технических средств и
устройств для решения проблем обеспечения надежности информационных
сред при определенных условиях может являться довольно эффективным
инструментом,
например,
при
декомпозиции
процедур
организации
и
управления. Между аппаратным оборудованием и информационной средой с
точки зрения зависимости надежности от процесса испытаний, существует
принципиальное различие. Это различие состоит в том, что программные
компоненты информационных сред отображают элементы пространства входов
в соответствующие элементы пространства выходов. На рисунке 1 приведена
модель программной компоненты информационной системы (ПКИС).
Рис. 1. Модель программной компоненты информационной системы (ПКИС)
При наличии ошибки определенное подмножество пространства входов
отображается в пространство выходов неправильно. При применении метода,
позволяющего для всего набора входных данных поэлементно проверить
каждую из программных компонент информационной среды, можно выявить
все присущие системе ошибки и полностью исключить их из полученного
решения. Напротив, аппаратные компоненты систем могут выходить из строя
даже после проведения самых тщательных испытаний. Исходя из того, что для
5
элементов пространства входов характерна неопределенность, можно считать,
что процесс возникновения ошибок является случайным процессом [2, 4].
Экспериментальное
определение
реальной
надежности
функционирования информационных сред – весьма трудоемкая и трудно
автоматизируемая задача, так как для случайного набора входных значений
невозможно
точно
определить
обособленного подмножества
реакцию
системы.
Однако
в
рамках
не возникает определенных сложностей
при определении реакции системы. Это возможно в том случае, когда известны,
во-первых, определенные свойства блока элемента программной компоненты
информационной системы, во-вторых, вся составляющая набора входных
значений.
3. Информационные среды и распределенные модульные структуры
Современную информационную среду промышленного предприятия
можно представить в виде модели, характеризующей процесс представления
распределенной модульной структуры (рис. 2). В этой модели в качестве
модуля может выступать как аппаратно-программная часть системы, так и
программная компонента.
6
Рис. 2. Модель распределенной модульной структуры
Изображенную на рисунке 2 модель распределенной модульной
структуры можно представить в виде элементарных узлов, соединенных
параллельно-последовательным способом. Подобная модульная структура дает
представление о связи между надежностью системы и надежностью ее
элементов. Для оценки надежности полученной системы применим основные
методы теории надежности. При последовательном расчете, начиная с
элементарных узлов и заканчивая составными узлами системы, полученная
система может быть сведена к эквивалентной системе, состоящей из
параллельно соединенных узлов.
4. Модель оценки надежности информационной среды
Рассмотрим информационную среду, сведенную к трем параллельно
соединенным компонентам a, b и c.
7
Рис. 3. Параллельная структура информационной среды
Отказ всей системы, изображенной на рисунке 3, произойдет после
выхода из строя всех элементов. Условие работоспособности системы ( Fл )
можно записать в виде логической функции алгебры логики, в которой a, b и c
– события, показывающие работоспособное состояние соответствующих
элементов:
Fл  a  b  c  ...  ab  ac  bc  ...  abc
Для
понятием
оценки
работоспособных
кратчайший
путь
состояний
успешного
системы
(1)
воспользуемся
функционирования.
Этот
путь
представляет собой такую конъюнкцию1 элементов, ни один из компонентов
которой нельзя изъять, не нарушив условия функционирования системы.
Используя это понятие, условия работоспособности системы можно записать в
виде дизъюнкции2 всех кратчайших путей успешного функционирования
(ДНФ), а также перейти к вероятностной функции, с помощью которой
определяются характеристики надежности. Для перехода к вероятностной
функции от ДНФ преобразуем выражение
Fл к бесповторной форме функции
алгебры логики (БФАЛ):
Fл  a  (1 b  bc)  b  (1  c  ac)  c  (1  a  ab)  a  b  c ,
(2)
Представив эту функцию в виде:
1
Конъюнкция – функция двух и более переменных (операндов, операторов функции), принимающих
значения 0 или 1. Конъюнкция представляет собой логическое умножение булевых переменных.
2
Дизъюнкция представляет собой логическое сложение булевых переменных.
8
Fа  a  b  c  ( ab  ac  bc )  abc ,
(3)
можно заменить события их вероятностями:
Pc  Pa  Pb  Pc  ( Pa Pb  Pa Pc  Pb Pc )  Pa Pb Pc .
(4)
Таким образом, время бесперебойной работы системы, состоящей из N
параллельно соединенных элементов, будет равна:


Tcрс   Pс (t )dt   [P1  P2  ...  Pn   P1 P2  P1 P3  ...  Pn 1 Pn  
0
0
(5)
 P1 P2 P3  P1 P2 P4  ...  ...  P1 P2 ...Pn ]dt
Интенсивность отказов системы можно определить из соотношения:
d (1  e  0t ) N / dt N0 (1  e  0t ) N 1 0t
 c (t ) 

e
1  (1  e 0t ) N
1  (1  e 0t ) N
(6)
Возникновение отказов аппаратной части информационной среды также
может повлечь за собой серьезные последствия. Причиной этих отказов могут
быть различные ошибки [4, 5], включая ошибки:
 в работе ЭВМ и периферийного оборудования;
 в межмодульных соединениях;
 возникающие по вине человека;
 возникающие вследствие воздействия факторов окружающей среды, в
том числе ошибки, возникающие вследствие отклонения характеристик
источников питания.
Перечисленные виды ошибок можно исключить путем применения
различных способов резервирования аппаратной части системы. В качестве
этих способов может использоваться статическое, динамическое или гибридное
резервирование.
Вероятность безотказной работы нерезервированной системы в течение
времени T равна
9
R  e  T ,
(7)
где  – интенсивность отказа системы, T – наработка на отказ.
Для
повышения
надежности
аппаратно-программной
части
информационной среды промышленного предприятия можно использовать
метод построения модульной системы с резервированием [2 – 5]. Например,
подобная система тройным резервированием состоит из трех одинаковых
элементов, реализующих одну логическую переменную, значение которой
определяется с помощью мажоритарной схемы. Тогда вероятность безотказной
работы модульной системы с тройным резервированием определяется из
соотношения следующего вида:
R  R 3  3(1  R ) R 2  R 2 (3  2 R )
(8)
В случае несовершенной мажоритарной схемы3 вероятность будет равна
R  R 2 (3  2 R ) RM ,
(9)
где R – вероятность безотказной работы каждого элемента, R M – вероятность
безотказной работы мажоритарной схемы.
В большинстве систем независимо от степени их автоматизации в той или
иной мере необходимо участие человека как звена, обеспечивающего
реализацию заданного функционала [3, 5]. Различные классы систем могут
быть взаимосвязаны благодаря присутствию в них основного звена – человека.
Однако человек является дополнительным источником ошибок. Однако в
большинстве работ по надежности систем должного внимания исследованию
надежности человека как элемента системы не уделяется. В то же время из
теории управления известно, что влияние человеческого фактора на показатели
надежности достаточно высоко. Так, например, частота отказов в технической
системе по вине человека колеблется от 20 до 80 % [3].
3
Мажорита́рный элеме́нт (мажоритарный клапан, переключатель по большинству)— логический
элемент из класса пороговых, с чётным или нечётным числом входов и одним выходным сигналом,
значение которого совпадает со значением, на большинстве входов).
10
Показатель надежности всей системы можно определить из соотношения
следующего вида:
PS (t )  Pч (t )  Pм (t ),
(10)
где PS – показатель надежности всей системы, Pч – показатель надежности
человека, Pм – показатель надежности аппаратно-программной компоненты.
Ошибку, зависящую от человеческого фактора, можно определить как
невыполнение поставленной задачи (или выполнение запрещенного действия).
Невыполнение этой задачи или, наоборот, выполнение запрещенного действия
могут
явиться
нормального
причиной
хода
повреждения
запланированной
оборудования
работы
либо
нарушения
аппаратно-программной
компоненты системы.
Для предупреждения возникновения ошибок определим функцию
надежности работы человека в непрерывной временной области. Совместная
вероятность безошибочной работы может быть выражена моделью следующего
вида:
P ( E 2 / E1 ) P( E1 )  P( E1 )  P( E2 / E1 ) P( E1 ),
(11)
где P ( E 2 / E1 )  e(t )t , e(t ) – частота появления ошибок по вине человека в
момент времени t, E 2 – событие, состоящее в появлении ошибки человека в
интервале времени [t , t  t ] .
Данное выражение можно переписать в виде:
Rh (t )  Rh (t ) P ( E 2 / E1 )  Rh (t  t ),
(12)
где Rh (t ) – вероятность безошибочной работы человека.
В предельном случае имеем, что:
dRh (t )
  e(t ) Rh (t ).
dt
(13)
Решение данного дифференциального уравнения при начальных условиях
11
Rh ( t )
t
 e(t )dt   
0
1
1
dRh (t )
Rh (t )
(14)
имеет вид
t
Rh (t )  e
Полученное
нами
выражение
 e ( t ) dt
0
(15)
.
(15)
для
определения
вероятности
безошибочной работы человека может быть использовано в качестве основы
для формирования механизма предупреждения возникновения ошибок работы
человека в непрерывной временной области.
Заключение
Таким образом, предлагаемый в статье подход для оценки и повышения
надежности информационных сред промышленного предприятия, в основе
которого лежат методы теории надежности технических средств и устройств,
позволяет повысить надежность и эффективность проектирования сложных
информационных систем, учитывая наличие человеческого фактора как
источника основных отказов.
Библиографический список:
1. Барыкин А.Н. Механизм инновационного развития предприятия //
Инвестиции, инновации, экономическая безопасность: Труды секции
инвестиции и экономическая безопасность Вып. 8. – М.: Изд-во Рос. экон.
акад., 2004. – С. 92-98.
2. Батова М.М., Ковшов Е.Е., Митропольский Н.Н. Комплексный подход в
интеллектуальном анализе данных прикладной информационной системы
// Вестник Университета // Развитие отраслевого и регионального
управления, № 9 М.: ГУУ. 2011. – С. 86-89.
3. Батова М.М, Ковшов Е.Е, Смирнов О.С. Разработка информационных
систем
инновационного
промышленного
предприятия
на
основе
12
унифицированного модульного подхода // Инновации. – 2011. – № 5(151).
– с. 102-106.
4. Борисенко Е.В., Ковшов Е.Е. Применение инструментальных средств
обработки
корпоративной
информации
на
основе
программно-
аппаратных технологий // Вестник МГТУ «Станкин». – М.: МГТУ
«Станкин», 2010. – №3. – с. 123-129.
5. Костров И.А., Ковшов E.E. Сервисно-ориентированная архитектура
приложений как средство организации распределенных систем в среде
слабоструктурированных данных // Вестник МГТУ «Станкин». М.: МГТУ
«Станкин», №3(22), 2012. – с. 140-145.
13