Методика оценки функциональной надежности компонент программно-аппаратной встраиваемой микропроцессорной системы управления

Цель. Выполнить анализ терминологии надежности применительно к встраиваемым программно-аппаратным системам, разработать методику оценки функциональной надежности компонентов программно-аппаратной встраиваемой микропроцессорной системы управления и провести практическую оценку надежности актуальных на сегодняшний день программно-аппаратных компонент уровня встраиваемого компьютера и микроконтроллера для выбора оптимальной структуры системы управления. В качестве объекта управления используется опытный образец медицинского робота, выполняющего функции удержания хирургических инструментов, ранорасширителей по Фараберу и пр. В состав системы робота входит микропроцессорный блок на распространенном одноплатном компьютере, реализующий высокоуровневые функции управления и распознавания голосовых команд, дополнительный микропроцессорный блок для управления сервоприводами и получения входных сигналов, а также исполнительные модули – приводы. Методы. В статье применяются методы анализа библиографических источников, выполнен анализ нерецензируемых сборников документов, ранее закрытых иностранных стандартов и публикаций. Результаты. Представлена методика оценки функциональной надежности компонентов программно-аппаратной встраиваемой микропроцессорной системы управления. Выполнен расчет вероятности безотказной работы программных и аппаратных компонент рассматриваемой системы по статистическим оценкам и по объему кода. Несмотря на различные методы расчета и справочные данные, результаты в целом близки. Также выполнена оценка вероятности безотказной работы программных средств для альтернативной структуры системы управления, когда часть важных функций разделена с дополнительным программно-аппаратным блоком, имеющим более высокий уровень надежности. В данном случае таким блоком является микроконтроллер Atmega32, который будет обеспечивать непосредственное управление работой приводов. Сравнительный анализ результатов показывает, что за счет внедрения дополнительного уровня с частичным распараллеливанием функций и частичным резервированием каналов управления была значительно повышена оценка вероятности безотказной работы системы в заданных условиях. На основании расчетов сформирована структура системы управления с двумя системными уровнями, обладающая высокими значениями вероятности безотказной работы. Заключение. С учетом тенденции к интеграции максимального числа функций в единую микропроцессорную систему, для повышения функциональной надежности предпочтительной схемой является двухуровневое структурное представление функциональной схемы, при котором ключевые задачи в части непосредственной работы с аппаратным окружением перераспределяются в пользу отдельного аппаратного модуля. Кроме того, в рамках встраиваемых систем такой подход часто позволяет выделить нижний системный уровень, работающий в режиме реального времени и верхний системный уровень, отвечающий за высокоуровневые функции, такие как распознавание речи, передачу данных посредством коммуникационных интерфейсов и реализацию функций искусственного интеллекта. Не до конца решенным является вопрос практической оценки надежности встраиваемого программного обеспечения, особенностью которого является отсутствие виртуализации и уровня аппаратной абстракции и, как следствие, тесная взаимосвязь с аппаратной частью и периферией. Очевидно, что во время испытаний недостаточно многократно повторять соответствующие испытания, а целесообразно формировать тестовые комбинации из внешних аппаратных воздействий (аномалий сигнального уровня) и программных воздействий на периферию микроконтроллера.

1. Deepa V.V., Thamotharan B., Mahto D. et al. Smart embedded health monitoring system and secure electronic health record (EHR) transactions using blockchain technology // SoftComput. 2023. Vol. 27. Pp. 12741–12756. DOI: 10.1007/s00500-023-08893-4

2. Siraj I., Bharti P.S. Reliability analysis of a 3D Printing process // Procedia Computer Science. 2020. Vol. 173. Pp. 191-200. DOI: 10.1016/j.procs.2020.06.023

3. Shubinsky I.B., Schäbe H. On the definition of functional reliability // RT&A. 2012. № 4(27). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/on-the-definition-of-functionalreliability (дата обращения: 12.08.2024).

4. Burgazzi L. Reliability Evaluation of Passive Systems Through Functional Reliability Assessment // NuclearTechnology. 2003. Vol. 144. DOI: 10.13182/NT144-145.

5. Шубинский И.Б. Структурная надежность информационных систем. Методы анализа. М.: «Журнал Надежность», 2012. 216 с.

6. Ершов Г.А., Семериков В.Н., Семериков Н.В. Чему верить? О системе стандартов «Надежность в технике» // Стандарты и качество. 2018. № 8. С. 14-19.

7. Нетес В.А. Как вернуть доверие? О системе стандартов «Надежность в технике» // Стандарты и качество. 2019. № 2. С. 19-24.

8. Потапов И.В., Баева М.А. Вопросы терминологии надежности в области программ и программных средств // Надежность. 2015. № 4. С. 65-74. DOI: 10.21683/17292646-2015-0-4-65-74

9. Шубинский И.Б. Методы обеспечения функциональной надежности программ // Надежность. 2014. № 4. С. 87-101. DOI: 10.21683/1729-2646-2014-0-4-87-101

10. Нетес В.А. Объект в надежности: определение и содержание понятия // Надежность. 2019. № 19(4). С. 3-7. DOI: 10.21683/1729-2646-2019-19-4-3-7

11. Климов С.М., Сосновский Ю.В. Методика оценки защищенности микропроцессорных систем управления в условиях информационно-технических воздействий // Надежность. 2018. № 18(4). С. 36-44. DOI: 10.21683/1729-2646-2018-18-4-36-44

12. Капур К., Ламберсон Л. Надежность и проектирование систем / под ред. И.А. Ушакова. Пер. с англ. М.: «Мир», 1980. 604 с., ил.

13. Системное обоснование концептуальных положений применения передовых космических технологий / под ред. В.М. Буренка и А.Е. Тюлина. М.: Инновационное машиностроение, 2023. 372 с., ил.

14. Littlewood B., Strigini L. Validation of Ultra-High Dependability for Software-based Systems // Commun. ACM. 1993. Vol. 36. Pp. 69-80. DOI: 10.1145/163359.163373

15. Предложение по определению эксплуатационной надежности программного обеспечения сложных технических систем / А.С. Белов, М.М. Добрышин, А.Н. Горшков, Д.Е. Шугуров // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. № 9. С. 143-148. DOI: 10.24412/2071-6168-20229-143-148

16. Ивутин А.Н., Суслин А.А. О некоторых применениях статистических распределений в оценке надежности программного обеспечения // Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. № 2. С. 568-575.