litceysel.ru 1 2 3


На правах рукописи


Ханджян Аркадий Олегович


Повышение надежности программного обеспечения информационно измерительных и управляющих систем безопасности ядерных радиационно-опасных объектов


Специальность 05.11.16 – «Информационно-измерительные и управляющие системы»

(промышленность)


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Москва - 2006

Работа выполнена в НИЦ «СНИИП».


Научный руководитель:

доктор технических наук

Чебышов С.Б.







Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Самхарадзе Т.Г.










кандидат технических наук

Бусаров П.А.







Ведущая организация:

РНЦ «Курчатовский институт»



Защита состоится «19» октября 2006 г. в 11 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д.201.005.01 при ФГУП Научно-Инженерном Инженерный Центре «СНИИП» в зале НТС по адресу: 123060 г. Москва, ул. Расплетина, 5.


С диссертацией можно ознакомиться в научно технической библиотеке ФГУП НИЦ «СНИИП» (тел 198-41-35)


Автореферат разослан «___»________200_г.


Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук

Хазанов Д.Б.




1.ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ


Актуальность исследования

Применение программного обеспечения (ПО) на радиационно-опасных объектах и прежде всего на атомных электростанциях (АЭС) требует изучения вопроса повышения надежности такого ПО. Каждая ошибка в ПО, применяемом в системах важных для безопасности АЭС (таких как система внутриреакторного контроля, система контроля и управления, автоматизированная система контроля радиационной обстановки), может привести к серьезным последствиям и даже аварийным ситуациям. При этом сжатость сроков разработки, ограниченность в людских и финансовых ресурсах часто не позволяет достичь требуемых показателей надежности ПО. Поэтому необходимо выработать рекомендации по созданию надежного ПО, прогнозированию характеристик ПО в условиях ограниченных ресурсов и достижению требуемых показателей надежности ПО.

Интенсивное и масштабное использование вычислительной техники в задачах автоматизации радиационно-опасных объектов (РОО), её корректная работа часто является критичной для надежного обеспечения управления и контроля за работой объектов и обеспечения их безопасности. В этой связи создание надежного ПО и программно-технических средств (ПТС) имеют сегодня первостепенную важность, т.е. надежность ПО является важнейшей характеристикой ПО информационно-измерительных и управляющих систем безопасности ЯУ.

В связи с этим можно выделить несколько основных показателей, оказывающих существенное влияние на надежность ПО:

  • сложность радиационно-опасных объектов с точки зрения формализации описания алгоритмов их функционирования;

  • неповторимость и уникальность ПО для конкретных РОО;
  • нечеткая формализация заказчиком требований к программной автоматизации технологических процессов конкретного РОО;


  • неточное понимание разработчиком ПО требований заказчика;

  • выявление проектных ошибок на поздних этапах создания объекта и как следствие необходимость корректировки ПО;

  • отсутствие специализированных, проверенных и измеряемых метрик, позволяющих дать точную характеристику программному продукту на всех этапах его создания и сопровождения;

  • появление новых непроверенных технологий программирования, стандартов и инструментов разработки программ, быстрое устаревание существующих операционных систем (ОС), технологий, библиотек программ и инструментов программирования;

  • ограниченность ресурсов, необходимых для создания высоконадежного ПО зачастую приводит к исключению из работы таких важных этапов, как макетирование и тестирование.

Указанные факторы в своей совокупности существенно снижают надежность ПО РОО. Учитывая, что данная характеристика является одной из важнейших при создании информационно-измерительных и управляющих систем безопасности РОО и ядерных установок (ЯУ), существенное повышение надежности ПО для указанного класса систем представляет собой актуальную проблему. Для создания надежного ПО целесообразно разработать механизм его создания, критерии его оценки и прогнозирования результирующих значений его надежностных характеристик.

Цели и задачи диссертации

Целью диссертационной работы является усовершенствование методов и разработка рекомендаций для повышения надежности программного обеспечения ядерных радиационно-опасных объектов на основе построения модели надежности ПО, позволяющей проводить расчет характеристик надежности ПО (таких как, время наработки до отказа, коэффициент готовности, вероятность отказа) и на основе этой модели прогнозировать изменение этих характеристик во времени, а также оптимизировать затраты и ресурсы на построение надежного ПО. В связи с поставленной целью в диссертационной работе решены следующие задачи:


  • изучены существующие модели надежности ПО и методы разработки надежного ПО, что позволило сделать вывод о необходимости разработки новой модели надежности ПО;

  • разработана новая математическая модель надежности ПО, использование которой позволяет учесть влияние характеристик ПО на надежность (таких как одна программ, много программ, системы типа клиент-сервер);

  • разработана методология моделирования поведения надежности ПО во времени для оптимизации ресурсов и оценки времени тестирования;

  • разработаны методы и рекомендации для повышения надежности ПО;

  • результаты моделирования сравнены с надежностными характеристиками реального ПО при его тестировании и эксплуатации, что позволило рекомендовать предложенный подход для повышения надежности ПО ЯОО.

Объект исследования: программное обеспечение систем важных для безопасности РОО и ЯУ.

Предмет исследования: характеристики надежности программного обеспечения радиационно-опасных объектов.

Методологические и теоретические основы исследования. Метод исследования. В качестве теоретической основы при выполнении диссертационной работы использованы: теория массового обслуживания, теория вероятностей, теория линейного программирования, методы разработки программного обеспечения, международные и отечественные стандарты по программному обеспечению. В качестве метода исследования выбран метод Монте-Карло.

Информационная база исследования

В качестве информационных источников в работе использовались научные данные и сведений из книг, журнальных статей, а также международные и отечественные стандарты по разработке и применению программного обеспечения, результаты собственных расчетов и проведенных экспериментов, отчеты и документы о разработке, тестировании, испытании и эксплуатации программного обеспечения автоматизации систем радиационного контроля АЭС, системного и диагностического программного обеспечения программно-технических средств систем важных для безопасности АЭС.


Научная новизна


  • на основе теории систем массового обслуживания разработана новая модель надежности ПО с потоком устранения ошибок одновременно во всех программных модулях при устранении этой ошибки в одном модуле.

  • поставлены и решены задачи линейного программирования оценки оптимальных ресурсов для создания и сопровождения надежных программных систем;

  • разработана методология анализа надежности ПО как процесс возникновения и устранения ошибок в ПО на всех этапах жизненного цикла ПО;

  • разработан алгоритм моделирования для прогнозирования поведения надежности ПО во времени.

Личный вклад

При выполнении диссертационной работы автором были сформулированы задачи исследований, проведен обзор, разработана модель надежности, разработана алгоритм и программа прогнозирования надежности. Результаты исследований были апробированы автором при создании и сопровождении ПО для автоматизированных систем контроля радиационной обстановки (АСКРО), программы диагностики программно-технических средств (ПТС), системного программного обеспечения (СПО) ПТС, испытаниях ПТС.

Практическая значимость работы

Результаты выполненных исследований могут быть использованы при построении ответственных программных систем применяемых на ядерных радиационно-опасных объектах, для прогнозирования и оценки надежности ПО и при расчете надежности систем в целом, а именно систем внутриреакторного контроля (СВРК), систем контроля, управления и диагностики (СКУД), АСКРО, автоматизированных систем радиационного контроля (АСРК) для разработки и эксплуатации малых и средних программных комплексов (до 100 тысяч строк, участие 2-10 программистов).

Научная и практическая значимость, полученных в диссертации результатов

Основные положения и результаты диссертационной работы были опробованы и применены:


  • при разработке и эксплуатации автоматизированной системы радиационного контроля Волгодонской АЭС;

  • при разработке автоматизированной системы радиационного контроля НИЦ «СНИИП»;

  • при разработке, испытаниях и эксплуатации системного программного обеспечения программно-технических средств СВРК и СКУД АЭС Козлодуй (Болгария), Моховце (Словакия), Тяньвань (Китай), Бушер (Иран), Балаково, Калинин, Волгодонск (Россия).

  • при разработке и эксплуатации диагностической программы ПТС серии ПАМИР;

  • в работе лаборатории разработки программных средств для определения оптимальных ресурсов, необходимых для разработки и сопровождения ПО;

  • при разработке новой редакции стандарта «IEC 62138 Ed.1: Nuclear power plants - Instrumentation and control for systems important to safety - Software for computer-based I&C systems supporting category B or C functions» в качестве эксперта комиссии 45А МЭК.

Публикации и апробация результатов

Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 9 печатных научных изданиях и доложены на 5 научно-технических конференциях (см. Список публикаций на стр. 26).

Перечень базисных положений, выносимых на защиту:

    • Рассмотрены факторы, влияющие на надежность ПО: виды разработок, цена разработки и сопровождения, качество. Экстремальное программирование (ЭП) наиболее приемлемо для разработки надежного ПО для средних и малых групп разработчиков.

    • Рассмотрены существующие на сегодняшний день модели надежности ПО. Необходимо разработать новую более простую и комплексную модель надежности для малых и средних программ, так как существующие модели либо слишком сложны, либо учитывают только одну из сторон разработки ПО, часто основанной на объеме текста программ и начальном количестве ошибок.
    • Создана новая модель надежности ПО. Применение марковского подхода позволяет получить весь комплекс математически обоснованных выражений и графических зависимостей, обеспечивающих оценку основной характеристики ПО – его надежности и соответственно сформулировать задачи повышения его надежности.


    • Изучено распределение ошибок по этапам жизненного цикла (ЖЦ) и делается вывод по оптимальному распределению времени для разработки высоконадежного ПО. Рассчитаны оптимальные ресурсы для разработки и сопровождения надежного ПО.

    • Проведена экспериментальная проверка предложенной модели с помощью розыгрышей по методу Монте-Карло. Полученные результаты сравнены с другими моделями надежности ПО. Модель и результаты розыгрыша используются для прогнозирования характеристик надежности ПО.

    • Поставлены и решены задачи линейного программирования для поиска оптимальных параметров разработки надежного ПО.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, библиографического списка, включающего 56 наименования, трех приложений. Работа изложена на 157 страницах с 70 рисунками и 106 пронумерованными формулами.

В главе 1 дается обзор современных методов повышения надежности ПО, процессов и характеристик разработки ПО, существующих моделей надежности ПО.

В главе 2 описывается построение новой модели надежности ПО, созданной на основе марковской теории массового обслуживания.

В главе 3 проводится исследование путей повышения надежности ПО на основе предложенной модели надежности ПО, предлагается алгоритм моделирования поведения надежности ПО от времени, приводятся результаты моделирования.

В главе 4 делаются основные выводы и заключение по итогам работы.

В приложениях приводятся листинги программ и обзор существующих модели надежности ПО.



следующая страница >>