基于GSPN的艦載服務(wù)器系統(tǒng)可靠性建模及分析

李 展，單士華

（黃河科技學(xué)院，鄭州 450063）

基于GSPN的艦載服務(wù)器系統(tǒng)可靠性建模及分析

李 展，單士華

（黃河科技學(xué)院，鄭州 450063）

提出一種基于廣義隨機(jī)Petri網(wǎng)（Generalized Stochastic Petri Net，GSPN）的艦載服務(wù)器系統(tǒng)可靠性分析方法。深入分析艦載服務(wù)器系統(tǒng)故障模式的基礎(chǔ)上，建立冗余服務(wù)器子系統(tǒng)的GSPN模型和共享數(shù)據(jù)盤(pán)子系統(tǒng)的GSPN模型，進(jìn)而綜合得到艦載服務(wù)器系統(tǒng)的全局GSPN模型，有效模擬了艦載服務(wù)器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性，為艦載服務(wù)器系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)提供理論參考。

廣義隨機(jī)Petri網(wǎng)，艦載服務(wù)器系統(tǒng)，可靠性，可用度

0 引言

隨著現(xiàn)代艦船智能化、信息化水平的日益提升，其系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜度不斷擴(kuò)大，艦載服務(wù)器系統(tǒng)需要處理更多的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等關(guān)鍵使命信息［1］。但是現(xiàn)役艦載服務(wù)器系統(tǒng)往往由于暫時(shí)性的錯(cuò)誤或停機(jī)等故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，甚至災(zāi)難性的后果，這是因?yàn)楝F(xiàn)有艦載服務(wù)器系統(tǒng)大多基于傳統(tǒng)解析法進(jìn)行設(shè)計(jì)的，無(wú)法適應(yīng)現(xiàn)代艦船對(duì)服務(wù)器系統(tǒng)可用性要求［2-3］。因此，選擇一種合適的理論工具從定量的角度評(píng)估艦載服務(wù)器系統(tǒng)可靠性是一個(gè)尤為緊迫的理論與工程性問(wèn)題。

廣義隨機(jī)Petri網(wǎng)［4］（Generalized Stochastic Petri Net，GSPN）是一種高級(jí)Petri網(wǎng)，已經(jīng)在航空、裝甲車(chē)和軟件等諸多領(lǐng)域的可靠性建模與分析中得到了研究與應(yīng)用［5-8］。本文的目的在于引入GSPN技術(shù)建立艦載服務(wù)器系統(tǒng)的可靠性分析模型，評(píng)估其的可靠性，為艦載服務(wù)器系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)提供新的思路。

1 艦載服務(wù)器系統(tǒng)故障模式分析

1.1 艦船服務(wù)器系統(tǒng)工作原理

如下頁(yè)圖1所示為艦載服務(wù)器系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)［2-3］，包括冗余服務(wù)器子系統(tǒng)和共享數(shù)據(jù)盤(pán)子系統(tǒng)。在冗余服務(wù)器子系統(tǒng)中，每臺(tái)服務(wù)器又包括基本處理單元、NIC網(wǎng)卡和SCSI控制器模塊。每臺(tái)服務(wù)器有各自的系統(tǒng)盤(pán)，用以安裝各類(lèi)功能軟件，此外還擁有共享數(shù)據(jù)盤(pán)，用以存儲(chǔ)應(yīng)用數(shù)據(jù)。兩臺(tái)服務(wù)器備份工作，當(dāng)一臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，另外一臺(tái)服務(wù)器接管相應(yīng)的工作任務(wù)，保證為各個(gè)終端提供安全、可靠、及時(shí)穩(wěn)定的服務(wù)。

圖1 艦載服務(wù)器系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 故障模式分析

如圖2所示為艦載服務(wù)器系統(tǒng)的故障樹(shù)，用以描述其故障的傳遞關(guān)系。冗余服務(wù)器子系統(tǒng)故障B1和共享數(shù)據(jù)盤(pán)子系統(tǒng)故障B2以或門(mén)邏輯引發(fā)全局系統(tǒng)故障A。服務(wù)器A故障C1和服務(wù)器B故障C2以與門(mén)邏輯引發(fā)冗余服務(wù)器子系統(tǒng)故障B1。基本處理單元1故障D1、NIC網(wǎng)卡1故障D2和SCSI控制器1故障D3以或門(mén)邏輯引發(fā)服務(wù)器1故障C1；基本處理單元2故障D4、NIC網(wǎng)卡2故障D5和SCSI控制器2故障D6以或門(mén)邏輯引發(fā)服務(wù)器2故障C2。共享數(shù)據(jù)盤(pán)1故障D7和共享數(shù)據(jù)盤(pán)2故障D8以與門(mén)邏輯引發(fā)共享數(shù)據(jù)盤(pán)子系統(tǒng)故障B2。系統(tǒng)中各種故障通常可以通過(guò)重新啟動(dòng)和更換設(shè)備得以修復(fù)。

圖2 艦載服務(wù)器系統(tǒng)故障樹(shù)

2 艦載服務(wù)器系統(tǒng)的GSPN模型

2.1 基本假設(shè)

①根據(jù)艦載服務(wù)器系統(tǒng)的構(gòu)成特點(diǎn)及靜動(dòng)態(tài)特性對(duì)其進(jìn)行分解，將基本處理單元、NIC網(wǎng)卡、SCSI控制器和共享數(shù)據(jù)盤(pán)等作為建?；締卧?/p>

②僅考慮建模單元正常與故障兩個(gè)狀態(tài)。

③建模單元從正常到故障的過(guò)程服從參數(shù)為λ的Poisson過(guò)程。

④建模單元從故障到正常的維修過(guò)程服從參數(shù)為μ的Poisson過(guò)程。

2.2 GSPN模型要素用法

在艦載服務(wù)器系統(tǒng)的GSPN建模過(guò)程中，各種模型要素的具體用法見(jiàn)表1。

表1 GSPN模型要素用法

2.3 基于GSPN的艦載服務(wù)器系統(tǒng)建模

基于模塊思想，首先建立冗余服務(wù)器子系統(tǒng)的GSPN模型和共享數(shù)據(jù)盤(pán)子系統(tǒng)的GSPN模型，進(jìn)而綜合得到了艦載服務(wù)器系統(tǒng)的全局GSPN模型。

2.3.1 冗余服務(wù)器子系統(tǒng)的GSPN建模

圖3 冗余服務(wù)器子系統(tǒng)的GSPN模型

冗余服務(wù)器子系統(tǒng)的GSPN模型如圖3所示。模型注釋見(jiàn)下頁(yè)表2和表3。模型工作過(guò)程：模型初始化，模型標(biāo)識(shí)如圖3所示，此時(shí)，冗余服務(wù)器子系統(tǒng)正常工作，某個(gè)隨機(jī)時(shí)間后，假設(shè)服務(wù)器1中NIC網(wǎng)卡1由工作狀態(tài)Pd2w變?yōu)楣收蠣顟B(tài)Pd2f（庫(kù)所Pc1n標(biāo)記個(gè)數(shù)為1，用以禁止服務(wù)器1中其他工作單元發(fā)生故障），則服務(wù)器1由工作狀態(tài)Pc1w變?yōu)楣收蠣顟B(tài)Pc1f。如果此時(shí)服務(wù)器2也由于某個(gè)工作單元發(fā)生故障也由工作狀態(tài)Pc2w變?yōu)楣收蠣顟B(tài)Pc2f，則即時(shí)變遷Tb1f激活，冗余服務(wù)器子系統(tǒng)由工作狀態(tài)Pb1w變?yōu)楣收蠣顟B(tài)Pb1f。再過(guò)某個(gè)隨機(jī)時(shí)間后，假設(shè)服務(wù)器1中NIC網(wǎng)卡得到維修，其由故障狀態(tài)Pd2f變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)Pd2w（此時(shí)，庫(kù)所Pb2f和Pc1n的標(biāo)記都消失），則服務(wù)器1也由故障狀態(tài)Pc1f變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)Pc1w，接著即時(shí)變遷Tb1w1和Tb1r激活，庫(kù)所Pb1f的標(biāo)記消失，而庫(kù)所Pb1w獲得一個(gè)標(biāo)記，表明冗余服務(wù)器子系統(tǒng)恢復(fù)工作狀態(tài)。

表2 主要庫(kù)所及其含義

表3 主要變遷及其含義

2.3.2 共享數(shù)據(jù)盤(pán)子系統(tǒng)的GSPN建模

共享數(shù)據(jù)盤(pán)子系統(tǒng)的GSPN模型如圖4所示。模型注釋見(jiàn)表4和表5。模型工作過(guò)程：模型初始化，模型標(biāo)識(shí)如圖4所示，此時(shí)，共享數(shù)據(jù)盤(pán)子系統(tǒng)正常工作，某個(gè)隨機(jī)時(shí)間后，假設(shè)共享數(shù)據(jù)盤(pán)1由工作狀態(tài)Pd7w變?yōu)楣收蠣顟B(tài)Pd7f，庫(kù)所Pb2w的標(biāo)記個(gè)數(shù)由2變?yōu)?，庫(kù)所Pb2n的個(gè)數(shù)由0變?yōu)?。當(dāng)庫(kù)所Pd2w的標(biāo)記個(gè)數(shù)變?yōu)?，庫(kù)所Pb2n的個(gè)數(shù)變?yōu)?時(shí)，即時(shí)變遷Td2f激活，共享數(shù)據(jù)盤(pán)子系統(tǒng)變?yōu)楣收蠣顟B(tài)Pd2f。再過(guò)某個(gè)隨機(jī)時(shí)間后，假設(shè)數(shù)據(jù)盤(pán)2由故障狀態(tài)Pd8f變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)Pd8w，則共享數(shù)據(jù)盤(pán)子系統(tǒng)又恢復(fù)工作狀態(tài)Pd2w。

圖4 共享數(shù)據(jù)盤(pán)子系統(tǒng)的GSPN模型

表4 主要庫(kù)所及其含義

表5 主要變遷及其含義

2.3.3 艦載服務(wù)器系統(tǒng)的GSPN全局模型

艦載服務(wù)器系統(tǒng)的GSPN模型如下頁(yè)圖5所示。模型工作過(guò)程：艦載服務(wù)器系統(tǒng)正常工作，某個(gè)隨機(jī)時(shí)間后，假設(shè)共享數(shù)據(jù)盤(pán)子系統(tǒng)發(fā)生故障，變遷Tb2f激活，則共享數(shù)據(jù)盤(pán)子系統(tǒng)變?yōu)楣收蠣顟B(tài)Pb2f，同時(shí)艦載服務(wù)器系統(tǒng)變?yōu)楣收蠣顟B(tài)Paf。再經(jīng)過(guò)某個(gè)隨機(jī)時(shí)間后，共享數(shù)據(jù)盤(pán)子系統(tǒng)恢復(fù)正常工作，變遷Tb2r激活，則共享數(shù)據(jù)盤(pán)子系統(tǒng)由故障狀態(tài)Pb2f變?yōu)楣ぷ鳡顟B(tài)Pb2w，同時(shí)庫(kù)所Paf中的標(biāo)記消失，表明艦載服務(wù)器系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。

圖5 艦載服務(wù)器系統(tǒng)的GSPN全局模型

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境及仿真配置

TimeNET4.0軟件［9］是德國(guó)工業(yè)大學(xué)Zimmermann A領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)的一套可以支持GSPN建模與分析工具。本文在該軟件環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了艦載服務(wù)器系統(tǒng)的GSPN模型，定義艦載服務(wù)器系統(tǒng)A的可用度為Pa=1-P{#Paf＞0}；冗余服務(wù)器子系統(tǒng)的可用度為Pb1=1-P{#Pb1f＞0}；共享數(shù)據(jù)盤(pán)子系統(tǒng)的可用度為 Pb2=1-P{#Pb2f＞0}；服務(wù)器的可用度為Pc1=Pc2=1-P{#Pcif＞0}（i=1，2）；基本處理單元的可用度為Pd1=Pd4=P{#Pdiw＞0}（i=1，4）；NIC網(wǎng)卡的可用度為Pd2=Pd5=P{#Pdiw＞0}（i=2，5）；SCSI控制器的可用度為Pd3=Pd6=P{#Pdiw＞0}（i=3，6）；共享數(shù)據(jù)盤(pán)的可用度為Pd7=Pd8=P{#Pdiw＞0}（i=7，8）。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表6所示；軟件參數(shù)設(shè)置：仿真置信區(qū)間為95%，最大相對(duì)誤差為10%，采樣點(diǎn)25個(gè)。

3.2 仿真結(jié)果及分析

仿真結(jié)果如圖6～圖13所示。艦載服務(wù)器系統(tǒng)的全局可用度變化范圍為［91.8%，100%］，冗余服務(wù)器子系統(tǒng)和共享數(shù)據(jù)盤(pán)子系統(tǒng)的可用度變化范圍分別為［97.1%，100%］和［92.5%，100%］，可見(jiàn)全局可用度小于冗余服務(wù)器子系統(tǒng)和共享數(shù)據(jù)盤(pán)子系統(tǒng)的可用度，這是因?yàn)槿哂喾?wù)器子系統(tǒng)和共享數(shù)據(jù)盤(pán)子系統(tǒng)是按照或門(mén)邏輯進(jìn)行連接的。服務(wù)器可用度的變化范圍為［75.1%，100%］，共享數(shù)據(jù)盤(pán)可用度的變化范圍為［64.7%，100%］，分別小于冗余服務(wù)器子系統(tǒng)和共享數(shù)據(jù)盤(pán)子系統(tǒng)的可用度，這是因?yàn)橛捎谌哂喾?wù)器子系統(tǒng)和共享數(shù)據(jù)盤(pán)子系統(tǒng)采用了與邏輯，因而可用度得到了較大的提高?；咎幚韱卧?、NIC網(wǎng)卡和SCSI控制器的可用度變化范圍分別為［90.1%，100%］、［88.2%，100%］和［87.0%，100%］，都大于服務(wù)器可用度，這是因?yàn)榘凑栈蜻壿嫳舜诉B接的，因而整體可用度減低了。綜上，在設(shè)計(jì)艦載服務(wù)器系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量增加與門(mén)邏輯設(shè)計(jì)，減少或門(mén)邏輯設(shè)計(jì)；可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，選擇不同的模塊進(jìn)行模擬仿真，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足特定可用度要求的方案。

表6 系統(tǒng)故障率和維修率

圖6 全局可用度

圖7 冗余服務(wù)器子系統(tǒng)可用度

圖8 數(shù)據(jù)盤(pán)子系統(tǒng)可用度

圖10 基本處理單元可用度

圖11 NIC網(wǎng)卡可用度

圖12 SCSI控制器可用度

圖13 共享數(shù)據(jù)盤(pán)可用度

4 結(jié) 論

以艦載服務(wù)器系統(tǒng)為研究對(duì)象，研究一種新的基于GSPN的可靠性評(píng)估方法。將艦載服務(wù)器系統(tǒng)分為冗余服務(wù)器子系統(tǒng)和共享數(shù)據(jù)盤(pán)子系統(tǒng)，分別建立其GSPN模型。在此基礎(chǔ)上，綜合兩個(gè)子系統(tǒng)模型得到系統(tǒng)全局GSPN模型，有效地刻畫(huà)了艦載服務(wù)器系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性。本文的研究可以為設(shè)計(jì)滿(mǎn)足特定可用度要求的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供理論參考。下一步將結(jié)合智能算法，研究各個(gè)模塊在不同故障率和維修率情況下的系統(tǒng)可用度變化規(guī)律和特點(diǎn)。

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Modeling and Analysis of Reliability for Shipboard Server System by GSPN

LI Zhan，SHAN Shi-hua
（Huanghe Science and Technology College，Zhengzhou 450063，China）

This paper presents to introduce Generalized Stochastic Petri Net（GSPN）in the application of reliability analysis of Shipboard Server System（SSS）.On the basis of analyzing the fault mode of SSS，constructing the GSPN model of redundant server subsystem and the GSPN model of sharing data disk subsystem，the GSPN model of SSS is obtained and the dynamic behaviour of SSS can be simulated with the model.The proposed method is verified by the simulation experiment.The work in this paper can be useful for the analysis and design of SSS.

generalized stochastic Petri net，shipboard server system，reliability，availability

TP393

A

1002-0640（2015）05-0057-04

2014-02-26

2014-05-14

李 展（1983- ），男，河南南陽(yáng)人，碩士，講師。主要研究方向：可靠性、軟件工程等研究。