主从多机通信系统可靠性建模研究案例一.docVIP

“工程问题建模与仿真”之案例3 一个RS485多机通信系统的可靠性评估 基本条件和实验要求(2016-10-27更新) 1． 词汇表 1 2． 物理模型 3 3． 理论假设、基本参数 5 3.1 关于部件划分和元件组合方式 5 3.2 关于发生故障的概率和排除故障所需的时间 5 3.3 关于故障后果 5 3.4 其他 6 4． 建立仿真模型 6 5． 仿真实验和问题求解 7 6． 仿真算法提示 8 6.1 关于处于检修状态为何不视作停机 8 6.2 关于无故障运行时间的“非完整段落” 8 7． 报告写作 9 8． 课题研究报告评判要领 9 9． 避免不正当使用他人工作成果 10 词汇表 元件 部件的基本构成单位，也是模型中系统的最小组成单位，具有“原子性”，不对其分割研究。 部件 由一个或多个元件构成。在模型中构成一个部件的元件组合结构具有“纯粹性”，即只能是以下三种情形之一：串联组合、并联组合、k-out-of-n组合。多个部件可以组合为具有一定功能的子系统。 子系统 由若干部件构成，能完成一组特定功能。为方便讨论，模型中整个系统被划分为5个子系统：通信主机子系统、集线器子系统、三个相互独立的通信从机子系统。 串联组合 参与组合的所有元（部）件之一失效，则整体失效。 并联组合 参与组合的所有元（部）件全部失效，则整体才失效。 k-out-of-n组合 参与组合的所有n个元（部）件中，若至少有k个正常，则整体正常；换言之，多于(n-k)个同时失效，则整体才失效。这类似一种投票机制。 系统故障 系统内若存在有处于失效状态的部件，则认为有系统故障。 系统重大故障 系统运行中的下述情形，列为系统重大故障。这些情形可能同时并存。 通信主机子系统失效或无法通信（双机热备时，双机同时失效或无法通信）。 集线器发生故障。 因某个通信机的某类特定故障，引发通信总线阻塞，整个通信网络瘫痪。 三个通信从机子系统构成2-out-of-3组合，有两个或两个以上同时失效或无法通信则视为重大故障。 系统一般故障 除列为系统重大故障之外的其他系统故障。 （通信）总线阻塞 系统中的通信总线是各通信机间的共享信道。在同一时刻，至多只能有一台通信机的接口电路工作于发送信息状态，并占用信道。当某台通信机出现特定故障，使其通信接口电路无法退出发送状态，会造成通信总线阻塞。此时，因信道被占用，其他处于正常状态的通信机间也无法进行通信。 双机热备份 通信主机子系统可配置为双机热备份，实现冗余容错。 结构相同的双机同步运行。正常情况下，一台为机器处于主用状态，担负完整的信号输入处理和控制信号输出职责；另一台处于备用状态，能接收信号输入，但控制信号的输出通路被切断。当主用机发生故障时，主备职责自动倒换，这样可保持子系统整体不失效。 需要指出的是，由于是热备份，所以处于备用状态的主机也在上电运行，过程中可能发生故障状态，甚至需要人工修复。 物理模型 图1 基本配置下系统的组成 被研究的系统为一个“1主3从”通信系统。在基本配置下，其组成示意图如图1。 系统中有1台通信主机和3台通信从机。所有通信主/从机使用共享信道建立物理连接。典型的实例如RS485标准的总线结构。 在该通信系统的传输协议中有以下规定： 每台通信机拥有唯一的地址标识 仅主机拥有发起对话的权限，主机与从机之间可进行“主问从答”式对话 从机与从机间不进行对话 必须保证在同一时刻，至多只有一台通信机占用信道发送信息，其余通信机处于接收监听状态 每台通信机内部有两块电路板：控制电路板和接口电路板。 控制电路板上有微处理器，运行相应的软件程序。接口电路板负责与通信总线联系，它的某类故障，会引发总线阻塞。 集线器是一个通信线缆的汇接装置。 根据调研，为提高该系统的可靠性，实际可能采取的工程措施有以下三项。 措施1：微处理器中引入Watchdog机构 当软件程序因自身缺陷或硬件不稳定，引起程序运行不正常，此时若能被Watchdog机构侦测到，可以触发硬件复位信号，重新启动程序。 不过，Watchdog并不能成功侦测软件程序所有的不正常状态，少数情况下程序问题无法通过Watchdog复位得到解决。 措施2：防止接口电路板故障阻塞总线 通过特别的电路设计（比如图2的例子），可以防止接口电路故障导致总线阻塞。[编者注：图2的电路仅供参考，具体工作原理与完成课程设计任务没有直接关联。] 图2 防止总线阻塞的电路方案示意 措施3：主机的双机热备 通信主机在系统中至关重要，可以采取冗余设计，提高系统的容错运行能力。双机热备配置下，系统组成示意图如图3。 图3 主机热备配置下系统的组成 理论假设、基本参数 关于部件划分和元件组合方式 控制电路板可看作两个部件组成：“控制硬部件”对应硬件电路部分，“控制软部件”对应软件程序部分。 控制硬部