陳 杰，史小宏

(上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306)

基于網(wǎng)絡(luò)中混合備用元件的可靠性評估策略

陳 杰，史小宏

(上海海事大學(xué) 信息工程學(xué)院，上海 201306)

隨著大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)復(fù)雜性的不斷提升，能否在規(guī)定任務(wù)時(shí)間內(nèi)降低執(zhí)行元件失效性從而提高系統(tǒng)執(zhí)行可靠性變得格外重要。備用元件概念的引入大大緩解了此類矛盾。由于備用元件在等待替代過程中會(huì)出現(xiàn)失效現(xiàn)象，因此對網(wǎng)絡(luò)中備用元件的要求也隨之提高。在對備用元件進(jìn)行選擇分類時(shí)，混合備用的思想被用在了可靠性評估之中。從提高樣本評估的準(zhǔn)確率著手，提出一種啟動(dòng)備用元件的混合排序策略，并將它應(yīng)用到預(yù)期任務(wù)成本評估之中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在大多數(shù)情況下該策略均能取得預(yù)期的效果，能夠顯著降低備用元件失效的概率，保障網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的任務(wù)能夠順利執(zhí)行。

失效性；備用元件；混合備用；可靠性評估；預(yù)期任務(wù)成本

0 引 言

隨著當(dāng)今科技的飛速發(fā)展，通過備用技術(shù)獲得高可靠性的方式在多個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，如通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星技術(shù)、電力系統(tǒng)等等。在系統(tǒng)或設(shè)備的全壽命周期期間，可靠性評估的工作貫穿整個(gè)研發(fā)過程，包含設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)直至退役。在研究領(lǐng)域，有人提出將所有設(shè)備故障的模式用布爾變量來表示其排序過程，然后針對各個(gè)階段建立故障樹模型，并通過依賴函數(shù)(Dependence Algebra)及階段代數(shù)(Phase Algebra)將故障樹轉(zhuǎn)換為MBDD(Multistate BDD)模型，利用MBDD模型編程求解，最終獲得頂事件失效的概率；Mo Yuchang針對排序問題繼續(xù)深入研究，采用啟發(fā)式算法進(jìn)行排序，從而可以達(dá)到縮小BDD規(guī)模的目的[1]。

在一個(gè)備用系統(tǒng)中，多備用元件的模型能確保系統(tǒng)順利運(yùn)行，但是這些先進(jìn)技術(shù)在運(yùn)行時(shí)也會(huì)造成大量的系統(tǒng)活躍元件損耗，即元件失效[2]。在預(yù)防可靠性系統(tǒng)失效方案中，備用元件在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的使用更為廣泛。工作過程是在線元件失效后，備用元件立即激活并進(jìn)入系統(tǒng)代替失效元件繼續(xù)工作。這些技術(shù)目前被廣泛應(yīng)用于飛行起降控制、空間系統(tǒng)和大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。根據(jù)常見的失效特征及轉(zhuǎn)換期間的實(shí)際操作，將目前常見的備用技術(shù)歸為3類：熱貯備(Hot Standby Mode,HSM)、冷貯備(Cold Standby Mode,CSM)和溫貯備(Warm Standby Mode,WSM)[3]。文中提出一種新的混合備用策略，通過對備用元件狀態(tài)依賴的待機(jī)模型轉(zhuǎn)化成失效元件進(jìn)行跟進(jìn)操作[4]。

1 元件的混合冗余備份模型

1.1 模型的知識(shí)架構(gòu)

由于熱備用元件一直是處于激活狀態(tài)中并等待執(zhí)行，所以具有提供快速替代失效元件的能力，所以熱貯備模型的開銷是最大的。相對而言冷備用元件一直處于休眠狀態(tài)，在大型系統(tǒng)中延遲恢復(fù)，為了降低啟動(dòng)成本，冷備用元件在此時(shí)發(fā)揮了作用。而溫貯備模型則是介于兩者之間，經(jīng)歷了一個(gè)較為溫和的操作環(huán)境，部分處于操作環(huán)境下，處于待機(jī)狀態(tài)。其中熱貯備元件所處的環(huán)境壓力和在線操作元件相同，因此其失效率也隨之相應(yīng)一致[5]。為了在任務(wù)執(zhí)行過程中的操作模型之間(Operation Mode,OM)獲得平衡以期達(dá)到任務(wù)的順利進(jìn)行，采用的方式如下：

(1)系統(tǒng)模型的組織方式及修復(fù)方式。

規(guī)定混合備用模型中組成系統(tǒng)的N個(gè)獨(dú)立元件m，并將其分布表示為m(1),m(2),…,m(N)。起先進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行OM的是m(1)，隨后置元件m(2),m(3),…,m(N)為熱備用狀態(tài)，使其處于激活等待狀態(tài)，并進(jìn)入HSM中等候調(diào)用。處于待機(jī)狀態(tài)的m(3)則置于WSM中，最后處于休眠狀態(tài)的CSM為以下元件：m(4),m(5),…,m(N)。當(dāng)在線元件失效或者離開OM時(shí)，HSM中的元件進(jìn)入系統(tǒng)替代后繼續(xù)工作。WSM中元件依次進(jìn)入HSM中等候替代操作。在約定時(shí)間內(nèi)激活CSM并使其處于待機(jī)狀態(tài)進(jìn)入WSM。

(2)模型的構(gòu)建方式。

元件m(N)在CSM中激活，處于WSM到HSM的時(shí)間開銷為t+σ，且轉(zhuǎn)化期間未出現(xiàn)元件失效，則元件m(2),m(3),…,m(N-1)在3種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)變的時(shí)間開銷為t。

若模型中該備用元件處于CSM-WSM-HSM的狀態(tài)轉(zhuǎn)換中，期間未出現(xiàn)過失效行為，并且元件最終在OM中執(zhí)行，故判定此元件在轉(zhuǎn)換到操作的過程是成功的[6]。

1.2 模型結(jié)構(gòu)的約定方式

1)模型的轉(zhuǎn)移過程。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中元件從CSM傳輸?shù)絎SM再傳輸?shù)紿SM時(shí)，規(guī)定預(yù)期任務(wù)所開銷[7]的元件未出現(xiàn)過失效行為，即在前期的m(1),m(2),…,m(i)期間未出現(xiàn)過失效。當(dāng)這一系列行為順利完成時(shí)，可以稱這個(gè)混合備用系統(tǒng)為H系統(tǒng)。具體實(shí)現(xiàn)如圖1所示，并做如下規(guī)定：

(1)元件在OM,HSM,WSM,CSM中除了參數(shù)的標(biāo)記表達(dá)不同，其余屬性一致；

(2)任務(wù)操作期間，4種狀態(tài)模型是并行存在的；

(3)和工作期間所開銷的時(shí)間任務(wù)成本相比，CSM→HSM的時(shí)間,WSM→HSM的時(shí)間，HSM→OM的時(shí)間忽略不計(jì)。

圖1 備用元件間的狀態(tài)轉(zhuǎn)換比較

圖(a)-(c)是無冷備用元件參與的可能結(jié)果；圖(d)-(f)是冷備用元件參與的可能結(jié)果。任務(wù)進(jìn)行順利，并運(yùn)行到第m(i)時(shí)，在CSM→HSM的開銷為MCW(m(k))，WSM→HSM的開銷為MWH(m(k))，在HSM中的開銷為MHO(m(k))，又知CSM在休眠過程中無開銷，激活后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)WSM，隨后轉(zhuǎn)移到HSM中。HSM中元件的等待時(shí)間UH(m(k))遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于WSM中元件的等待時(shí)間UW(m(k))，但卻小于操作時(shí)間UO(m(k))。規(guī)定UW(m(k))

2)結(jié)構(gòu)的修復(fù)方式。

此類高可靠性的應(yīng)用模型，通常會(huì)采取多種校驗(yàn)方式及自糾方式，如在中央處理機(jī)中設(shè)置奇偶校驗(yàn)預(yù)測方式。

圖2 備用元件修復(fù)步驟

在網(wǎng)絡(luò)任務(wù)執(zhí)行過程中，通過同步事件記錄及執(zhí)行操作記錄來異步記錄備用元件及任務(wù)運(yùn)行記錄，通過寄存器存儲(chǔ)單元采集失效元件物理及邏輯地址。根據(jù)MCIC碼、現(xiàn)場信息來統(tǒng)計(jì)分析故障位置，并找出故障源。圖2展示了系統(tǒng)中備用元件修復(fù)失效元件的過程。

2 系統(tǒng)模型中備用元件的失效率

2.1 模型失效概率

已知任務(wù)執(zhí)行期間的時(shí)間為tS，進(jìn)行S等分后，每個(gè)元件的操作時(shí)間可以細(xì)化為Δ=tS/S。令元件失效的概率為Fi(t)，則元件間失效的間隔為Fi(Δ(k+1))-Fi(Δk)。令指數(shù)分布的時(shí)間失效率為λi，則暴露的失效率d=1，由此進(jìn)一步推斷出1-S單位時(shí)間間隔內(nèi)的失效率為：

Pi(k)=exp(-λiΔk)[1-exp(-Δik)]

(1)

基于韋伯分布的刻度參數(shù)ηi和形狀參數(shù)βi，得到Fi(t)=1-exp(-(t/ηi)βi)，則有：

Pi(k)=exp{-[Δk/ηi]βi}-exp{- [Δ(k+1)/ηi]βi}

(2)

該公式的執(zhí)行條件是在理想情況下元件所處任意狀態(tài)(不包含OM狀態(tài))且失效時(shí)間不超過操作時(shí)間[8]。

考慮到元件分布具有分散特性，這里引入干涉理論來進(jìn)行可靠度計(jì)算。

2.2 失效和失效矢量

在構(gòu)成整個(gè)任務(wù)的執(zhí)行元件序列之前，處于三態(tài)狀態(tài)的備用元件經(jīng)歷失效期、穩(wěn)定失效期和劇烈失效期。在任務(wù)執(zhí)行過程中引發(fā)的備用元件的失效稱為失效矢量。這里規(guī)定為ω，其基本單位描述為μm。

失效矢量自時(shí)間變化而變化的形式稱為失效速率。因此可以稱失效量是時(shí)間的函數(shù)。

在網(wǎng)絡(luò)操作元件實(shí)際轉(zhuǎn)換過程中，影響備用元件失效的因素還有很多，如任務(wù)中斷、傳輸速度、任務(wù)死循環(huán)等，外部條件如環(huán)境及服務(wù)器硬件因素等，因此構(gòu)建通式不是特別容易。從現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)可靠性實(shí)踐來看，備用元件的失效量符合時(shí)間變化的概率。

3 混合備用元件的HFST轉(zhuǎn)換策略

提出失效驅(qū)動(dòng)的混合備用轉(zhuǎn)換系統(tǒng)[9](HFST)來計(jì)算復(fù)雜度。

3.1 元件遷移方式

在狀態(tài)激活階段，加入冷貯備元件在任務(wù)操作過程中作為替換。對于一個(gè)執(zhí)行周期為t的任務(wù)，累積的失效分布備用元件n置于CSM中，激活處于休眠狀態(tài)的元件，WSM中的待機(jī)元件進(jìn)一步激活，HSM中則處于時(shí)刻準(zhǔn)備狀態(tài)，最后OM中進(jìn)行任務(wù)執(zhí)行。這里將元件所處時(shí)間進(jìn)行分配，冷貯備時(shí)間為τCSM，溫貯備時(shí)間為τWSM，熱貯備時(shí)間為τHSM。綜上所述，該元件在任務(wù)執(zhí)行時(shí)間τCSM+τWSM+τHSM+τOM完成前的失效率為：

Fi(t)=Fi(DC(n)τCSM+DW(n)τWSM+ DH(n)τHSM+tOM)

(3)

限制條件為0≤DC(n)≤DW(n)≤DH(n)≤1，將DC(n)τCSM近似為0。所給的元件n在各狀態(tài)間進(jìn)行轉(zhuǎn)移得出失效概率：

Fi(tC,tW,tH,tO,tF)=Fi(DC(n)τCSM+

DW(n)τWSM+DH(n)τHSM+τOM)=

Fi(DW(n)τmin(tH,tO,tF)+

DH(n)max(0,min(tF-tH,tO-

tH)+max(0,tF-tO)))

(4)

3.2 元件失效概率

對于累積的失效分布備用元件n在各狀態(tài)間等份地進(jìn)行轉(zhuǎn)換，基于元件的離散分布[10]，可以得出元件在冷貯備狀態(tài)下為KC=tH/Δ，溫貯備下為KW=tW/Δ,熱貯備下為KH=tH/Δ，操作狀態(tài)下的時(shí)間等份為KO=tO/Δ，狀態(tài)間的失效分布率為：

pi(KC,KW,KH,KO,KF)=

Fi(t(ΔkC,ΔkW,ΔkH,ΔkO,Δ(kC+1)))-

Fi(t(ΔkC,ΔkW,ΔkH,ΔkO,ΔkF)

(5)

3.3 元件分布序列集成

若系統(tǒng)中的元件分布不同，則激活元件的開銷受系統(tǒng)可靠性和預(yù)期任務(wù)成本所影響[11]。為此對元件序列做出如下約束：系統(tǒng)元件m(1),m(2),…,m(N)在忽略轉(zhuǎn)換時(shí)間的最小任務(wù)成本開銷規(guī)定為E，此時(shí)的任務(wù)可靠性規(guī)定為N。

通常情形下，休眠及待機(jī)元素在系統(tǒng)中的數(shù)目并不高[12]?？紤]元件數(shù)量對準(zhǔn)確性的影響，即元件數(shù)越大對系統(tǒng)開銷的影響就越大，反之則相反[13]。

3.4 算法過程

對于混合備用的元件從KC,KW,KH,KO,KF的一個(gè)時(shí)間等份，獲得失效概率的迭代偽代碼，如下所示：

MAKE-SET(t=0,d1=DC(i),d2=DW(i))

forkF=0,1,…,m-1,dothenext

whilekC

ifkF>kO,maked2=0

pi(KC,KW,KH,KO,KF)=Fi(t+dΔ)-Fi(t)

endfor

部分混合備用元件HFST算法如圖3所示。

在執(zhí)行任務(wù)期間，元件在OM狀態(tài)后會(huì)失效或關(guān)閉。備用元件離開CSM后，在WSM及HSM中進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)也會(huì)出現(xiàn)元件失效。

規(guī)定元件在CSM中的時(shí)間為tC，在WSM中為tW，在HSM中為tH，最后作為備用元件在OM中執(zhí)行的時(shí)間為tO。為確保元件的順利替換，可獲知時(shí)間間隔間的關(guān)系為tC+tW+tH≤tO(t≠0)。備用元件在3種狀態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換替代過程中未出現(xiàn)過在原狀態(tài)遺留現(xiàn)象[14]，即在前一狀態(tài)失效時(shí)立刻進(jìn)行替換工作。

圖3 部分混合備用元件HFST算法

4 實(shí)驗(yàn)及仿真

4.1 實(shí)驗(yàn)步驟

由于該數(shù)據(jù)集的樣本數(shù)較少，且為平衡獲取的數(shù)據(jù)集，在該樣本上分別使用了啟發(fā)式排序算法和混合備用排序策略。文中相關(guān)工作主要分為以下幾步：

(1)對相關(guān)原始數(shù)據(jù)做盒須圖處理，將產(chǎn)生延遲的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除處理；

(2)對相關(guān)統(tǒng)計(jì)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理；

(3)對已經(jīng)處理完畢的數(shù)據(jù)與原數(shù)據(jù)按比例進(jìn)行劃分；

(4)對數(shù)據(jù)降維之后，對每個(gè)子數(shù)據(jù)集進(jìn)行SVM算法的分類；

(5)根據(jù)混合備用排序策略對最終結(jié)果進(jìn)行集成并將其輸出；

(6)通過啟發(fā)式算法對約定范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出并比較。

實(shí)驗(yàn)通過基于混合備用元件的策略，對比了啟發(fā)式排序算法對網(wǎng)絡(luò)中元件的可靠性評估，剔除延遲數(shù)據(jù)后在約定區(qū)間內(nèi)按比例對子數(shù)據(jù)集分類。

將樣本序列隨機(jī)分為5份，并對其樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行十字交叉驗(yàn)證得出該測試樣本。該數(shù)據(jù)集各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 系統(tǒng)中備用元件的參數(shù)指標(biāo)

需要說明的是，為使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果盡量準(zhǔn)確，因此使得每個(gè)子數(shù)據(jù)塊的樣本的轉(zhuǎn)換開銷盡量相似，這樣就能使得采集的不平衡數(shù)據(jù)集盡量一致。

由于備用元件在系統(tǒng)模型中是基于動(dòng)態(tài)分布的，所以備用元件在系統(tǒng)模型中采取Weibull分布。Weibull分布在可靠性工程領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用，在建模過程中也能表現(xiàn)出更高的靈活性。它的主要思想是：將系統(tǒng)模型劃分成多個(gè)可執(zhí)行元件(i個(gè))，并將元件按序列分類后進(jìn)行串聯(lián)操作。將該模型分類成i個(gè)環(huán)，組合為一個(gè)鏈環(huán)。此時(shí)它的壽命周期受失效率最高處環(huán)的壽命周期的影響。若將單個(gè)鏈的壽命周期看成一個(gè)自由組合的可變值，且令各環(huán)壽命周期之間相互獨(dú)立，并保持元件序列在模型之中的分布相當(dāng)，則此時(shí)鏈壽命周期的問題就變成了求解元件序列分布的極小值問題。對于所輸入的數(shù)據(jù)而言，在推斷出分布參數(shù)后，將會(huì)在處理元件壽命周期試驗(yàn)中來使用。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

分別通過啟發(fā)式算法及混合備用策略對元件可靠性和預(yù)期任務(wù)在約定范圍內(nèi)進(jìn)行評估。首先通過SVM算法進(jìn)行元件分類后，對兩組不同數(shù)量的備用元件分別進(jìn)行對比。

在評估樣本可靠性過程中，通過特征選擇方式發(fā)現(xiàn)，在不同數(shù)量級(jí)的對比中，啟發(fā)式算法與混合備用策略各占優(yōu)勢，如圖4和圖5所示。

圖4 k值取樣200～400時(shí)任務(wù)可靠性比較

圖5 k值取樣20～200時(shí)成本開銷比較

通過實(shí)驗(yàn)仿真不難看出在約定備用元件數(shù)量下，混合備用策略的預(yù)期成本開銷低于啟發(fā)式算法且任務(wù)可靠性要高于啟發(fā)式算法。

5 結(jié)束語

備用元件系統(tǒng)在提高執(zhí)行系統(tǒng)可靠性方面起到了推進(jìn)作用，并在多領(lǐng)域得以應(yīng)用。文中針對已有的混合備用元件策略進(jìn)行改進(jìn)，將混合備用元件與分配選擇相結(jié)合，有效降低了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的元件失效性問題。該方法通過基于混合備用的方式，利用對備用元件進(jìn)行分配控制，從而減少了系統(tǒng)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的執(zhí)行元件失效替換問題。該方法通過將狀態(tài)轉(zhuǎn)換，即CSM→WSM→HSM的過程，最終確保元件在OM中任務(wù)的平穩(wěn)運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在比較的兩種可靠性評估策略中，該混合備用策略具有一定優(yōu)勢。

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Reliability Assessment Strategy of Hybrid Standby ElementsBased on Network

CHEN Jie,SHI Xiao-hong

(College of Information Engineering,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China)

With the rising complexity of a large network system,it becomes extremely important to improve the system reliability for implementation by reducing the failure of the implementation of the components within the mandated time.The concept of hybrid standby has greatly eased the contradiction.Fully considering the failure of standby elements in the process of the waiting for an alternative,the requirements of the standby elements of the network are increased.The idea of hybrid standby is applied to assess the reliability when assigned the standby elements selection.In order to improve the accuracy of the sample assessment,a hybrid order strategy is presented to start standby elements and applied to the expected task cost assessment.The experiments show that in most cases the strategy can achieve the expected results which can reduce the probability of the failure of standby elements significantly,enduring network system for implementation successfully.

failure;standby element;hybrid standby;reliability assessment;expected task cost

2016-01-10

2016-05-12

時(shí)間：2016-11-21

交通運(yùn)輸部應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(2015329810030)；上海市教育科研創(chuàng)新項(xiàng)目(14YZ113)

陳 杰(1991-),男,碩士研究生,研究方向?yàn)橐苿?dòng)Agent技術(shù)、復(fù)雜系統(tǒng)可靠性評估；史小宏,副教授,研究方向?yàn)橐苿?dòng)Agent技術(shù)、復(fù)雜系統(tǒng)可靠性評估。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20161121.1633.020.html

TP39

A

1673-629X(2016)12-0082-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.12.018