16 сентября 2013
Обоснование технических решений
Часть 2
В первой части статьи мы познакомились с основными определениями, а именно определениями коэффициента готовности, mtbf и mttr оборудования системы.
Соответственно мы наконец подошли непосредственно к самой методике обоснования технических решений при заданном коэффициенте готовности. Заметьте, что я до сих пор сознательно избегал упоминания о каких именно системах идёт речь, поскольку термины надежности, обсуждаемые выше, относятся к общетехническим. И их достаточно активно используют, например, в отрасли связи. А вот данных об использовании коэффициента готовности в системах технической безопасности и слаботочных системах в целом немного. Но говоря о опыте применения данной методики, я имею ввиду применение в слаботочных системах.
Итак, любые системы можно условно разделить на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные. Если отказ одного элемента оборудования приводит к отказу всей системы, и, если отказы не зависят друг от друга, весь комплекс называется последовательным. Фактически, речь идет о системе, в которой полностью отсутствует резервирование элементов. Для наглядности представим центральную часть системы видеонаблюдения, состоящую из энкодеров, осуществляющих запись с видеокамер, декодеров, выводящих нужные видеопотоки на видеостену и сетевого менеджера, управляющего всем этим оборудованием. Для такой системы коэффициент готовности будет вычисляться следующим образом:
Т.е. к примеру, если система состоит из 1-го сетевого менеджера, 10 энкодеров и 10 декодеров, то Kг сист. = Kг сет.мен.* Kг энк.10 * Kг дек.10. Из приведенной формулы можно уже сделать первые очевидные выводы: надежность тем выше, чем больше mtbf и меньше mttr, и тем меньше, чем больше элементов в последовательной системе, поскольку Kг всегда меньше 1. Соответственно чем система сложнее (больше элементов), тем труднее добиться высокой надежности.
Если функционирование 1-го из элементов достаточно для функционирования всей системы; тогда комплекс называется параллельным. Средний коэффициент готовности будет равен:
Останавливаться на параллельной системе долго не будем, потому как чисто параллельные системы встречаются не часто.
Для системы с резервированием элементов, которая представлена последовательно-параллельной системой, средний коэффициент готовности будет равен:
где : Ki - количество компонентов с резервированием в подсистеме i, S - количество подсистем в полной системе.
Блок схема надёжности последовательно-параллельной системы (MTBF - μ , MTTR - λ )
Для нашего примера с системой видеонаблюдения, мы должны будем резервировать элементы общей системы, такие как сетевой менеджер, энкодеры, декодеры. Допустим, мы остановились на системе с уровнем резервирования n+1, в таком случае коэффициент готовности будет равен: Kг сист. = (1- (1- Kг сет.мен.)2) * (1- (1- Kг энк.)2) * Kг энк.9 * (1- (1- Kг дек.)2 * Kг дек.9. Но тут нужно учесть один момент: данная формула применима, если для Заказчика важна надежность как функции записи видеопотоков, так и функция отображения их на видеостене. Если, к примеру, отображение видео на видеостене - функция второстепенная, то для расчета коэффициента готовности декодеры вполне можно не учитывать, величина коэффициента готовности при этом возрастёт:
Kг сист. = (1- (1- Kг сет.мен.)2) * (1- (1- Kг энк.)2) * Kг энк.. Данный факт ещё раз подчёркивает, что только Заказчик может правильно расставить приоритеты по надёжности для своей системы, задача Подрядчика учесть пожелания Заказчика и грамотно рассчитать коэффициент готовности с учётом этого.
Какие практические рекомендации можно дать проектировщику Подрядчика при работе над проектом, в ТЗ на который Заказчик указал необходимый уровень коэффициента готовности? Алгоритм может быть, например, такой: если система достаточно крупная (сотни элементов), то имеет смысл отдельно рассчитывать коэффициент готовности для центральной части системы и периферии, иначе влияние ваших технических решений на общую надежность системы будет не заметно на фоне большого количества не резервируемых элементов периферии. К тому же, как я уже отмечал выше, для большой части Заказчиков надежность работы центральной части системы приоритетней, нежели периферии. Для примера с видео наблюдением работа энкодера и сетевого менеджера значительно важнее и приоритетней, чем одной случайно взятой видеокамеры, когда счет идет на сотни видеокамер и десятки энкодеров. Самой критичной частью системы этом случае будет сетевой менеджер. Именно его функции важно резервировать.
После того, как принято решение рассчитывать ли отдельно коэффициент готовности для центральной и периферийной части системы, необходимо для каждого типа оборудования (для видео наблюдения это энкодеры, декодеры, сетевые менеджеры, и т.д.) найти сведения о mtbf и mttr данного типа оборудования, подсчитать его общее количество, вычислить коэффициент готовности единичного оборудования каждого типа и для каждого типа оборудования общий коэффициент готовности с учетом наличия или отсутствия резервирования по перечисленным выше формулам для последовательной (если нет резервирования), параллельной (если 100% резервирование) или последовательно-параллельной (для частичного уровня резервирования) системы. Коэффициент готовности всей системы в целом будет равен произведению общих коэффициентов готовности всех типов оборудования. Далее начинается процесс оптимизации технических решений для получения нужного коэффициента готовности системы. Важно отметить, что сделав небольшую и не сложную таблицу в офисной программе мы получаем возможность практически мгновенно вычислять влияние принимаемых проектировщиком Подрядчика решений на надежность системы в целом, приходя к нужной конкретному Заказчику надежности быстро и эффективно.
Итак, подведем итоги.
Коэффициент готовности является комплексных показателем надежности системы. Его можно вычислить двумя способами: теоретически через mtbf и mttr оборудования системы при проектировании (вычисляется Подрядчиком) и при эксплуатации системы практически через среднее суммарное время простоя (вычисляется Заказчиком). Таким образом коэффициент готовности обладает свойством проверяемости. Данный коэффициент позволяет Подрядчику обосновывать принимаемые технические решения исходя из требуемой Заказчиком надежности, а Заказчику эффективно инвестировать собственные средства учитывая риски неработоспособности системы в течении n-го времени.
Для того, чтобы Подрядчик смог грамотно рассчитать коэффициент готовности, Заказчику необходимо оценить какое максимальное время простоя допустимо для той или иной функции системы на достаточно большом промежутке времени (обычно в течении года, но не обязательно, можно и любой другой период). К примеру Заказчик владеет торгово-развлекательным центром (ТРЦ) и сдает имеющиеся помещения арендаторам. Чтобы грамотно составить ТЗ на систему автоматики жизнеобеспечения здания (ИТП, холодоснабжение, энергоснабжение и т.п.) нужно рассчитать допустимые убытки от неработоспособности или не полной работоспособности данных систем из-за недоступности соответствующих функций системы автоматики. Например, холодоснабжение актуально летом, Заказчик может прописать в ТЗ, что система автоматики для данной функции не должна находиться в отключенном состоянии дольше 1 дня в течении 3-х месяцев. А отсутствие автоматического управления отоплением Заказчик готов терпеть не больше 3-х дней в течении 8-ми месяцев отопительного сезона. Отсутствие же управления и диспетчеризации системы электроснабжения допустимо не более 5-ти дней в течении года. Такие формулировки вполне достаточны для расчета надежности системы автоматики для ТРЦ. Думаю очевидно, что подобные рассуждения не сложно привести любому собственнику, Заказчику систем у Подрядчика.
Проектировщику Подрядчика необходимо иметь в виду следующие соображения: чем крупнее система, тем сложнее добиться надежности ее работы и, соответственно, высокого коэффициента готовности. Поэтому для крупных систем необходимо выбирать оборудование с высоким mtbf и низким mttr, находить в системе "узкие" места и резервировать оборудование, рассчитать и включить в смету необходимый для надежной работы системы ЗИП, дать рекомендации к численности и квалификации обслуживающего персонала, периодичности технического обслуживания. Если система очень крупная (сотни единиц оборудования), то оправдано раздельное вычисление коэффициента готовности для центральной части системы и для периферии.
