Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Дисертаційні роботи України
Технічні науки
Автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології

Диссертационная работа:

Волковий Андрій Володимирович. Моделі, методи та інструментальні засоби розробки багатоверсійного програмного забезпечення інформаційно-управляючих систем критичного застосування : Дис... канд. наук: 05.13.06 - 2006.

смотреть введение
Введение к работе:

Актуальність теми дослідження. Для ефективного вирішення задач управління складними технічними об'єктами використовуються інформаційно-управляючі системи (ІУС), основною компонентою яких є програмне забезпечення (ПЗ). Існує тенденція зростання ролі ПЗ в реалізації функцій систем, а як наслідок збільшення залежності властивостей ІУС від характеристик ПЗ. Сукупність властивостей, що обумовлюють придатність програмного забезпечення задовольняти певні потреби відповідно до призначення, називають якістю ПЗ. Стандартизовані моделі якості ПЗ полегшують оцінку його характеристик, а накопичений і реалізований в методах і технологіях досвід забезпечення якості дає можливість вибору різних засобів її підвищення. Не зважаючи на існуючі розробки в програмній інженерії проблема якості ПЗ і, в першу чергу, надійності залишається не вирішеною повною мірою. Доказом тому є статистичні дані, згідно з якими кожна п’ята відмова устаткування АЕС та кожна п’ята аварія ракетно-космічних комплексів спричинені ІУС, а 6 з 7 відмов бортових ІУС відбувається унаслідок дефектів ПЗ.

Підходи до забезпечення якості ПЗ в загальному вигляді можна поділити на два напрями:

1) вдосконалення процесів розробки та інтенсифікація тестування для виключення або зниження кількості залишкових дефектів;

2) застосування надлишковості в процесах і створюваних програмних продуктах, з метою виявлення при розробці та парирування при експлуатації дефектів окремих версій і зниження ризику відмови ІУС.

Основним напрямом забезпечення якості ПЗ за рахунок надлишковості є багатоверсійний підхід, що базувався на N-версійному програмуванні, тобто на незалежному створенні декількох версій програм з однаковою функціональністю для інтенсифікації виявлення дефектів та зменшення їх кінцевої кількості. Різноманітність версій (багатоверсійність, диверсність), що входять до складу програмного продукту, дозволяє парирувати дефекти ПЗ, що виявляються під час функціонування ІУС. Ступінь різноманітності визначається рівнем і способом диверсифікації процесів розробки ПЗ та ІУС в цілому.

Використання даного підходу доцільно в тих випадках, коли інші методи не дозволяють забезпечити необхідний рівень показників надійності та безпеки і гарантувати відсутність дефектів зважаючи на складність програмних засобів і обмеженість проектних ресурсів. При цьому вибір між використанням відмовостійкої архітектури з надлишковими програмними компонентами і методиками підвищення надійності за рахунок додаткових зусиль по верифікації ПЗ (або їх поєднаному використанні з урахуванням усієї множини обмежень) є досить складним завданням.

Слід підкреслити також, що для ІУС критичного застосування (КЗ), до яких належать інформаційно-управляючі системи атомних електростанцій, космічних і авіаційних систем, медичного устаткування тощо, дотримання принципу різноманітності при їх реалізації часто регламентується нормативними документами (національними та міжнародними стандартами, галузевими нормами і правилами).

Хоча принцип різноманітності все частіше використовується на практиці, у тому числі і для розробки бізнес-критичних систем, наприклад, Web-служб, проекти багатоверсійних програмних засобів є унікальними, а результати їх використання через нестачу статистичних даних не дозволяють встановити сталі закономірності між видами різноманітності, що використовуються, і характеристиками якості ПЗ та систем, що розробляються.

Теоретичні та прикладні аспекти використання принципу багатоверсійності при створенні надійного і безпечного ПЗ та ІУС розроблялися Авіженісом (Avizienis A.), Лапрі (Laprie J.-C.), Ренделлом (Randell B.), Пуллум (Pullum L.), Літлвудом (Littlewood B.), Стріджіні (Strigini L.), Ястребенецьким М.О. та іншими. Ряд досліджень, пов'язаних з розробкою теорії багатоверсійних систем та впровадження спеціальних інформаційних технологій для критичних застосувань виконані професором Харченком В.С. і його учнями: В.Г. Литвиненком, В.В. Скляром, І.В. Піскачовою, О.М. Тарасюк, В.І. Токаревим.

Проте, не зважаючи на наявні наукові та практичні результати, в області багатоверсійного проектування ПЗ та ІУС існує ряд невирішених проблем, особливо актуальних для критичних застосувань, що пов’язані з відсутністю:

формалізованих моделей життєвого циклу багатоверсійного ПЗ та технологій його створення;

методів оцінки надійності багатоверсійних програмних засобів в процесі їх розробки для прийняття рішень управління;

методів і інструментальних засобів вибору технології розробки відповідно до необхідних характеристик ПЗ і ІУС в цілому.

Таким чином, актуальність дисертаційних досліджень обумовлена недосконалістю існуючих методів та інструментальних засобів підтримки прийняття рішень при розробці програмного забезпечення інформаційно-управляючих систем критичного застосування, до яких висуваються вимоги щодо реалізації принципу різноманітності та забезпечення високої надійності функціонування.

Таким чином актуальною науковою задачею є розробка моделей, методів та інструментальних засобів створення програмного забезпечення ІУС критичного застосування з використанням процесно-продуктної диверсності.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких викладені в дисертації, проводилися відповідно до державних планів НДР, програм і договорів, що виконувалися в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського та в інших організаціях:

«Розробка науково-методичних основ і інформаційних технологій оцінки і забезпечення відмовостійкості і безпеки комп'ютеризованих систем аерокосмічних комплексів, інших комплексів критичного застосування» (Національний Аерокосмічний університет ім. Н.Е. Жуковського «ХАІ», ДР № 0103U004093, 2003-2005);

«Інтегроване інструментальне середовище підтримки експертизи і незалежної верифікації ПЗ систем критичного застосування» (Сертцентр АСУ Держцентрякості ДКЯРУ, наказ № 69 від 12.07.2002);

«Розробка галузевих нормативних вимог до якості програмного забезпечення і програмно-технічних комплексів критичного призначення для ракетно-космічної техніки, гармонізованих з нормативною базою Європейської кооперації по стандартизації космічної діяльності (ECSS)» (Сертцентр АСУ Держцентрякості ДКЯРУ, НКАУ, тема «Якість», договір №87-СЦ/03, 2003-2006);

«Розробка науково-методичного забезпечення відмовобезпеки цифрових систем контролю та керування АЕС при використанні програмованих ВІС», шифр «Надійність–Д» (НПВМП «АСУ ХАІ», Д2/2002, ДР № 0104U003502, 2003-2004);

«Розробка моделей і методів оцінки надійності систем керування й обробки інформації телекомунікаційних мереж», шифр «Натиск» (Полтавський військовий інститут зв'язку, Міністерство оборони України, інв.№179-Н, 2002-2004).

Роль автора у цих науково-дослідних темах і проектах, у яких дисертант був безпосереднім виконавцем, полягає у розробці моделей, методів і інструментальних засобів створення нормативних профілів та вибору варіантів реалізації багатоверсійних проектів, оцінки багатоверсійних процесів та продуктів для різних типів автоматизованих систем та критичного ПЗ.

Мета та задачі досліджень. Метою дослідження є зменшення ризику невиявлених дефектів і підвищення надійності програмного забезпечення ІУС критичного застосування за рахунок надлишковості та різноманітності продуктів і процесів розробки.

Для досягнення поставленої мети вирішено наступні задачі.

1. Аналіз технологій розробки і методів забезпечення якості і надійності ПЗ інформаційно-управляючих систем критичного застосування.

2. Розробка процедур формування профілів багатоверсійного програмного забезпечення, які враховують вимоги і особливості ПЗ для конкретних додатків.

3. Систематизація видів диверсності і розробка моделей життєвого циклу багатоверсійного ПЗ.

4. Аналіз процесів внесення і розповсюдження дефектів ПЗ, обґрунтування показників і розробка методу оцінки багатоверсійного ПЗ.

5. Розробка методу формування і вибору багатоверсійних технологій створення ПЗ.

6. Розробка інструментальних засобів підтримки процесів формування профілів і створення ПЗ з використанням версійної надлишковості.

7. Практичне впровадження розроблених моделей, методів і інструментальних засобів при створенні ІУС критичного застосування.

Об’єкт дослідження – процеси розробки програмного забезпечення та інформаційно-управляючих систем критичного застосування з використанням багатоверсійних технологій.

Предмет дослідження – моделі, методи і інструментальні засоби розробки і оцінки багатоверсійного ПЗ ІУС критичного застосування.

Методи дослідження. В основу методології досліджень були покладені принципи системного аналізу. При вирішенні наукових задач використовувались наступні методи: методи теорії графів і множин – при розробці моделі життєвого циклу бгатоверсійного ПЗ, а також при дослідженні процесів внесення дефектів в ПЗ під час розробки; методи метрико-імовірнісного аналізу надійності ПЗ – при розробці метода оцінки надійності багатоверсійного ПЗ; методи експертного оцінювання – при розробці метода формування профілів багатоверсійного ПЗ та методики вибору багатоверсійної технології.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше розроблено модель життєвого циклу багатоверсійного ПЗ, що базується на операціях генерації та обробки версій та на відміну від відомих враховує види диверсності, кількість версій на кожному етапі і дозволяє визначити множину можливих технологій створення програмного забезпечення з необхідними характеристиками.

2. Вдосконалено метод оцінки надійності багатоверсійного ПЗ, який за рахунок використання спеціальних метрик, що враховують дефекти програмних версій за ознаками збігу та часу внесення, дозволяє розраховувати показники надійності на різних етапах життєвого циклу.

3. Вдосконалено метод розробки багатоверсійного ПЗ, що базується на поетапному виборі багатоверсійної технології з урахуванням профілю програмного проекту та обмежень по видах диверсності і дозволяє скоротити витрати на розробку при забезпеченні необхідного рівня надійності.

4. Отримав подальший розвиток метод формування профілів багатоверсійного ПЗ, заснований на операціях класифікації, вибору та гармонізації елементів нормативної та технічної документації, що дозволяє автоматизувати процес визначення множини вимог для розробки та верифікації ПЗ.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що на основі проведених досліджень та запропонованих методів розроблена інформаційна технологія підтримки процесів створення багатоверсійного ПЗ, що включає інженерні методики, алгоритми та програмні засоби:

формування профілів та моделей життєвого циклу багатоверсійного ПЗ;

вибору багатоверсійної технології;

оцінювання рівня різноманітності версій та показників надійності багатоверсійного ПЗ.

Використання цих методів та інформаційної технології під час розробки багатоверсійного ПЗ дозволяє знизити ризик невиявлених дефектів на 15-25%. Залежно від значень метрик диверсності по етапах розробки застосування запропонованих методів та засобів забезпечує підвищення надійності за показником зменшення ймовірності відмови на 10-20%.

Результати досліджень можуть бути використані при розробці ПЗ и ІУС критичних та бізнес-критичних систем, до яких висуваються вимоги щодо використання принципу різноманітності та підвищеної стійкості до різних типів відмов (апаратних, програмних засобів та зовнішніх впливів).

Результати досліджень впроваджені в: Сертифікаційному центрі АСУ Держцентрякості Державного комітету ядерного регулювання України при розробці інтегрованої інструментальної системи «SAVExpert System» і проектів галузевих нормативних документів, що регламентують вимоги до ПЗ та розробляються на замовлення Національного космічного агентства України (акт впровадження від 18.03.2004); НТ СКБ «Полісвіт» при розробці системи підтримки багатоверсійних проектів та використані в процесі розробки ПЗ систем літака АН-70 (акт впровадження від 17.03.2004); Конструкторському бюро «АСУ» ЗАТ «Радій» при визначенні та виборі варіантів реалізації інформаційно-управляючих систем АЕС та їх ПЗ (акт впровадження від 23.11.2005); навчальному процесі Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «ХАІ» при вивченні дисциплін «Надійність, контроль і діагностика ЕОМ» та «Методи дослідження й моделювання комп'ютерних систем і мереж» (акт впровадження від 24.04.2004).

Обґрунтованість наукових положень і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується:

коректним використанням апарату теорії множин та теорії графів, системного аналізу та теорії ймовірностей при побудові моделей та розробці методик формування профілів, оцінки та розробки багатоверсійного ПЗ;

обґрунтованістю прийнятих припущень та вихідних даних, що використовувались при створенні моделей внесення та розповсюдження дефектів, методики оцінки багатоверсійного ПЗ;

результатами їхнього практичного впровадження в інструментальних засобах та методиках підтримки процесів формування нормативних профілів та створення ПЗ з використанням версійної надлишковості, що знайшли практичне застосування при розробці ІУС критичного застосування;

зведенням аналітичних залежностей для оцінки надійності багатоверсійного ПЗ до відомих і апробованих на практиці залежностей для одноверсійного ПЗ (без використання версійної надлишковості).

Особистий внесок здобувача полягає в розробці нових моделей, методів і інструментальних засобів, що забезпечили вирішення поставлених у дисертації задач. Всі основні наукові положення, результати, висновки і рекомендації дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Роботи [3, 7, 14] були опубліковані без співавторів. У роботах, опублікованих у співавторстві, автору належать: класифікація видів версійної надлишковості [1, 12], модель сумісності видів різноманітності [1], методика оцінки витрат при використанні версійної надлишковості [6, 11], модель внесення та розповсюдження дефектів при створенні програмного забезпечення [2], структура та процедури формування загального нормативного профілю [8], а також процедури формування субпрофілів для проектів ПЗ [13, 18], метрики диверсності для трьохверсійного ПЗ та метод оцінювання різноманітності багатоверсійних програмних засобів [5], інформаційна модель та алгоритми обчислення показників різноманітності [20], методика розрахунку показників надійності для багатоверсійних програмних засобів з використанням метрик диверсності [17, 19], процедури контролю багатоверсійних процесів розробки [10, 16], модель життєвого циклу та методика вибору технології створення багатоверсійного ПЗ [4, 9], а також метод автоматизації процесу формування моделей ЖЦ [15].

Апробація результатів дисертації. Наукові положення та висновки дисертаційної роботи доповідались й обговорювались на постійно діючому науково-технічному семінарі «Критичні комп’ютерні технології та системи» кафедри «Комп’ютерні системи та мережі» Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського «ХАІ» у 2003-2005 рр., а також на конференціях: Міжнародна науково-технічна конференція «Інтегровані комп’ютерні технології в машинобудуванні» (м. Харків, НАКУ «ХАІ», 2001-2003 рр.); Міжнародна науково-практична конференція «Сучасні інформаційні та електронні технології» (м. Одеса, ОНПУ, 2002 та 2003 рр.); 2nd International Conference on Information Systems Technology and its Applications – ISTA’2003 (м. Харків, НТУ «ХПІ», 2003 р.); 1st International Conference «Advanced Computer Systems and Networks: Design and Application» (м. Львів, НУ «Львівська політехніка», 2003 р.); Міжнародна конференція «Мікропроцесорні пристрої та системи в автоматизації виробничих процесів» (м. Хмельницький, 2003-2004 рр.); Міжнародний симпозіум «Виміри, важливі для безпеки в реакторах» (м. Москва, 2003 р.); Міжнародна наукова конференція «Молода наука Харківщини-2004»; Науково-практична конференція «Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України» (м. Харків, 2004 р.).

Публікації. Основні результати роботи опубліковані в двадцяти друкованих працях, серед яких вісім статей в наукових виданнях, що включені до переліку фахових видань ВАК України (5 статей в наукових журналах, 3 статті в збірках наукових праць), три доповіді та вісім тез доповідей у збірниках праць наукових конференцій, а також свідоцтво про реєстрацію авторського права на комп’ютерну програму.

Подобные работы
Асідех Фатхі Алі
Моделі та методи підвищення надійності інформаційно-управляючих систем критичного застосування з використанням багатоканального дублювання
Прімін Михайло Андрійович
Математичні моделі, методи й алгоритми просторово-часового аналізу магнітних полів та їх застосування в системах діагностики і виявлення
Рижук Микола Петрович
Дослідження та розробка програмних методів та засобів забезпечення працездатності АСК ТП нафтоперекачувальних станцій.
Тарасюк Ольга Михайлівна
Методи та інструментальні засоби метрико-ймовірнісної оцінки якості програмного забезпечення інформаційно-управляючих систем критичного застосування
Костарєв Дмитро Борисович
Моделі, методи та інструментальні засоби побудови автоматизованих навчаючих систем
Попов Олександр Володимирович
Моделі, методи та інструментальні засоби оперативного управління міським господарством
Оксамитна Любов Павлівна
Методи та засоби самоорганізації моделі знань в автоматизованих системах контролю знань та навчання
Пригожев Олександр Сергійович
Моделі, методи та засоби управління навчанням користувача роботі в автоматизованій інформаційній системі
Ходаков Даніїл Вікторович
Моделі, методи та засоби адаптивності користувальницького інтерфейсу
Бовчалюк Станіслав Ярославович
Моделі, методи та засоби інформаційної технології паралельного логічного керування об’єктами залізничної автоматики

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net