Прикладные проблемы надежности и качества систем

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ 
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ 
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ 
УПРАВЛЕНИЯ 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

 

№ 2334

Кафедра автоматизированных систем управления
 
 

А.П. Смирнов 

Прикладные проблемы 
надежности и качества систем 

Курс лекций 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва 2018

УДК 
004 
С50 

Р е ц е н з е н т  
канд. техн. наук, доц., проф. Е.П. Потоцкий 

Смирнов А.П. 
С50  
Прикладные проблемы надежности и качества систем : курс 
лекций / А.П. Смирнов. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС, 
2018. – 80 с. 

ISBN 978-5-87623-783-5 

Изложены прикладные проблемы расчета показателей надежности информационных систем, а также некоторые проблемы эргономики и качества 
информационных систем. В качестве информационных систем рассмотрены 
автоматизированные системы обработки информации и информационные 
модели производственных систем. 
Предназначен для обучающихся в бакалавриате по направлениям подготовки 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника» и 09.03.02 «Информационные системы и технологии», а также для магистрантов по направлению подготовки 09.04.03 «Прикладная информатика». 
УДК 004 

 
 А.П. Смирнов, 2018 

ISBN 978-5-87623-783-5 
 НИТУ «МИСиС», 2018 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

1. НАДЕЖНОСТЬ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ (ИС) ........................... 6 
1.1. Структура операций ИС и надежность ................................................... 6 
1.1.1. Понятие надежности достижения цели ИС .................................. 6 
1.1.2. Структура основных операций по решению задачи .................... 8 
1.1.3. Алгоритм вычисление вероятности успешного решения 
отдельной задачи с первого старта ........................................................ 10 
1.1.4. Вероятность успешного решения задачи  
при возможных рестартах ...................................................................... 11 
1.2. Надежность человека-оператора ........................................................... 14 
1.3. Надежность канала связи ....................................................................... 15 
1.3.1. Вероятность пропуска ошибки .................................................... 15 
1.3.2. Некоторые методы обнаружения ошибки .................................. 16 
1.4. Надежность программного обеспечения .............................................. 18 
1.4.1. Вероятность ошибок от воздействия помех ............................... 18 
1.4.2. Вероятность алгоритмической ошибки  
рабочей программы................................................................................. 19 
1.5. Надежность сетей ................................................................................... 21 
1.5.1. Принципы функционирования сети ............................................ 21 
1.5.2. Показатели надежности сети ....................................................... 23 

2. ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ОЦЕНКИ НАДЕЖНОСТИ 
АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ (ПС) ..... 28 
2.1. Особенности структуры ПС и уточнение понятия надежности ......... 28 
2.1.1. Понятие надежности управления ПС .......................................... 28 
2.1.2. Связи в ПС и ее стохастичность .................................................. 29 
2.1.3. Эффект положительных обратных связей .................................. 31 
2.2. Функциональная надежность простой ПС с однородным  
потоком продукции ....................................................................................... 33 
2.2.1. Структура системы и понятие отказа .......................................... 33 
2.2.2. Динамическая модель состояния склада ..................................... 34 
2.2.3. Вычисление показателя функциональной надежности ............. 36 
2.2.4. О практическом применении модели функциональной 
надежности простой ПС ......................................................................... 38 
2.3. Модель надежности сложной ПС .......................................................... 39 
2.3.1. Характеристика целей сложной ПС ............................................ 39 
2.3.2. Понятие отказа в сложной ПС ..................................................... 41 
2.3.3. Формализация понятия нечеткого отказа ................................... 42 
2.3.4. Нечеткий отказ по цели в ПС ....................................................... 45 
2.3.5. Методика вычисления показателей надежности  
управления ПС ........................................................................................ 47 

2.3.6. Примеры вычисления функций принадлежности  
для реального производства ................................................................... 49 

3. КАЧЕСТВО ИС .............................................................................................. 55 
3.1. Принципы оценки качества ИС ............................................................. 55 
3.2. Качество программных средств ИС ...................................................... 58 
3.2.1. Стандарты, регламентирующие качество  
программных средств ............................................................................. 58 
3.2.2. Конструктивные характеристики качества сложных  
программных средств ............................................................................. 64 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ............................................................... 79 

1. НАДЕЖНОСТЬ ИНФОРМАЦИОННЫХ 
СИСТЕМ (ИС) 

1.1. Структура операций ИС и надежность 

1.1.1. Понятие надежности достижения цели ИС 

Информационные системы (ИС) имеют различные области применения. Рассмотрим ИС, предназначенные для функционирования в 
составе некоторой производственной системы (ПС). 
Такие ИС являются, как правило, подсистемами автоматизированных систем управления и предназначены для периодического 
решения комплекса задач по выдаче информации для управления 
производственным (или иным) объектом. Кроме того, ИС решает 
собственные задачи по компоновке, размещению и поиску информации. Таким образом, эта система является многоцелевой системой, l-й локальной целью которой является выдача достоверной 
информации по некоторой l-й задаче (l = 1,L) управления не позже 
заданного момента времени t3(l). Показателем надежности достижения указанной локальной цели будем считать вероятность pcl 
указанного выше события. 
Определение 1. Если решаемые задачи попарно независимы по 
входной и выходной информации, то в качестве показателя надежности достижения цели системы pc примем либо вероятность pcl
* успешного решения (т. е. достоверного и не позже заданного времени) 
наиболее важной задачи 

 
pc = pcl*, 
(1.1) 

либо минимальную вероятность 

 
min
c
cl
l
p
p
=
, 
(1.2) 

либо, наконец, среднюю взвешенную вероятность 

 

1

L

c
l
cl
l
p
p

=
=
α
∑
, 
(1.3) 

где 0
1
l
≤ α ≤  – весовые коэффициенты, определяемые важностью l-й 

цели по экспертным оценкам, причем 

1
1
L

l
l=
α =
∑
. 

Если же имеются зависимые задачи, то в определении требуется 
учесть эту зависимость; она обычно выражается в том, что некоторая 
r-я задача (r = 1, R; R ≤ L) не может быть решена прежде, чем решены другие вспомогательные задачи. 
Определение 2. При зависимых задачах исходное множество из L 
задач представляется как R подмножеств из Gr задач каждое, рассматриваемых как укрупненные задачи с вероятностями успешного 
решения pcr. Значение pcr вычисляется по формуле 

 

1

r
G

cr
cg
g
p
p

=
=∏
, 
(1.4) 

где g – индекс задач r-го подмножества. Значения pcg есть условные 
или безусловные вероятности успешного решения. 

Для оценки pc применяется одна из формул (1.1) – (1.3) с заменой 
индекса l на r, а L – на R. 
Возможны различные сочетания условных и безусловных вероятностей в зависимости от связи задач. Здесь могут быть два крайних 
случая. 
Первый: имеется только одна начальная, независимая от других 
задача. Дальнейшая последовательность задач жестко определена 
информацией. 
Второй: (Gr – 1) задач не связаны информацией друг с другом. 
Последовательность их решения может быть произвольной. Только 
последняя задача решается на основании информации от решения 
предыдущих. Возможны все промежуточные варианты. 
Формула (1.4) не зависит от указанного обстоятельства. Но отдельные значения pcg могут оказаться зависимыми от очередности запуска 
задач. Например, для каждой из задач существует собственная ненулевая вероятность искажения входной информации, приводящая к сбою 
вычислительного процесса, т. е. к непредвиденной задержке времени. 
Это тем более актуально для однопроцессорной системы с разделением времени, когда одновременно (в режиме прерывания) могут решаться задачи другого подмножества. Из сказанного ясно, что зависимость pcg от очереди задач должна быть индивидуальной для каждой 
ИС в зависимости от ее технической реализации и программного 
обеспечения. Поэтому данная проблема не рассматривается в этом 
курсе лекций. Ограничимся лишь замечанием, что она может быть 
исследована лишь при испытаниях или эксплуатации конкретных ИС. 

Итак, будем считать, что значения pcg получены путем исследования длительности решения g-й задачи при условии стационарного 
потока отказов. В таком случае pcr определяется однозначно по формуле (1.4). 
Замечание. Совершенно ясно, что вариант независимых задач является частным случаем варианта зависимых задач. При этом Gr = 1 
для всех r, а также r
l
≡  и R = L. 

1.1.2. Структура основных операций  
по решению задачи 

Рассмотрим проблему вычисления pcg. Решение g-й задачи есть 
последовательность операций, успешное выполнение каждой из которых это необходимое условие для выполнения следующей операции. Укрупненная структура операций и технические устройства для 
их реализации показаны на рис. 1.1. 

Основными техническими устройствами ИC являются терминалы, каналы связи и компьютеры. На рис. 1.1 пунктиром показано, 
что одновременно функционируют несколько терминалов. Операции ввода и вывода могут быть реализованы на одном и том же 
терминале. 

 

Рис. 1.1. Структура операций ИC 

Терминал ввода 
1. Ввод данных 

Прямой канал связи 
2. Передача данных 

Компьютер 
3. Вычислительный 
процесс 

Обратный канал связи 
4. Передача результатов 

Терминал вывода 
5. Вывод 
результатов 
 

Обычно применяются дуплексные каналы связи, объединяющие 
прямой и обратный канал в одном устройстве. Если ИC реализована 
в виде компьютерной сети, то операции ввода и вывода, а также передача данных результатов производятся, как правило, на устройствах, не совпадающих физически. Причинами отказа ИС при решении 
задачи являются не только отказы технических устройств, но и 
внешние электромагнитные помехи, искажающие информацию. Информационная система в составе системы управления производством 
является обслуживаемой системой с активным контролем ошибок и 
исправного состояния устройств, которое контролируется тестами и 
поддерживается профилактическими заменами. Ошибки, вызванные 
помехами, обнаруживаются с помощью помехозащитного кодирования информации, передаваемой по каналам связи. Информация передается пакетами. Если ошибка в пакете обнаружена, то он запрашивается вторично. 
Ввод данных чаще всего осуществляется человеком-оператором, 
вносящим ошибки в исходные данные, которые могут быть обнаружены обычно только после решения задачи. Контроль на грубые 
ошибки предусматривают в рабочей программе. 
При решении задачи в процессоре могут произойти отказы отдельных устройств. Это означает прекращение вычислительного 
процесса. Кроме того, помехи могут вызвать искажение информации. 
Если эти искажения приводят к сбою в рабочей программе, то, как 
правило, имеется возможность нового старта задачи (рестарт). Если 
происходит сбой операционной системы, то необходим новый запуск 
ее, на что тратится время. После этого невыполненные задачи стартуют снова. 

1.1.3. Алгоритм вычисления вероятности успешного 
решения отдельной задачи с первого старта 

При решении g-й задачи должны быть выполнены последовательно следующие задачи: ввод и передача данных, решение задачи (вычислительный процесс), передача и вывод результатов. Вероятность 
решения задачи с первого старта pg1 в таком случае есть произведение вероятностей успешного выполнения указанных операций: 

 
1
1
2
3
4
5
g
p
p p p p p
=
, 
(1.5) 

где p1 – вероятность отсутствия отказа при вводе данных; 
p2 – вероятность безошибочной передачи данных;