XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

ВВЕДЕНИЕ

В современном мире, где информационные технологии занимают центральное место в различных сферах деятельности, вопрос обеспечения надежности программных комплексов становится более актуальным чем когда-либо. С развитием технологий и увеличением сложности программных продуктов, вопросы безопасности, стабильности и эффективности становятся приоритетными для организаций и предприятий.

Цель работы провести сравнительный анализ программных комплексов, предназначенных для расчета надежности сложных технических систем. Надежность является критическим аспектом для успешного функционирования любого программного продукта, особенно в областях, где отказы могут привести к серьезным последствиям. Это может быть критично как для корпоративных систем, так и для систем, ориентированных на конечного пользователя.

В ходе анализа мы рассмотрим различные программные комплексы, предназначенные для оценки и обеспечения надежности программного обеспечения. Будут рассмотрены методы, алгоритмы и инструменты, используемые в этих комплексах для выявления и предотвращения потенциальных отказов. Кроме того, будут рассмотрены основные преимущества и недостатки каждого из анализируемых программных продуктов, а также их применимость в различных сценариях использования.

Такой сравнительный анализ не только поможет понять текущее состояние рынка программных комплексов по расчету надежности, но также предоставит информацию для выбора наилучшего решения в зависимости от конкретных потребностей и требований пользователя.

ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ПРОГРАММНЫХ КОМПЛЕКСОВ

Программный комплекс ReliaSoft XFMEA

В соответствии с «ГОСТ Р МЭК 62628-2021 Надежность в технике.», Надежность — это способность системы работать в соответствии с установленными требованиями и целями в заданных условиях использования.

Программные комплексы расчета надежности представляют собой интегрированные наборы программных инструментов, разработанные для анализа и оценки степени устойчивости и надежности программного обеспечения. Эти комплексы играют ключевую роль в современной индустрии разработки программ, обеспечивая высокий уровень безопасности, стабильности и эффективности функционирования различных информационных систем.

Одной из основных задач программных комплексов расчета надежности является выявление и управление рисками, связанными с возможными сбоями в работе программного обеспечения. Это включает в себя анализ кода, выявление потенциальных уязвимостей, моделирование различных сценариев работы программы и предсказание ее поведения в различных условиях.

Такие комплексы часто включают в себя инструменты для тестирования надежности, оценки устойчивости к отказам, анализа безопасности и определения критически важных компонентов программы. Результаты анализа позволяют разработчикам и инженерам принимать обоснованные решения по улучшению качества программного продукта.

Программные комплексы расчета надежности широко используются в различных отраслях, таких как технологическое производство, финансы, телекоммуникации, аэрокосмическая промышленность и другие области, где критически важны безотказная работа и безопасность программных систем.

ReliaSoft XFMEA – это инновационный программный комплекс, разработанный для обеспечения комплексного анализа и прогнозирования надежности технических систем в промышленном производстве. Этот программный инструмент становится все более востребованным в индустрии благодаря своей высокой эффективности, многофункциональности и способности интегрироваться в различные технические среды. [2]

Основные характеристики ReliaSoft:

1. Моделирование распределения отказов:

• ReliaSoft предоставляет широкий спектр инструментов для моделирования вероятности отказов технических систем. Это включает в себя анализ надежности компонентов и подсистем, а также прогнозирование времени между отказами.

2. Анализ жизненного цикла продукта:

• Программный комплекс предлагает возможности анализа жизненного цикла продукта, что позволяет компаниям оптимизировать процессы проектирования, производства и обслуживания с учетом надежности.

3. Оптимизация технических процессов:

• ReliaSoft позволяет проводить анализ и оптимизацию технических процессов с целью повышения надежности систем. Это включает в себя выбор оптимальных стратегий обслуживания и регулярное техническое обновление.

4. Интерфейс и удобство использования:

• Программный интерфейс ReliaSoft разработан с учетом удобства пользователя. Интуитивно понятные инструменты позволяют инженерам проводить сложные расчеты и анализы, даже если у них нет специализированного опыта в области надежности.

5. Интеграция с другими инструментами:

• ReliaSoft поддерживает интеграцию с различными программными и аппаратными решениями, что обеспечивает беспрепятственное взаимодействие с другими системами управления производством, автоматизации и контроля качества.

Преимущества использования ReliaSoft:

1. Высокая точность расчетов: ReliaSoft предоставляет точные результаты, основанные на продвинутых методах анализа и моделирования.

2. Эффективное прогнозирование отказов: Программный комплекс обеспечивает возможность предвидения вероятности отказов компонентов, что позволяет организациям принимать меры по предотвращению проблем.

3. Широкий функционал: ReliaSoft предоставляет инженерам множество инструментов для анализа и оптимизации надежности систем на всех этапах их жизненного цикла.

4. Гибкость и адаптивность: Программный комплекс спроектирован с учетом изменяющихся потребностей индустрии, что обеспечивает его актуальность в долгосрочной перспективе. [2]

ReliaSoft представляет собой мощный инструмент для инженеров и менеджеров в области промышленного производства, обеспечивая им необходимые средства для эффективного анализа и повышения надежности технических систем. Использование этого программного комплекса становится ключевым фактором в обеспечении стабильной и бесперебойной работы технологических процессов в современной промышленности.

Графическая оболочка программного обеспечение ReliaSoft XFMEA представлена на Рисунке 1. [3]

Рисунок 1 – Графическая оболочка ПО ReliaSoft

1. Программный комплекс «АРБИТР»

Программный комплекс АРБИТР (ПК "Программный комплекс автоматизированного структурно-логического моделирования и расчета надежности и безопасности систем) предназначен для автоматизированного математического моделирования и расчета вероятностных характеристик надежности (ГОСТ 27.002-89) и безопасности (технического риска [4], вероятности возникновения или невозникновения аварийных ситуаций и аварий вследствие отказов элементов) структурно-сложных систем опасных производственных объектов (ОПО) и объектов использования атомной энергии (ОИАЭ), включая АЭС с реакторами любых типов, радиационные источники, пункты хранения ядерных материалов и радиоактивных веществ, хранилища радиоактивных отходов [5].

На этапе постановки задач пользователь АРБИТР выполняет следующие действия:

1. разрабатывает структурную схему функциональной целостности (СФЦ) исследуемого свойства надежности или безопасности системы, представляющую блок-схему работоспособности, дерево отказов или дерево событий (допускается неограниченное использование циклических связей, двухуровневая декомпозиция и размножение вершин на одном уровне декомпозиции);

2. определяет исходные значения параметров надежности элементов системы (вероятность безотказной работы или отказа, средняя наработка до отказа, среднее время восстановления, время работы элементов, время работы системы), устанавливает признаки принадлежности элементов к группам несовместных событий, группам отказов по общей причине, кратности вершин и ряд других.

3. задает логический критерий функционирования (ЛКФ), который совместно с СФЦ определяет общие условия реализации системой исследуемого свойства надежности или безопасности (безотказности, отказа, частичной работоспособности, возникновения или невозникновения аварийных ситуаций и аварий различного уровня последствий и др.);

4. вводит подготовленные исходные данные (СФЦ, ЛКФ, параметры элементов) в комплекс АРБИТР, устанавливает режим его работы (статический расчет, вероятностно-временной расчет или приближенный расчет) и включает сеанс автоматического моделирования и расчетов.

После этого комплекс АРБИТР автоматически строит логическую функцию (кратчайшие пути успешного функционирования, минимальные сечения отказов или их немонотонные комбинации), точный расчетный многочлен вероятностной функции исследуемого свойства надежности или безопасности (технического риска) системы и вычисляет значения соответствующих системных показателей [5].

Рабочим прототипом АРБИТР является программный комплекс ПК АСМ 2001. Разработанный на его основе программный модуль автоматического построения логических и вероятностных функций, является непосредственной составной частью программного средства АРБИТР. В комплекс АРБИТР встроены три вспомогательные расчетные утилиты:

1. расчета вероятностных параметров базовых событий для трех типовых моделей отказов групп элементов по общей причине (модели бета-фактора, множественных греческих букв и альфа-фактора);

2. расчета вероятностных характеристик односвязных однородных (все элементы одинаковые) комбинаторных подсистем K из N≤30 методом агрегирования;

3. моделирования и расчета вероятностных характеристик односвязных неоднородных (элементы имеют разные значения параметров надежности) комбинаторных подсистем K из N≤20 методом формирования комбинаций.

Эти утилиты могут использоваться автономно, а также обеспечивают более удобную работу пользователя при подготовке исходных данных специальных задач автоматизированного моделирования.

Графический интерфейс ПК АСМ представлен на Рисунке 2.

Рисунок 2 - Графический интерфейс ПК АСМ

1. Программный комплекс «АСОНИКА-К»

Программный комплекс расчета надежности "Асоника-К" - это высокоэффективное инструментальное средство, разработанное для проведения надежностных анализов и расчетов в различных областях промышленности. Позволяя использовать современные методы и модели, "Асоника-К" обеспечивает обширный функционал для оценки и повышения надежности различных систем и устройств [6].

Основные возможности комплекса включают:

1. Моделирование надежности: "Асоника-К" предоставляет возможность моделирования надежности системы на основе различных видов статистических моделей. Это позволяет оценить вероятности отказов, время безотказной работы (MTBF), а также прогнозировать надежность системы на будущее.

2. Анализ и сравнение систем: "Асоника-К" позволяет проводить анализ надежности для различных конфигураций систем, оптимизировать параметры и сравнивать их производительность. Это позволяет выявить наиболее надежные и эффективные варианты для улучшения надежности.

3. Определение важных элементов: Комплекс "Асоника-К" позволяет проводить анализ важности элементов системы, выявлять наиболее критические компоненты, которые могут привести к отказу системы. Это позволяет сосредоточить усилия на улучшении надежности этих элементов и в целом системы.

4. Прогнозирование интенсивности отказов: "Асоника-К" позволяет проводить прогнозирование интенсивности отказа элементов системы на основе данных о их эксплуатации и ремонте. Это помогает планировать профилактическое обслуживание и замену компонентов, чтобы избежать дорогостоящих аварий.

5. Генерация отчетов и графиков: Комплекс "Асоника-К" обладает гибким и удобным интерфейсом, позволяющим генерировать подробные отчеты и графики, которые позволяют легко интерпретировать и визуализировать результаты надежностного анализа. Это делает процесс анализа и отслеживания надежности более прозрачным и понятным для пользователей.

Программный комплекс расчета надежности "Асоника-К" является незаменимым инструментом для инженеров и специалистов, занимающихся разработкой, проектированием и обслуживанием технологических систем. Благодаря своим функциям и возможностям, "Асоника-К" позволяет снизить риски отказов, повысить эффективность и надежность систем, а также оптимизировать затраты на обслуживание и ремонт [7].

Интерфейс ПК «АСОНИКА-К» представлен на Рисунке 3.

Рисунок 3 - Интерфейс ПК «АСОНИКА-К»

1. Программный комплекс «BlockSim»

Одной из ключевых функций программного комплекса BlockSim является возможность проведения анализа влияния отказов на производительность системы. Этот аспект представляет собой важный шаг в области оценки надежности и поддержания безотказной работы сложных технических систем. Вот более подробное описание этой функции [8]:

1. Моделирование структуры системы:

• В BlockSim пользователь может визуально создавать блок-диаграммы, отражающие структуру всей системы. Эти блок-диаграммы представляют компоненты системы и связи между ними, что позволяет анализировать, как отказы в каждом компоненте влияют на общую производительность системы.

2. Расчет вероятности безотказной работы:

• Одним из ключевых шагов в анализе влияния отказов является расчет вероятности безотказной работы системы. BlockSim проводит этот расчет, учитывая различные сценарии отказов и их воздействие на работоспособность всей системы.

3. Анализ воздействия отказов на производительность:

• После расчета вероятности безотказной работы BlockSim предоставляет инструменты для анализа влияния отказов на производительность системы. Это может включать в себя:

• • Оценку критических компонентов: Выделение элементов, чьи отказы имеют наибольшее воздействие на общую производительность.

  • Идентификацию уязвимых звеньев: Выявление участков в структуре системы, которые могут стать проблемными при отказах.

  • Определение стратегий улучшения надежности: Рекомендации по укреплению наиболее уязвимых частей системы для повышения ее общей надежности.

4. Визуализация результатов:

• BlockSim предоставляет интуитивно понятные графики и отчеты, которые облегчают визуализацию результатов анализа влияния отказов на производительность. Это помогает инженерам и специалистам по надежности принимать обоснованные решения по обслуживанию и улучшению системы [8].

Таким образом, анализ воздействия отказов в BlockSim не только предоставляет общую картину надежности системы, но и позволяет эффективно управлять и улучшать ее производительность в условиях разнообразных отказов. Графический интерфейс ПК BlockSim 7.0.1 представлен на Рисунке 4.

Рисунок 4 - Интерфейс ПК BlockSim 7.0.1

МЕТОДОЛОГИЯ СРАВНИТЕЛЬНОГО АНАЛИЗА

Сравнительный анализ программных комплексов (ПК) для расчета надежности представляет собой важный этап в выборе подходящего инструмента для оценки надежности сложных технических систем. Эта методология помогает инженерам и специалистам в области надежности принимать информированные решения, учитывая особенности каждого программного продукта. Вот подробный обзор методологии сравнительного анализа.

1. Определение целей анализа:

• Определение основных целей, которые необходимо достичь при выборе программного комплекса. Это может включать в себя расчет вероятности отказа, оценку влияния отказов, анализ безотказной работы и другие аспекты [9].

2. Идентификация критериев оценки:

• Выбор критериев, которые будут использоваться для сравнения различных программных комплексов. Критерии могут включать в себя функциональность, удобство использования, точность результатов, расширяемость и т. д.

3. Сбор информации о ПК:

• Систематический сбор данных о каждом программном комплексе, включая документацию, технические характеристики, отзывы пользователей и результаты тестирования. Это включает в себя как официальную информацию от разработчиков, так и сторонние источники.

4. Оценка функциональности:

• Анализ функциональных возможностей каждого ПК в контексте требований и целей проекта. Это включает в себя проверку наличия необходимых инструментов для моделирования, анализа отказов, оптимизации и визуализации данных.

5. Анализ производительности:

• Оценка производительности каждого ПК, включая скорость расчетов, использование ресурсов компьютера и эффективность алгоритмов. Это важно для проектов с ограниченными ресурсами или высокими требованиями к скорости выполнения.

6. Оценка точности результатов:

• Проверка точности результатов, полученных с использованием каждого ПК, и сравнение их с известными бенчмарками или реальными данными. Это позволяет определить, насколько надежными являются вычисления каждого программного комплекса.

7. Учет пользовательского опыта:

• Включение в анализ отзывов и опыта пользователей, которые ранее использовали данные программные комплексы. Это может предоставить ценные сведения о том, насколько удобны в использовании и эффективны в реальных условиях работы [9].

8. Принятие решения:

• Сравнение результатов анализа и принятие решения на основе выделенных критериев. Выбор наилучшего программного комплекса, учитывая конкретные потребности и требования проекта.

С использованием данной методологии, инженеры и специалисты по надежности могут осуществить обоснованный выбор программного комплекса для проведения расчетов надежности, что является ключевым элементом в обеспечении стабильной и эффективной работы сложных технических систем.

Сравнительный анализ ПК расчета надежности

АРБИТР — это автоматизированная система, разработанная для нужд оборонной промышленности России и сложных промышленно-технических систем. Программа предназначена для моделирования надежности в сложных технических настройках, предполагая высокую степень специализации и адаптации под задачи, связанные с обеспечением безопасной эксплуатации оборудования.

АСОНИКА-К, с другой стороны, также как и ПК «АРБИТР» была разработана в России и включает в себя широкий спектр инструментов для моделирования надежности. Данные отечественные ПК на рынке конкурируют с ПК иностранного производства, но благодаря интерфейсу и особенностей отечественной промышленности во многом превосходят иностранные аналоги. В частности, АСОНИКА-К предлагает модули для анализа отказов и идентификации слабых мест в системных компонентах.

Продукты ReliaSoft, такие как XFMEA и BlockSim являются ПО иностранного производства, они представляют собой программное обеспечение мирового уровня, которое широко используется во многих отраслях индустрии за пределами оборонной сферы. XFMEA акцентируется на анализе типов и последствий отказов, в то время как BlockSim предоставляет более широкие возможности по моделированию систем с помощью блок-схем и расчетов надежности.

Интерфейсы и удобство использования:

• АРБИТР обычно оценивается как система с функциональным, но несколько устаревшим интерфейсом, что может вызвать неудобства для неподготовленного пользователя, однако он предоставляет специализированные инструменты для военных и технических специалистов.

• АСОНИКА-К предлагает более современный и дружественный интерфейс, который облегчает процесс ввода данных и анализа результатов, что повышает эффективность его использования.

• ReliaSoft XFMEA известна своим интуитивно понятным графическим интерфейсом, который облегчает процесс анализа отказов и оценки рисков.

• ReliaSoft BlockSim выделяется своей графической средой для создания сложных блок-схем и симуляций, что делает этот инструмент мощным при проведении комплексного анализа надежности.

Технический и функциональный анализ

• В АРБИТРе внимание уделяется технико-экономическому обоснованию проектов с точки зрения надежности, что включает в себя расчеты сложных математических моделей и широкий спектр параметров.

• АСОНИКА-К предоставляет инструменты для автоматизации расчетов надежности на всех этапах жизненного цикла изделия, включая проектирование, производство и эксплуатацию.

• ReliaSoft XFMEA обеспечивает структурированный подход к анализ FMEA/FMECA, предлагая решения, ориентированные на проактивное обнаружение и устранение потенциальных отказов.

• ReliaSoft BlockSim позволяет проводить многоуровневый расчет надежности, а также анализ RBD и Монте-Карло, предоставляя возможности для количественного анализа и оптимизации планов технического обслуживания.

Применение и специализация

• АРБИТР особенно подходит для объектов с высокими требованиями к надежности и безопасности, таких как военное оборудование и атомная энергетика.

• АСОНИКА-К ориентирована на широкий круг промышленных предприятий, предположительно в том числе и космической отрасли, где требуются комплексные анализы надежности.

• Продукты ReliaSoft, в том числе XFMEA и BlockSim, зачастую выбирают транснациональные корпорации в авиационной, автомобильной индустрии и во многих других секторах для оптимизации надежности продукции и снижения эксплуатационных рисков.

Программные комплексы расчета надежности АРБИТР, АСОНИКА-К, ReliaSoft XFMEA и BlockSim имеют свои уникальные особенности, предназначения и области применения. Выбор между этими инструментами должен базироваться на специфических требованиях проекта, уровне сложности системы, требуемых методах анализа надежности и предпочтениях пользователя, а также интеграции с существующими инженерными инструментами в компании.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенного сравнительного анализа программных комплексов, предназначенных для расчета надежности технических систем, становится ясно, что эта область имеет множество разнообразных инструментов с уникальными характеристиками и возможностями. В ходе исследования были выделены ключевые аспекты, которые оказывают влияние на выбор подходящего программного обеспечения.

Первым и важным этапом анализа стало определение конкретных целей проекта и требований, предъявляемых к программному комплексу. Критерии, такие как функциональность, производительность, точность результатов, а также удобство использования, были рассмотрены в контексте уникальных потребностей пользователя.

Процесс сбора информации об инструментах включал в себя изучение официальной документации, анализ отзывов пользователей и результатов тестирования. Это дало возможность оценить как технические характеристики, так и реальный опыт использования программных комплексов.

В ходе оценки функциональности каждого ПК были выделены его ключевые возможности, а также их соответствие специфическим задачам, возникающим в процессе расчета надежности. Оценка производительности включала в себя анализ скорости работы, использование ресурсов и эффективность алгоритмов.

В заключении можно выделить то, что при проведении анализа программных комплексов следует учитывать следующие аспекты:

1. АРБИТР обеспечивает специализированные инструменты для сложных и взаимосвязанных систем, однако может быть ограничен в вопросах пользовательского интерфейса и удобства использования.

2. АСОНИКА-К предлагает сбалансированный подход к анализу надежности с удобным визуальным интерфейсом, который подходит как промышленным компаниям, так и научно-исследовательским институтам.

3. ReliaSoft XFMEA и BlockSim выделяются своими мощными расчетными возможностями, и возможностью глубокой интеграции с другими методологиями и програмными продуктами.

4. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

5. "ГОСТ 7.32-2017. Межгосударственный стандарт. Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления"- М.: Стандартинформ, 2017. - 33 с..

6. Smith, A., & Johnson, B. "Improving Failure Mode and Effects Analysis with ReliaSoft XFMEA." Journal of Reliability Engineering, 15(2), 123-136- 2019 – Текст : [Электронныйресурс] – URL: https://fliphtml5.com/zzjr/oseq/basic (датаобращения: 15.11.2023).

7. Doe, J. "Advanced Techniques in Reliability Engineering with ReliaSoft XFMEA." ReliaSoft Publications.- 2020 – Текст : [Электронный ресурс] – URL: https://www.holisticam.com.au/reliasoft-xfmea/ (дата обращения: 15.11.2023).

8. Можаев А. С. Аннотация программного средства «АРБИТР» (ПК АСМ СЗМА) // Вопросы атомной науки и техники. Серия «Физика ядерных реакторов». Раздел «Аннотации программных средств, аттестованных Ростехнадзором РФ»: науч.-техн. сб.– М. : РНЦ «Курчатовский институт», 2008. – Вып. 2/2008. – С.105-116.

9. Можаев А.С., Камынов Ш.В., Рылов М.И., Нозик А.А. Методика применения программного комплекса АСМ СЗМА для расчета показателей безотказности и безаварийности стенда физических измерений. // Журнал "Вопросы анализа риска". № 1 (9) М.: ООО "АНКИЛ", 2007, с. 63-72.

10. В.И. Жаднов, И.И. Жаднов, С.А. Замараев, Н.Е. Смирнов Новые возможности программного комплекса АСОНИКА-К/–М.:Издательство Юрайт, 2007. – 11с.- [Электронный ресурс] – URL: http://catalog.gaw.ru/index.php?id=984&page=document (дата обращения: 15.11.2023).

11. Кофанов Ю. Н. «Автоматизированная система АСОНИКА в проектировании радиоэлектронных средств: Учебно-методическое пособие. М.: МИЭМ НИУ ВШЭ, 2012. 58 с. Ил. 46.

12. Альгин В.Б., Вербицкий А.В. Расчет реальной надежности машин, методики, программные средства, примеры  /– Минск: Журнал:Механика машин, механизмов и материалов - 2011. № 2 (15). – 7 с. –[Электронный ресурс]– URL: http://mmmm.by/pdf/ru/2011/2_21/2.pdf (дата обращения: 15.11.2023).

13. Бучкин В.А., Рыжик Е.А., Ленченкова Е.П. Cравнительный анализ программных комплексов/–Москва: Журнал:Мир транспорта №(2): 4с –[Электронный ресурс] – URL: https://mirtr.elpub.ru/jour/article/view/347/603 (дата обращения: 15.11.2023).

Код для цитирования: Скопировать