Chương 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG 1. Khái niệm về độ tin cậy của hệ thống 1. Vai trò của độ tin cậy hệ thống 1.
Các bƣớc tính toán độ tin cậy hệ thống Chương 2. CÁC PHƢƠNG PHÁP DỰ PHÒNG NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG 2. Các phƣơng pháp dự phòng truyền thống 2. Phƣơng pháp dự phòng tích cực 2.
Thuật toán đảm bảo độ tin cậy của hệ thống Chương 3. ỨNG DỤNG VÀ GIẢI PHÁP XỬ LÝ DỰ PHÒNG CHO HỆ THỐNG MÁY CHỦ 3. Mo hình hẹ thống máy chủ phục vụ truy cạp Internet. Mo hình hẹ thống có bổ sung them dự phòng theo các kịch bản dự phòng.
Đánh giá hiẹu quả của viẹc dự phòng và đua ra các khuyen nghị. Phần kết luận: Tóm tắt các kết quả đạt đƣợc và huớng phát triển tiếp. c 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG 1. Khái niệm về độ tin cậy của hệ thống 1.
Khái niệm về hệ thống và phần tử “Hệ thống là một tập hợp gồm nhiều phần tử tương tác, có các mối quan hệ ràng buộc lẫn nhau và cùng hoạt động hướng tới một mục tiêu chung thông qua chấp thuận các đầu vào, biến đổi có tổ chức để tạo kết quả đầu ra”. Hay “Hệ thống là một tập hợp gồm nhiều phần tử có các mối quan hệ ràng buộc tương tác lẫn nhau để thực hiện một mục đích chung” [3]. Phần tử là một bộ phận cấu thành nên hệ thống, do đó bên trong một hệ thống chứa đựng rất nhiều các phần tử khác nhau. Trong quá trình nghiên cứu về độ tin cậy của hệ thống nhất định, phần tử đƣợc xem nhƣ là một tổng thể không chia cắt đƣợc (ví dụ nhƣ: linh kiện, thiết bị…) mà độ tin cậy đã cho trƣớc hoặc xác định dựa trên những số liệu thống kê.
Định nghĩa về độ tin cậy Độ tin cậy thể hiện tính chất của đối tƣợng ở một thời điểm nhất định, dƣới những điều kiện làm việc nhất định, hoàn thành nhiệm vụ chức năng cho trƣớc, đồng thời vẫn duy trì đƣợc giá trị các thông số làm việc đã đƣợc thiết lập trong một giới hạn đã cho. Bên cạnh đó, độ tin cậy theo nghĩa rộng đó là một tính chất phức hợp bao gồm các tính chất chủ yếu của đối tƣợng nhƣ: tính không hỏng, tính sửa chữa, tính bảo quản và tính lâu bền. Độ tin cậy là đặc tính then chốt trong sự phát triển k thuật, đặc biệt là khi xuất hiện những hệ thống phức tạp nh m hoàn thành những chức năng quan trọng trong các lĩnh vực công nghiệp khác nhau. [4] Định lƣợng độ tin cậy của phần tử hoặc của cả hệ thống đƣợc đánh giá b ng cách phân tích, tính toán các chỉ số của độ tin cậy, dựa trên hai yếu tố cơ bản là: tính làm việc an toàn và tính sửa chữa đƣợc.
c 5 Theo[4], “Độ tin cậy P(t) của phần tử hoặc của hệ thống là xác suất để trong suốt khoảng thời gian khảo sát t phần tử đó hoặc hệ thống đó vận hành an toàn. Trong đó giá trị của độ tin cậy đƣợc biểu diễn theo công thức: P(t) đƣợc định nghĩa nhƣ biểu thức sau: P(t) = P{τ ≥ t} (1.1) Trong đó: τ là thời gian liên tục vận hành an toàn của phần tử. Biểu thức tính P(t) cho thấy r ng một phần tử muốn vận hành an toàn trong khoảng thời gian t thì giá trị của t phải bé hơn giá trị quy định τ. Đồng thời biểu thức trên cũng chỉ r ng phần tử chỉ vận hành an toàn với một xác suất nào đó (0 ≤ P ≤ 1) trong suốt khoảng thời gian t.
Tại thời điểm bắt đầu khi hệ thống vận hành nghĩa là ở thời điểm t = 0, phần tử bao giờ cũng hoạt động với hiệu suất cao nhất, do đó P(0) = 1. Ngƣợc lại thời gian càng kéo dài, khả năng vận hành an toàn của phần tử càng giảm đi và tới khi t→∞ thì theo quy luật phát triển của vật chất, không có sự tồn tại vĩnh viễn. Chính vì vậy, với tác động ảnh hƣởng của thời gian, nhất định hiệu suất hoạt động của phần tử sẽ bị ảnh hƣởng, nên khi đó độ tin cậy không còn, hay P(∞) = 0. Theo định nghĩa ở (1.1), độ tin cậy của hệ thống còn đƣợc gọi theo cách khác là xác suất an toàn, khi đó xác suất không an toàn Q(t) hay còn gọi là xác suất hỏng của hệ thống sẽ là: Q(t) = 1-P(t) (1.
Chỉ số độ tin cậy của hệ thống Ngày nay hệ thống và thiết bị k thuật (các phần tử) tồn tại trong thực tiễn thƣờng tồn tại dƣới 2 dạng là: các phần tử có khả năng phục hồi và các phần tử không phục hồi đƣợc. Do đó để dễ xác định độ tin cậy của các phần tử ta cũng sẽ phân chia các phần tử thành 2 dạng nhƣ trên. Phần tử không phục hồi Phần tử không phục hồi chính là phần tử mà khả năng làm việc của nó không thiết lập lại trong trƣờng hợp xảy ra hỏng, tức là phục hồi đƣợc hiểu là c 6 quá trình phát hiện và khắc phục sự cố nh m thiết lập lại khả năng vận hành của hệ thống. Khi đƣợc đƣa vào sử dụng, nếu bị hƣ hỏng phần tử thì sẽ loại bỏ ngay mà không tiến hành sửa chữa do không thể hoặc việc sửa chữa không mang lại hiệu quả, ví dụ nhƣ: linh kiện điện trở, tụ điện, IC…ta chỉ quan tâm đến sự kiện xảy ra sự cố đầu tiên.
Các thông số cơ bản của phần tử không phục hồi gồm có: a) Thời gian vận hành an toàn τ Giả thiết ở thời điểm t = 0 phần tử bắt đầu hoạt động và đến thời điểm t = τ thì phần tử gặp sự cố. Trong đó, khoảng thời gian τ đƣợc gọi là thời gian liên tục vận hành an toàn của phần tử. Vì sự cố không xảy ra tất định nên τ là một đại lƣợng ngẫu nhiên có các giá trị trong khoảng 0 ≤ τ ≤ ∞. Giả thiết trong khoảng thời gian khảo sát t thì phần tử xảy ra sự cố với xác suất Q(t).
Khi đó: Q(t) = P{ τ < t} Vì τ là đại lƣợng ngẫu nhiên liên tục nên: - Q(t) đƣợc gọi là hàm phân phối của biến ngẫu nhiên liên tục τ. - q(t) là hàm mật độ phân phối xác suất của τ.1: Biểu diễn hàm mật độ phân phối xác suất Hình 1.1 Biểu diễn hàm mật độ phân phối xác suất của thời gian trung bình vận hành an toàn. Theo tính chất của hàm mật độ phân phối xác suất của biến ngẫu nhiên liên tục, ta có công thức tính q(t) sau đây: c 7 q(t)=Q’(t) {Đạo hàm bậc 1 của hàm phân phối xác suất}, do đó: ( ) ( ) (1.3) Trong đó thỏa mãn tính chất: ∫ ( ) Khi đó ta có hàm mật độ phân phối xác suất của τ là: Q(t) = ( ) (1.4) Trong đó giá trị q(t).∆t là xác suất để thời gian hoạt động τ n m trong khoảng (t→ t+∆t) với ∆t đủ nhỏ. b) Độ tin cậy của phần tử P(t) Theo 1.5) Nhƣ vậy P(t) là xác suất để phần tử vận hành an toàn trong khoảng thời gian t vì ở đây ta đã giả thiết có τ ≥ t.
Từ biểu thức (1.6) Từ biểu thức (1.2: Biểu diễn hàm phân phối xác suất c 8 P(t) 1 0 t Hình 1.3: Biểu diễn độ tin cậy của phần tử Từ hai đồ thị trên ta thấy r ng khi Q(∞) = 1 và P(∞) = 0, điều này chứng tỏ độ tin cậy của phần tử giảm dần theo thời gian. c) Cƣờng độ hỏng hóc τ (t) của phần tử Cƣờng độ hỏng hóc [3] (hay cƣờng độ trở ngại) là một trong những khái niệm quan trọng khi nghiên cứu độ tin cậy, τ (t) là xác suất có điều kiện để một thiết bị làm việc trƣớc thời gian t và phát triển thành sự cố trong đơn vị thời gian t tại thời điểm t, do đó τ (t) là một hàm theo thời gian. Với giá trị ∆t đủ nhỏ thì τ (t).∆t chính là xác suất để phần tử đã hoạt động tốt đến thời điểm t sẽ hỏng hóc trong khoảng thời gian ∆t tiếp theo. Hay đó chính là số lần hỏng hóc trên một đơn vị thời gian trong khoảng thời gian ∆t.
Theo lý thuyết xác suất, xác suất nhân giữa hai sự kiện A và B là: P(AB) = P(A).9) suy ra: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Công thức (1.10) cho ta thấy mối liên hệ giữa bốn đại lƣợng là: cƣờng độ hỏng hóc, hàm mật độ xác suất, hàm phân bố xác suất và độ tin cậy của phần tử. Vậy độ tin cậy của phần tử đƣợc tính nhƣ sau: Từ (1.10) ta có: ( ) ( ) ( ) <=> ( ) ( ) ( ) ( ) ∫ ( ) ∫ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Do P(0) = 1 ∫ ( ) ( ) ( ) Công thức (1.11) cho phép tính đƣợc độ tin cậy của phần tử không phục hồi khi đã biết cƣờng độ hỏng hóc τ (t), mà cƣờng độ hỏng hóc τ (t) này xác định đƣợc nhờ phƣơng pháp thống kê quá trình hỏng hóc của phần tử trong quá trình vận hành trƣớc kia. c 10 Trong các hệ thống hiện nay thƣờng sử dụng điều kiện τ (t) = τ = h ng số (λ tƣơng đối nhỏ), thực hiện đƣợc nhờ chế độ bảo quản định kỳ đối với các thiết bị. Khi đó cƣờng độ hỏng hóc là giá trị trung bình số lần sự cố xảy ra trong một đơn vị thời gian.
Khi đó: ;( ) ; ( ) Biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số trên nhƣ hình 1.4: Biểu diễn hàm phân phối và độ tin cậy (t) 1 2 3 0 t Hình 1.5: Biểu diễn cường độ hỏng hóc Theo nhiều tài liệu thống kê thì quan hệ của cƣờng độ hỏng hóc τ (t) theo thời gian thƣờng có dạng nhƣ hình 1. Đƣờng cong của cƣờng độ hỏng hóc τ (t) đƣợc chia làm ba miền hay còn gọi là 3 thời kỳ vận hành của một thiết bị: c 11 Miền 1: Mô tả thời kỳ “chạy thử”, những hỏng hóc ở giai đoạn này thƣờng do lắp ráp, vận chuyển. Tuy giá trị ở giai đoạn này cao nhƣng thời gian kéo dài ít, giảm dần và nhờ chế tạo, nghiệm thu có chất lƣợng nên giá trị cƣờng độ hỏng hóc τ (t) ở giai đoạn này có thể giảm nhiều. Miền 2: Mô tả giai đoạn sử dụng bình thƣờng, cũng là giai đoạn chủ yếu của tuổi thọ các phần tử.