一个RS485多机通信系统的可靠性评估的建模和仿真(终稿)

一个RS485多机通信系统的可靠性评估的建模和仿真

摘要：目前的电子器件的可靠性度量非常重要，开发人员必须针对特定的产品或服务给出

恰当的界定，以评判其好坏实用性。本文通过研究一个RS485多机通信系统，研究其可靠性问题，并针对实际系统做数学建模，模拟电子器件的使用寿命，做算法研究、仿真实验，得出系统的模拟使用时修理次数、无故障运行时间、无重大故障运行时间等重要参数，从而为系统设计提供最佳方案，为系统的改进提出合理化建议。

关键词：主从多机，可靠性建模，RS485

1.引言：（研究课题）

我们研究的系统为一个“1主3从”通信系统，其结构图如下。 通信主机 控制电路 接口电路 通信总线 集线器 接口电路 控制电路 通信从机1

接口电路 控制电路 通信从机2

接口电路 控制电路 通信从机3

图1 基本配置下系统的组成

在基本配置下，其组成示意图如图1。为提高该系统的可靠性，实际可能采取的工程措施有以下三项：

? 措施1：微处理器中引入Watchdog机构 ? 措施2：防止接口电路板故障阻塞总线 ? 措施3：主机的双机热备

2.模型假设：

2.1 发生故障概率及修理时间

? 所有元件连续无故障运行时间t的概率密度分布都遵从负指数分布fT(t)??e??t

? 构成控制硬部件、接口部件、集线器部件的所有元件特性满足独立同分布，对应参数

1/?1?3?105hour

? 构成控制软部件的单元件，对应分布参数1/?2?2?104hour

? 对故障进行人工修理，排除故障所需花费的时间t?是随机变量，其概率密度分布遵从负

?e??t 指数分布fT?(t?)??1? 控制软部件由Watchdog重启从故障状态中恢复，所需花费的时间是随机变量，其概率

????1hour。 密度分布遵从负指数分布，参数1/?22.1 发生故障概率及修理时间

? 控制硬部件、集线器部件、接口部件组成元件的故障需要依靠人工修复。

? 未采取措施1时，控制软部件组成元件的故障需要依靠人工修复；采取措施1以后，控

制软部件组成元件的故障中有97%可以通过自动重启恢复，还有3%的故障需要依靠人工修复。

? 未采取措施2时，接口部件组成元件的故障中有7%会引发总线阻塞；采取措施2以后，

可完全避免引发总线阻塞，但并不能降低元件故障发生率。 ? 未采取措施3时，通信主机子系统一旦有故障即刻完全失效。

? 采取措施3以后，在互为备份的双机同时失效时，子系统失效，即双机适用并联组合。

但这不是严格意义上的并联组合，如果未同时采取措施2，双机热备配置中的单机接口电路硬件故障的引发总线阻塞，仍会造成系统失效。

3.仿真算法：

这里为了使逻辑显得紧凑高效，我们采用“故障树”的方法进行分析与仿真。

系统发生重大故障

+ 从机坏了2个或3个 总线阻塞 集线器坏 主机子系统失效 ＋ ＋ 8个元件串联，有每个从机失效情况同主机子系 一个元件损坏 控制硬 接口部控制软 统失效情况 部件损件损坏 部件损 主机、1、2、3坏 坏 号从机接口部 件8个元件串8个元件串 联，有一个元件32个串联控制联，有一个 软部损坏，且达到元件任一单元元件损坏， 件件0.07的概率而个损坏。 且0.93的 损坏。 导致总线阻塞。 概率不会图2 基本配置下系统“故障树” 导致总线在“故障树”中，我们可以很清楚的看到故障类型，引起故障的原因，以及发生元件损阻塞。 坏的概率。我们利用“故障树”分层编程仿真，取步长为1hour进行仿真实验。 若提高该系统的可靠性，实际可能采取的工程措施有以下三项。 1. 采取watchdog（看门狗）方式进行故障修复。 主机部分控制软部件损坏那部分故障树见图3.

2. 通过特别的电路设计，可以防止接口电路故障导致总线阻塞。 改进后接口不会出现阻塞总线的情况，但是增加了5个接口部件。 3. 采用主机双机设备。

采用双机可以显著减少因主机失效导致的重大故障。主机子系统失效部分故障树见图4. 4.同时采用措施1、2、3。此故障树为前三个的综合，这里不再赘述。 主机子系统失效 主机子系统失效 ＋ × 1号主2号主控制软 接口部控制硬 机失效 机失效 部件损件损坏 部件损 坏 坏 + + 32个串联8个元件串控制软部件损 元件任一联，有一个元坏，0.97的概8个元件串32个串联控制软部 个损坏。 件损坏，且率自动修复，件损坏。 联，有一个元元件任一 0.93的概率0.03的概率需件损坏，且个损坏。 不会导致总人工修复。 0.93的概率不 线阻塞。 会导致总线 阻塞。

图3. 采用措施1（watchdog）改进后主机子系统“故障树”

图4. 采用双机设备主机子系统“故障树”

4. 仿真结果

我们根据前文提出的理论假设、基本参数和理论模型，确立仿真算法，利用蒙特卡洛法模拟100套同型系统连续运行10年的各种状况。分别对以下参数进行统计：

1. 人工修理平均次数。 2. 系统故障平均发生次数。 3. 系统重大故障平均发生次数。 4. 平均无故障运行时间。 5. 平均连续无故障运行时间。 6. 平均连续无重大故障运行时间。

注：对于参数5、6我们不计最后一次故障之后的一段非完整段落。 仿真结果得图5、图6，数据见表1.

图5. 对100套系统仿真结果

图6. 对100套系统仿真结果

仿真数据：

表1. 对100套系统仿真数据

人工修理平均次数 系统故障平均发生次数 系统重大故障平均发生次数 平均无故障运行时间(千小时) 平均连续无故障运行时间(百小时) 平均连续无重大故障运行时间(百小时) 无措施 65 64.9 措施1：采用看门狗 39.65 66.4 措施2：改进接口 73.16 83.34 措施3：使用双机系统 84.1 84 三种措施全用 55.27 90.93 采用措施1、3 47.56 80.06 18.16 21 20.4 3.57 2.76 3.3 87.05 87.15 86.99 86.88 86.98 87.05 13.45 13.09 11.93 10.42 9.68 10.93 45.96 41.04 42.09 238.58 321.75 258.81 5. 结论及合理化建议

从表中和图中，我们可以很清楚地比较出采用各个措施对不同指标的影响。 从表中我们得到了以下结论：

1. 采用改进接口方式，系统的稳定性提高不明显，反而使修理次数增多。

通过比较三种措施全用和采用措施的结果可以看出，人工修理平均次数、系统故障平均发生次数在改进接口后都有所增加。而系统重大故障平均发生次数却没有明显增加，平均连续无故障运行时间反而更长。只是平均连续无重大故障运行时间稍有减少。我们可以发现，在综合考虑人工修理成本的因素下，其实不改进接口是可取的。

原因是：原本接口部件坏只有百分之七的概率发生总线接口阻塞，采用增加元件改进接口的方式，虽然没有阻塞系统阻塞的情况，但是增加5个元件。这对于减小发生总线阻塞这种重大故障的概率并不明显，反而由于引入新的原件，导致发生故障概率大幅增加。因此，对于这个系统单独采取增加元件改进接口的方式来提高系统稳定性是不明智的。

2. 采用双机系统，可以大幅减少发生重大故障次数，极大地提高平均无重大故障运行时间。但是引入了一个新的主机，发生一般故障的概率也相应提高了。因此，系统故障平均发生次数和其他措施相比较多。

3. 采用watchdog可以显著减少人工修理次数，但由于watchdog只是一种自动修复的机制，它只能做到尽快自动修复系统，不能减少发生故障次数。

相应地，我们对这个系统提出我们的一些合理化建议：

① 如果人工修理比较麻烦，费用较高，希望这个系统尽量减小人工修理费用，可以考虑采用watchdog方式改进原来系统。

② 如果想保证系统无重大故障运行时间尽量长，最好的选择就是三种措施全部采用。从表中可以看出，对100个系统进行模拟，系统重大故障平均只发生了2.76次，平均连续无重大故障运行时间也显著提高。

③ 如果想节省总的维修费用，即希望总的故障发生次数最少，仍然是建议采用watchdog方式改进系统。其他方案都能一定程度减少系统发生重大故障的概率，却增加了系统发生一般故障的概率。

总而言之，根据实际情况的不同需要，可以选择不同的改进方式。每种方案都有它独特的优缺点，需要我们设计系统是仔细斟酌。

6. 参考文献：

[1] “主从多机通信系统可靠性建模研究”案例二的要求V6.1__2012-5-13updated [2] 《案例2》课件

[3] 百度百科—“故障树”

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