Классификация методов и видов контроля

Виды контроля целесообразно классифицировать: по цели проведения; глубине и полноте реализуемых проверок; по степени автоматизации контрольных операций; по времени и последовательности их реализации; по типу кон­структивной реализации средств контроля и их расположению относи­тельно объектов проверки; по иерархии управления; по типу реализуемого решающего правила; по отношению к режимам работы проверяемой сис­темы.

1. В зависимости от того, какова конечная цель проведения контро­ля, он может быть классифицирован как контроль работоспособности и как диагностический контроль.

При контроле работоспособности цель проверок сводится к своевре­менному выявлению фактов отсутствия или наличия неисправности в про­веряемой системе и искажений в виде сбоев в выходной информации.

При диагностическом контроле проверку проводят с целью установ­ления места и причины неисправности или характера отказа. Эти виды контроля основаны на различных методах проверки, которые по-разному технически реализуются и используются в различных условиях.

В общем случае контроль работоспособности является составной ча­стью диагностического контроля. Принципиально почти всегда можно осуществить диагностический контроль, не имея информации о том, рабо­тоспособна система или нет. Однако для реализации диагностического контроля требуется больше времени, поэтому, как правило, вначале вы­полняют контроль работоспособности, как более простой и требующий меньших затрат времени. Затем, если это необходимо, проводят диагно­стическую проверку.

2. По полноте реализуемых проверок контроль работоспособности классифицируется как полный, если с достаточной для практики точно­стью можно считать, что вероятность обнаружения факта появления неис­правности или сбоя равна единице, и как неполный (частичный), если указанная вероятность меньше единицы.

Аналогично, под полным диагностическим контролем будем понимать такой контроль, при котором вероятность установления места и причины неисправности (сбоя) равна единице, а под частичным - кон­троль, при котором данная вероятность оказывается меньше единицы.

По глубине реализуемых проверок контроль системы может быть не только контролем работоспособности и диагностическим, но и комбинированным. В последнем случае для одной части системы он позволяет дать только двоичную оценку состояния (работоспособна или неработо способна), а для другой - решает задачу диагностики с определенной глу­биной (до подсистем, блоков, каналов, узлов, модулей и т.д.).

Если проверке подвергаются все этапы хранения, передачи и переработки информации в системе, то контроль называют сквозным. При сквозном контроле нет разрыва в цепи проверки циркулирующей информации, поэтому устойчивый и неустойчивый отказ может быть обнаружен на любом этапе работы системы.

При местном (локальном) контроле проверяются только отдельные устройства системы или отдельные этапы ее работы.

3. По степени автоматизации контрольных операций (степени участия оператора) контроль может быть:

неавтоматизированным (ручным), если подключение измерительных приборов (специальных контрольных устройств) или переключение аппаратуры в контрольный режим оператор производит вручную, а сравнение измеряемых параметров с номинальными значениями, принятие решения о работоспособности аппаратуры и техническая диагностика также осуществляются человеком-оператором;

полу автоматизированным, если некоторая часть операций по подключению и переключению измерительных приборов (контрольных устройств) или переводу аппаратуры в контрольные режимы реализуется автоматически, а сравнение измеряемых параметров с номинальными значениями, принятие решения о работоспособности аппаратуры и диагностика неисправностей (отказов) и сбоев осуществляются оператором;

автоматизированным, если вся последовательность контрольных операций, включая выработку сигнала о работоспособности аппаратуры и указание места (причины) неисправности или сбоя, осуществляется без вмешательства человека, т.е. автоматически.

4. По времени реализации контрольных операций различают периодический контроль, реализуемый через определенные интервалы времени, и оперативный (непрерывный), осуществляемый непрерывно в процессе выполнения системой стоящей перед нею задачи.

По последовательности реализации контрольных операций контроль может быть классифицирован как параллельный, когда отдельные устройства системы контролируются одновременно, и последовательный, когда устройства проверяются одно за другим. В системе может быть реализован также последовательно-параллельный контроль, при котором часть устройств проверяется последовательно, а часть - параллельно.

6. По типу конструктивной реализации контроль может быть внутренним и внешним.

Внутренний контроль осуществляется средствами, которые являются составной частью объекта проверки. При внешнем контроле оценка состояния объекта проверки производится с использованием устройств, которые не входят в его структуру, т.е. являются внешними по отношению к нему. Как правило, внешние средства проверки конструктивно реализуются в виде автономной системы контроля, которая может быть использована для проверки различных объектов. Если система предназначена для проверки объектов одного класса, то она называется специализированной, а если для объектов нескольких классов - универсальной. Примером первых являются специализированные автоматы контроля, а вторых - систе­мы контроля, построенные на базе управляющих машин. Внешний контроль, как правило, является периодическим.

7. Система контроля может быть подвижной и стационарной (неподвижной). В первом случае она транспортируется от одного объекта контроля к другому, а во втором - стационарно установлена. При этом возможно расположение системы контроля как непосредственно у объекта
контроля, так и на значительном удалении от него с использованием специальной линии связи. В соответствии с этим контроль может быть непосредственным или дистанционным (телемеханическим).

Проверка отдельных устройств (блоков, каналов) может осуществ­ляться как независимо, так и совместно при их взаимодействии по схеме, соответствующей рабочему режиму. В первом случае контроль называют автономным, а во втором - комплексным.

Проверку отдельных самостоятельных объектов большой системы в ряде случаев называют объектовым контролем.

8. Управление контролем системы и его выполнение может осущест­вляться из единого центра. В этом случае контроль является централизо­ванным. При децентрализованном контроле отдельные устройства сис­темы проверяются независимо одно от другого.

9. По типу реализуемого решающего правила контроль может быть детерминированным (нерандомизированным) или вероятностным (ран­домизированным). При детерминированном контроле каждой допустимой реакции ставится в соответствие вполне определенное допустимое состоя­ние проверяемого объекта. Принимаемых решений может быть столько, сколько имеется выходных реакций. Между множеством реакций и мно­жеством допустимых состояний существует взаимнооднозначное соответ­ствие.

Вероятностный контроль предполагает, что с каждой реакцией свя­зана стохастическая (вероятностная) матрица, в соответствии с условными вероятностями которой принимается определенное окончательное решение о состоянии объекта контроля. Эти условные вероятности реализуются специальным устройством. При таком контроле число допустимых состоя­ний превышает число различных выходных реакций.

10. В зависимости от режимов работы проверяемой системы, при ко­торых реализуются контрольно-проверочные операции, различают кон­троль в рабочем режиме и профилактический контроль.

Контроль в рабочем режиме осуществляется в процессе выполнения системой возложенных на нее функций.

Профилактический контроль предназначен для установления со­стояния системы в целом и отдельных ее устройств в период профилакти­ческих работ. Этого вида контроль может быть проведен при нормальном и «утяжеленном» режиме работы проверяемой системы. Оценка состояния может проводиться как на момент контроля, так и с прогнозированием. "Утяжеленный" режим работы системы дает возможность выявить элемен­ты, которые находятся на грани отказа, и своевременно их заменить. При этом неустойчивые отказы могут стать устойчивыми, что облегчает их об­наружение и локализацию. Такой режим может быть создан выбором со­ответствующих входных воздействий и условий работы системы. Так, на­пример, могут быть изменены по соответствующему закону (уменьшены или увеличены) питающие напряжения. Возможны воздействия на аппара­туру посредством различного рода имитаторов температурных, вибраци­онных и других факторов.

Целесообразно также указать, что режим контроля может быть или динамическим или статическим. В первом случае оценка состояния сис­темы производится на основании анализа характера переходных процес­сов, а во втором - после завершения этих процессов. В качестве примера статического режима контроля могут быть названы проверки непрерывной системы управления посредством частотного метода, а динамического режима - проверки ее посредством временного метода (по характеру изме­нения переходной характеристики при заданном входном воздействии).

В зависимости от принципов формирования и получения признаков, по совокупности которых оценивается состояние системы, все упомянутые виды контроля могут быть реализованы прямыми и косвенными метода­ми. Первые из них базируются на формировании указанных при­знаков по значениям основных параметров, характеризующих качество функционирования проверяемой системы, а вторые - на использовании для этой цели побочных явлений, возникающих при ее функционировании.

К косвенным можно отнести методы, базирующиеся на реализации человеком-оператором эвристических решающих правил по совокупности его визуальных, акустических и тактильных восприятий, а также методы, основанные на комплексной оценке результатов инструментальных изме­рений различных видов сигналов (акустических, электромагнитных и т.д.), относящихся к разряду побочных явлений, сопутствующих работе прове­ряемой системы.

К прямым относятся программные и аппаратные методы контроля, рациональное сочетание которых позволяет в значительной мере автома­тизировать процесс проведения проверок.

При программном контроле количественные значения упомянутых признаков определяются заблаговременно и хранятся в системе контроля или вырабатываются рабочей схемой объекта контроля в период выполне­ния им основной задачи. При аппаратном контроле они определяются спе­циально предназначенным для этой цели избыточным устройством, пере­рабатывающим по определенному алгоритму рабочую входную информа­цию.

Программный контроль основан на реализации специальных про­грамм и логических методов, контролирующих работу системы в целом или отдельных ее устройств и элементов. В зависимости от способа орга­низации программный контроль подразделяется на программно-логи­ческий, алгоритмический и тестовый.

Программно-логический контроль организуется на основе использо­вания избыточной исходной и промежуточной информации. Наиболее просто реализовать программно-логический контроль посредством неод­нократной переработки информации с последующим сравнением получен­ных результатов. Для обнаружения искажения информации достаточно обеспечить двукратную ее переработку. Исправление информации воз­можно только в том случае, если число циклов ее переработки не меньше трех (мажоритарный принцип). Обычно при реализации этого метода сис­тема контроля автоматически обеспечивает третий цикл (и больше) пере­работки информации, если результаты первых двух не совпали.

Контроль правильности переработки информации может быть произ­веден посредством проверки попадания полученного результата в заранее установленную область. Для контроля ЭВМ при решении уравнений можно подставлять в эти уравнения полученные результаты, проверяя, пре­вращаются ли они в тождество. С этой же целью во многих случаях целе­сообразно по полученному результату вычислить исходные данные (об­ратный просчет) и сравнить их с заданными.

Преимуществом программно-логического контроля является то, что он:

• не требует специальной аппаратуры и поэтому может быть при­менен в любой системе с программным управлением;

• позволяет надежно обнаруживать сбои.

К недостаткам этого вида контроля можно отнести следующее:

• снижение производительности системы, что для многих случаев оказывается недопустимым;

• невозможность обнаружения неисправности;

• выявление сбоев не в момент их возникновения, а в конце этапа решения задачи;

• невозможность локализации места выявленной ошибки;

• затраты определенной емкости памяти для хранения программ;

• возможность применения лишь при неискаженных исходных дан­ных, хранимых в устройствах памяти, или при использовании запоминаю­щих устройств с неразрушающейся информацией.

Алгоритмический контроль является разновидностью программно-логического контроля. При алгоритмическом контроле на основе анализа алгоритмов задач, реализуемых данной системой, строится так называе­мый «усеченный» алгоритм, который используется для целей контроля. Усеченный алгоритм должен быть по своей длине и времени выполнения примерно на порядок меньше основного алгоритма. В этом случае произ­водительность системы понижается примерно на 10% при незначительном (около 1%) увеличении емкости памяти программ. В остальном алгорит­мический контроль по своим свойствам аналогичен программно-логичес­ком) контролю.

Алгоритмический контроль наиболее целесообразно применять в управляющих элементах системы, решающих определенный класс задач, связанных с управлением реальными объектами. В этом случае разрабо­танные основной и усеченный алгоритмы и программы, реализующие эти алгоритмы, используются длительное время.

Алгоритмический контроль так же, как и программно-логический, позволяет с вероятностью, близкой к единице, обнаруживать сбои. Обна­ружение неисправностей зависит от вида основного и усеченного алгорит­мов. Если они незначительно отличаются один от другого по характеру выполняемых операций, то вероятность обнаружения неисправностей рез­ко снижается.

К недостаткам алгоритмического контроля, помимо тех, которые ха­рактерны для программно-логического контроля, следует отнести ограниченность его применения, так как не для каждого полного алгоритма мож­но построить усеченный алгоритм.

Тестовый контроль - это проверка систем с помощью испытатель­ных программ. При выполнении теста вычислительная машина, исполь­зуемая в системе, осуществляет определенную последовательность дейст­вий над исходными числами, сравнивает полученные результаты и в слу­чае их несовпадения, фиксирует ошибку. Основная задача при составлении тестов - наиболее полный охват системы, ее средств и отдельных узлов и режимов их работы подбором соответствующих примеров и сочетаний операций. В отличие от программно-логического контроля тестовый кон­троль сам по себе не позволяет устанавливать правильность выполнения системой основной программы, так как в момент «прогона» теста решение возложенных на систему задач прерывается. Отсюда ясно, что тестовый контроль непосредственно в ходе работы системы может использоваться только периодически. Он играет важную роль при ремонте системы и про­верке ее функционирования.

Испытательные программы, применяемые при тестовом контроле, по характеру работы делятся на контролирующие тесты и диагностические тесты.

Контролирующие тесты используют для определения факта наличия неисправности в системе или устройстве.

Диагностические тесты предназначены для определения элемента или группы элементов, в которых имеется неисправность.

Контролирующие тесты целесообразно разрабатывать на основе принципа расширяющихся областей, а диагностические тесты - на основе сужающихся областей.

При использовании принципа расширяющихся областей тест строит­ся так, чтобы в проверку последовательно включались все новые элемен­ты, а уже проверенные применялись для целей контроля или контролиро­вались с большей полнотой. В соответствии же с принципом сужающихся областей каждый последующий этап проверки охватывает только ту груп­пу элементов, в которой по результатам предыдущего этапа находится от­каз. Такое сужение области контроля продолжается до тех пор, пока не бу­дет обеспечена требуемая глубина диагностики.

Преимущество тестового контроля, в процессе которого реализуются контролирующие и диагностические тесты, заключается в том, что он:

• позволяет автоматизировать процесс обнаружения и поиска неис­правностей, сводит к минимуму время на их устранение;

• не требует дополнительной аппаратуры, кроме некоторой емкости памяти программ.

К недостаткам тестового контроля можно отнести следующее:

• невозможность обнаружения сбоев, так как в момент проверки
работы системы тестами сбой может не появиться;

• обнаружение отказов (неисправностей) производится не в момент их возникновения, а с запаздыванием, равным в среднем половине периода с которым пропускаются контролирующие тесты.

Применение только периодического тестового контроля снижает производительность системы, так как на время прохождения теста система прекращает работу по основной программе. Снижение производительно­сти зависит от глубины охвата тестовым контролем узлов и устройств раз­личных средств и элементов системы.

Аппаратный контроль - это такой контроль, который функциони­рует непрерывно в процессе всего времени работы системы параллельно с решением основной задачи и реализуется посредством введенного в ее структуру контрольного оборудования.

По принципам практической реализации аппаратного контроля его можно разделить на: контроль по модулю, контроль с использованием корректирующих кодов, аппаратно-микропрограммный и мажоритарный контроль.

В связи с тем, что аппаратный контроль осуществляется непрерывно в течение всего времени функционирования объекта контроля, он позволя­ет обнаружить как неисправности, так и сбои в момент их возникновения или с запаздыванием на одну-две операции. Так как контрольные операции осуществляются параллельно с основным процессом обработки и передачи информации, то аппаратный контроль практически не снижает производи­тельности средств системы.

Таким образом, к достоинствам аппаратного контроля можно отне­сти его непрерывность, способность обнаружить как неисправности (отка­зы), так и сбои в момент их возникновения; способность автоматически локализовать место неисправности с точностью до функционального узла (более точная локализация осуществляется с помощью диагностических тестов); способность устранять последствия сбоев непосредственно в про­цессе вычисления автоматическим переводом в режим повторения опреде­ленного участка программы; возможность самопроверки.

Недостатком аппаратного контроля является необходимость введе­ния дополнительной контрольной аппаратуры, которая сама может слу­жить источником неисправностей и сбоев в работе.

Контроль по модулю является наиболее распространенным из всех методов аппаратного контроля. Он основан на использовании контрольных символов, являющихся остатками от деления данных чисел на некоторый модуль. При контроле функционирования больших систем этот метод контроля обычно используют на этапах хранения, пересылки и переработки информации, представленной в дискретном (числовом, цифровом) виде. На любом из этих этапов контроль по модулю позволяет обнаружить оди­ночную ошибку с вероятностью, равной единице, и многократные ошибки с меньшей вероятностью.

Контроль с использованием корректирующих кодов применяется в том случае, когда требуется осуществить не только обнаружение, но и исправление ошибки, которая может появиться при передаче двоичной информации. Корректирующие коды образуются путем добавления дополнительных контрольных разрядов к информационным разрядам кода числа или команды. Корректирующая способность кода определяется числом контрольных разрядов.

Сущность этого метода контроля состоит в установлении между ин­формационными и контрольными разрядами определенных зависимостей, по конкретному значению которых и восстанавливается значение инфор­мационных разрядов.

Аппаратно-микропрограммный контроль используется, как правило, для оперативной проверки правильности реализации сложных программ обработки информации, представленной в дискретном виде, когда вся про­грамма предварительно может быть разбита на ряд независимых по кон­тролю микропрограмм. Этот метод реализуется посредством специальной аппаратуры, обеспечивающей фиксацию факта появления сбоя, прерыва­ние процесса обработки информации, повторение всех операций микро­программы, при контроле которой был зафиксирован сбой, и формирова­ние сигнала либо на продолжение обработки информации, если при по­вторной реализации микропрограммы сбой отсутствовал, либо на выпол­нение диагностического контроля, если число повторений микропрограм­мы, в которой произошел сбой, превысит заранее установленное значение.

Мажоритарный контроль основан на принципах голосования «два из трех», «три из пяти» и т.д. и сводится к сравнению информации, полу­чаемой на выходе идентичных устройств, включенных параллельно и реа­лизующих одну и ту же функцию, и к отключению того из них, которое выдало информацию, отличную от входной информации остальных уст­ройств. Данный метод контроля требует применения большого количества дополнительного оборудования и применяется лишь в исключительных случаях, когда функциональный отказ системы может привести к чрезвы­чайно тяжелым последствиям (большому материальному ущербу, гибели людей).

Комбинированный контроль в различных сочетаниях может вклю­чать в себя как прямые, так и косвенные методы. Он наиболее характерен для больших систем, где главенствующая роль при реализации процедуры принятия решения отводится человеку.

Каждый из перечисленных методов и видов контроля имеет опреде­ленные преимущества и недостатки, поэтому в большинстве случаев целе­сообразна их соответствующая комбинация, определяемая спецификой решаемых задач и принципов построения контролируемой системы.

Общие принципы реализации программных и аппаратных методов не зависят от того, является объект контроля непрерывным или дискрет­ным. Однако при практической разработке методов проверки функционирования современных больших систем необходимо учитывать специфику каждой из них, обращая внимание на особенности взаимодействия входя­щих в такие системы дискретных и непрерывных подсистем (устройств, блоков и т.д.).

Лекция 16.

Передача информации и защита ее от искажения. Контроль линейных участков программ. Контроль разветвляющихся участков программ. Контроль циклических участков программ.