（机械制造及其自动化专业论文）制造网格系统资源可靠性管理研究.pdf

上海大学硕士学位论文用纸 摘要 随着计算机技术、网格( g r i d ) 技术的发展，制造业信息化的深入，制造网格 ( m a n u f a c t u r i n gg r i d ，m g ) 作为信息技术和制造技术相结合的产物应运而生，它 以o g s a ( o p e ng r i ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e ) 为系统框架，咀g t 3 ( g l o b u st c i o l k i t3 0 ) 为开发工具，充分利用网格技术的开放性和标准性，为制造业提供一个可扩展的资 源共享和协同工作平台，为中小型企业提供服务。 然而，由于制造资源的异构性和多样性，以及制造任务的复杂性，使得制造网 格中可靠性管理比其它网格应用项目复杂的多。在般的网格应用项目中，系统可 靠性更多地关注网络的连通性，而在制造网格中，平台工作状态的监控和管理具有 举足轻重的作用。为保障平台中各种异构资源，乃至整个系统能够稳定地、高效地 运行，本文提出制造网格可靠性集成化管理系统。并对相关关键技术进行了研究。 首先，对制造网格进行系统可靠性分析，确定其系统可靠性特征量，为本文的 管理内容做一个界定；针对制造网格系统的多态性，提出相应的可靠性指标层次； 分析制造网格体系结构及运行模式，得出其可靠性框图，定义其可靠性评价模型， 为有效地实施管理提供理论指导。 然后，在制造网格系统可靠性分析的基础上，确定制造网格系统可靠性管理策 略，构建制造网格可靠性管理体系( r e l i a b i l i t ym a n a g e m e n tf o rm g ，m g r m ) ，从 概念模型、过程模型及功能层次模型等方面进行了详细描述。同时，将制造网格系 统根据资源特性进行细分，并详细分析了系统资源可靠性管理的策略和关键技术。 完善的数据分析管理是进行制造网格系统可靠性管理的关键，再次，论述如何有效 的进行数据的采集以及通过数据分析来有效的帮助制造网格系统可靠性管理。 最后，以制造网格及其在快速制造中的应用为对象，分析具体的制造网格系统 可靠性管理的目的和需求，针对不同系统资源，采取相应的管理措施，实现快速制 造领域内制造网格的系统可靠性管理，验证其理论的正确性和方法的可行性。 关键词：制造网格，网络化制造，系统可靠性，可靠性评价 上海大学硕士学位论文用纸 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yo fc o m p u t i n ga n dn e t w o r k ，a n dt h e c o n s t a n ta d v a n c eo fm a n u f a c t u r i n gi n f o r m a t i o n i z a t i o n ，m a n u f a c t u r i n gg r i de m e r g e sa s t h er e s u l t so fc o m b i n i n gt h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dm a n u f a c t u r i n g ，w h i c hb a s e do n t h eo p e ng r i ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e ( o g s a ) a st h es y s t e mf r a m e w o r k ，a n dg l o b u s t o o l k i t3 0 ( o t 3 ) a st h ed e v e l o p i n gt o o l ，m a n u f a c t u r i n gg r i d ( m g ) i sp r o p o s e dt o s t a n d a r d i z en e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g ( n m ) i nm a n u f a c t u r i n ga n dp r o v i d e ss e r v i c e sf o r f a c t o r i e s a sag r i da p p l i c a t i o ni nm a n u f a c t u r i n g ，t h em oi sad i s t r i b u t e di s o m e r i cs y s t e m ， w h o s ec o m p l e x i t yl i e si nt h eh e t e r o g e n e o u sa n dv a r i o u sr e s o u r c e sa n dt h ec o m p l e x a c t i o n s i nt h ep r o c e s so fg r i da p p l i c a t i o n ，t h es y s t e mr e l i a b i l i t yo fg r i di sf o c u so nt h e n e t w o r kc o n n e c t i v i t y t h er u n t i m es t a t u so fr e s o u r c e sw a si g n o r e d t h e p r o b l e m b e c o m e sm o r ei m p o r t a n ta st h ee x p a n d i n go ft h eg r i da p p l i c a t i o n n ei n t e g r a t e ds y s t e m r e l i a b i l i t ym a n a g e m e n tf o rm a n u f a c t u r i n gg r i dw a sp r o p o s e dt ok e e pt h em gs y s t e m r u n n i n gc o n t i n u a l l ya n ds t a b l yw i t hh i 曲p e r f o r t n a n c e f i r s t ，as c o p eo ft h er e l i a b i l i t ym a n a g e m e n tw a sg i v e nb ya n a l y s i s i n gt h es y s t e m r e l i a b i l i t yo fm gt h ec o n n o t a t i o no ft h em gs y s t e mr e l i a b i l i t yw a sp r o b e d ，a n dt h e r e l i a b l i t yc h a r a c t e r i s t i cv a r i a b l e so fm gw e r ed e f i n e d a c c o r d i n gt ot h ep o l y m o r p h i s mo f t h em g s y s t e m ，t h el a y e r i n gr e l i a b i l i t yi n d e xw a sp r e s e n t e d b a s e do nt h ea n a l y s i so f m g r e l i a b i l t y , t h er e l i a b l i t yb l o c kd i a g r a ma n dt h er e l i a b i l i t ye v a k m t i o nf o rm gw e r e p r o p o s e d ，w h i c hp r o v i d e st h et h e o r e t i c a ld i r e c t i o nt op u tt h er e l i a b i l i t ym a n a g e m e n ti n t o a c t i o ne f f e c t i v e l y a tt h es a m et i m e ，d i v i d et h es y s t e mi n t om a n u f a c t u r er e s o u r c ea n d s y s t e mr e s o u r c e ，a n da n a l y s et h er e l i a b i l i t yo fs y s t e mr e s o u r c e l a s t ，d e s c r i b et h ed a t e a n a l y s i sh e l pf o rt h em a n a g e m e n t f i n a l l y ，t a k i n gt h er a p i dp r o t o t y p i n ga st h ea p p l i c a t i o ni n s t a n c e ，t h ep u r p o s ea n d r e q u i r e m e n to fm gs y s t e mr e l i a b i l i t ym a n a g e m e n tw a sa n a l y s e d t h eh i e r a r c h i c a l d e s c r i p t i o no ft h er e s o u r c e si nt h em gs y s t e mi sg i v e na c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n tr e s o u r c e a t t r i b u t e so fr e a l t i m ec o n c e r n e d ，a n dt h es y s t e mr e l i a b i l i t ym a n a g i n gs t r a t e g i e sa r e d e f i n e dd i f f e r e n t l yi nt h ed i f f e r e n th i e r a r c h i e s t h es u c c e s s f u ld e m o n s t r a t i o no ft h e r e l i a b i l i t ym a n a g e m e n to ft h em gs y s t e mi nt h er a p i dm a n u f a c t u r i n gf i e l dp r o v e dt h e t h e o r e t i c a lc o r r e c t n e s sa n dt h es y s t e mf e a s i b i l i t yo fm g r m k e yw o r d s ：m a n u f a c t u r i n gg i r d ，n e t w o r k e d m a n u f a c t u r i n g ，s y s t e mr e l i a b i l i t y r e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n l i 上海大学硕士学位论文用纸 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除 了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰 写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名里生日期竺：! ：2 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守 签名：导师签名 上海大学硕士学位论文用纸 1 绪论 网格技术是近年来国际上兴起的一种重要信息技术，它的目标是实现网络虚拟 环境上的资源共享和协同工作，消除信息孤岛和资源孤岛。随着网格体系结构的不 断发展和完善，网格技术的应用领域也不断扩展，制造网格( m a n u f a c t u r i n gg r i d ， m g ) 系统就是在这种背景中提出的。 制造网格( m a n u f a c t u r i n gg r i d ，m g ) 是在分析制造业行业特点的基础上，为解 决制造业的实际需求提出的，是网格技术在制造业中的具体应用。从本质上讲，网 格是一个计算和资源的集成环境，其中充斥着许多异质资源。同样，制造网格中的 技术资源、信息资源、人力资源和服务资源等，都是高度自治的、异构的、分布式 的。为使得制造网格能够持续不断地为用户提供稳定的服务，必须对这些分散在 i n t e m e t 上的资源进行有效管理。制造网格系统可靠性管理就是为解决制造网格系统 中各种资源的管理问题而提出的。近年来，网格标准与w e bs e r v i c e 标准的结合使 得网格应用以服务形式向非科学计算领域渗透。在网格的应用过程中，网格系统的 可靠性问题更多地关注网络的连通性，而缺乏对系统内资源的工作状念的监控和管 理。随着网格应用在各个领域内的扩展，这个问题越来越举足轻重。本小组在研究 制造网格体系结构及其实现技术的同时，开展制造网格系统可靠性管理的研究，是 为了给制造网格系统的持续地、稳定地、高效率地运转提供保障。 1 1 研究背景和意义 当今计算机信息技术飞速发展，九十年代以来的数字化、网络化的信息革命再 一次改变了人类的生产、工作和生活方式，使人类的制造技术在经历了手工、机械 化及自动化制造三个阶段后进入了第四阶段信息化制造阶段。 1 1 。1 网络化制造 当前，全球制造业呈现如下发展趋势：生产、经营及市场全球化；顾客需求个 性化，多样化；产品生命周期缩短，更新换代加速；产品高科技化；市场竞争激烈 化。在这种经济全球化、全球信息化以及我国加入世界贸易组织( w t o ) 的新形势 下，制造业信息化势在必行。党的十五届五中全会以及十六大明确提出：“以信息 化带动工业化，发挥后发优势，实现社会生产力的跨越式发展”战略，同时，科技 部提出了“制造业信息化工程”项目，围绕制造业和经济发展的需求，整合科技资 源，加快信息技术向传统产业的渗透，大力提高我国企业的核心竞争力。 网络化制造是在网络经济条件下产生并得到广泛应用的先进制造模式，具有丰 富的内容，其内涵尚处于不断发展过程中。重庆大学刘飞教授将网络化制造定义为： 网络化制造是基于网络的制造企业的各种制造活动及其所涉及的制造技术和制造 系统的总称。它是实现快速响应市场和可持续发展的生产模式，以数字化、柔性化、 敏捷化为基本特征。其目标是通过信息技术和网络技术，将地理上呈分散状态的集 团成员联系在一起，根据市场需求，迅速组成一个没有围墙的、超越空问约束并能 上海大学硕士学位论文用纸 够统一指挥的生产经营实体，建立动态联盟企业。 于是，网络化制造以其独特的生命力吸引了国内外大量研究人员的重视，他们 纷纷提出自己的网络化制造解决方案，网络化制造方面的研究f 在全球迅速兴起。 如近年来出现了以下众所周知的著名研究计划：美国里海大学美国2 l 世纪制造 企业战略，美国国防部和科学基金会资助的“下一代制造”，欧洲联盟“第五框架 计划”，f i 本“智能制造技术计划( i m s 计划) ”和“网络化韩国2 l 世纪计划”等 均包含了大量有关网络化制造的内容。还有各方面有关网络化制造的研究也在迅速 发展，如1 9 9 7 年美国国际制造企业研究所的美国一一俄罗斯虚拟企业网 ( r u s s i a n a m e r i c a nv i r t u a le n t e r p r i s en e t w o r k ，r a v e n ) ，该项目是美国国家科学 基金研究项目，目的是开发个跨国虚拟企业网的原型，使美国制造厂商能够利用 俄罗斯制造业的能力。2 0 0 1 年美国标准技术研究院通过“先进技术计划( a t p ) ” 资助5 0 0 万美元用以建立网络化制造的安全框架，旨在建立一个柔性防火墙，防火 墙采用一种分布式体系结构，可以防护任何网络化制造体系所涉及的设备，大至一 个企业的服务器，小至一个内嵌的传感器胁吼“虚拟企业信息交换项目( v f i i p ) ” 是美国国家电子制造协会( n e m i ) 领导的工厂信息系统的一个研究项目，它涵盖 原始设备制造商( 0 6 9 i n a le q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r ，o e m ) 和电子管理系统 ( e l e c t r o n i cm a n a g e m e n ts y s t e m ，e m s ) 供货商之间从板卡生产到最终组装过程的 双向信息交流，其重点是工程技术与制造数据的交流。 国内在网络化制造方面也作了大量研究工作，国家自然科学基金、国家8 6 3 计 划、国家“九五”科技攻关计划确立了不少研究课题。围绕网络化制造模式的研究， 或者在与网络化制造有关的研究中，出现了一系列新概念、新观点和新思想，如敏 捷制造、并行工程、虚拟制造、虚拟企业和动态联盟等。这些新概念、新观点、新 思想无不体现了企业基于网络的制造理念，同时以此为基础的网络化制造的研究和 应用也在迅速发展。在网络化制造模式研究方面，比较典型的有华中科技大学杨叔 子院士提出的“分布式网络化制造系统( d i s t r i b u t e dn e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n g s y s t e m ，d n m s ) 4 1 , 5 1 ”，同济大学张曙教授和香港理工大学李荣彬教授提出了“分 散网络化制造系统( d i s p e r s en e t w o r k e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 1 6 ”，重庆大学刘飞 教授“网络化集成制造系统( n e t w o r k e di n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ，n i m ) 8 】”。同 时，上海交通大学提出了“上海敏捷制造网络集成平台m 1 ”，建立了以上海电气 集团总公司、电梯等有关企业和上海交通大学、同济大学、上海大学等高校、研究 所等网络互联成一体的上海先进制造网络体系。上海大学俞涛教授提出了“基于 s m v p n 的公共技术及服务平台系统建立及其在快速制造中的应用i ”。 在网络化制造应用研究方面，美国p t c 公司2 0 0 0 年推出了产品协同商务( c p c ) 的w i n d c h i l l 软件系统，旨为制造业提供通过i n t e r n e t 和w e b 技术在任何地方设计 产品和任何地方制造产品的解决方案。美国s d r c 公司2 0 0 1 年5 月推出了名为 s d r ct e a m c e n t e r t ”协同产品管理解决方案。w i s c o n s i n m i l w a u k e e 大学j a vl e e 教 授主持的i m s 中心则提供了一种网络化制造的实验平台，它将大量的系统如c r m 、 上海大学硕士学位论文用纸 e r p 、m e s 、s c m 等利用该实验平台进行集成，以获得高效的执行度和接近零停工 期的产品。国内对网络化制造的应用研究也在不断深入，如深圳市模具网络化制造 系统以深圳市生产力促进中心为盟主，建立起了面向本地区、内地、香港和海外等 地区模具客户的互联网信息门户网站。广东、重庆、香港、陕西四个地区正在联合 研究开发粤渝港陕网络化制造系统，以实现区域间的网络化制造。 综上所述，网络化制造方面的研究j 下在全球迅速兴起和蓬勃发展，主要的研究 集中在网络化制造平台、制造信息交换标准、网络化产品协同开发等方面。由于网 络化制造涉及到多种高技术的集成，涉及企业内部与外部、产品生命周期全过程、 大量高层次人才、大量硬件和软件以及技术和管理的集成，因此能集成多方面资源， 具有多功能的网络化制造平台将成为网络化制造的技术支持工具，能有效地支持企 业、区域和行业实施网络化制造。 在世界经济的发展大潮中，网络化制造越来越多地担负起制造任务，其发展深 刻的影响着制造领域的技术革新。然而，目前网络化制造领域并没有一套标准的平 台标准。每个网络化制造平台都是根据自己的需要开发私有专业的制造平台。这些 制造平台开发方式有着不可克服的缺点： 1 没有开放的模式( 范式) 和体系结构作支撑，可扩展性差； 2 没有通用的标准和规范做基础： 3 缺乏必要的柔性和开放性； 4 难于集成和推广应用； 5 采用集中管理机制，需要管理中心。 在全球化经济飞速发展的今天，企业要生存，就必须参与国际化竞争和国际化 合作。为了节约成本，缩短产品的设计、生产时间，各个网络化制造平台越来越需 要能够互联互通。要实现互联互通，网络化制造平台必须丌发统一的平台标准。 1 1 2 制造网格的意义 网格是借鉴电力网( p o w e rg r i d ) 的概念提出来的，指使用者在任何地方，都能 够实现对各种网络资源的“即插即用”，即只要你能够接触到网格，就可以根据自 己的需要，“按需”从网格获取各种资源与服务，而不必关也、资源与服务所在的具 体位置。 最初，网格计算平台是为了w e b 技术来更广泛地支持高性能计算在科学技术 中的应用而研究和发展的。在经历了数十年的发展后，网格的应用领域已扩展到非 科学计算领域。目前，网格应用领域主要有四类：分布式超级计算( d i s t r i b u t e d h i g h - p e r f o r m a n e ec o m p u t i n g ) 、分布式仪器系统( d i s t r i b u t e di n s t r u m e n ts y s t e m ) 、 数据密集型计算( d a t ai n t e n s i v ec o m p u t i n g ) 和远程沉浸( t e l e i m m e r s i o n ) 。2 0 0 2 年2 月，一个全新的网格标准o g s a ( o p e ng r i ds e r v i c e sa r c h i t e c t u r e ) 在g l o b u s 项目组和i b m 共同倡议下诞生了，它把g l o b u s 标准与以商用为主的w e bs e r v i c e s 的标准结合起来，网格服务统一以服务( s e r v i c e s ) 的方式对外界提供。o g s a 的诞 生，标志着网格已经从学术界的象牙塔延伸到了商业世界中，而且从一个封闭的世 上海大学硕士学位论文用纸 界走向了丌放的环境中。 它具有以下特点： 1 协调非集中控制的资源( c o o r d i n a t e sr e s o u r c e st h a ta r en o ts u b j e c tt oc e n t r a l i z e d c o n t r 0 1 ) 2 使用标准的、开放的、通用的协议和接口( u s i n gs t a n d a r d ，g e n e r a l - p u r p o s e p r o t o c o l sa n di n t e r f a c e s ) 3 获得非平凡的服务质量( t od e l i v e rn o n t r i v i a lq u a l i t i e so f s e r v i c e ) 从网格的定义中可以看出，网格概念的核心是“资源( 包括服务) ”以及对“资 源的使用”，通过将资源封装为服务，打破传统的强加在“资源”之上的种种限制， 为使用者提供一种前所未有的“高级服务”。这包括如下几个方面的含义：资源 的网络化，即通过将资源加入到网格中，使得位于任何地理位置的用户都可以通过 网格利用该资源：资源的规范化，即通过将资源封装为服务，屏蔽了资源的多样 性和异构性，各种资源对用户都是透明的：资源的相互协调，即对任何网格资源， 在开放网格服务架构( o p e ng r i ds e r v i c ea r c h i t e c t u r e ，o g s a ) 提供的一定规则的 约束和管理下，都可以实现相互协作：资源的动态融合，因为单个资源往往不能 满足用户的要求，这时可以通过网格，将众多的资源集中起来，动态形成虚拟组织， 形成具有超级能力的虚拟资源。 基于以上对制造业现状和发展趋势、网络化制造的优势和缺陷的分柝，以及对 网格的定义和特点的描述，可以看出，网格技术在制造业的应用必将是制造业发展 史上的又一个里程碑，极大推动制造业信息化的进程。 与其它网络化制造平台相比，制造网格具有如下优点： 制造平台的标准化、模块化 网格中间件平台是采用系统的、开放的、标准的技术进行建设的，因此，以o g s a 为建设思想，以网格中间件为核心建设的制造网格平台同样具有标准化、模块化的 特点，有良好的开放性、灵活性和扩展性。 制造过程的自动化、规范化 网络化制造虽然已经取得了一定的成果，但同时也存在着一定的缺陷和不足， 如没有通用的模式和体系结构作支撵，没有公认的标准和规范，而且采用专用实现 技术。以开放和标准的w e bs e r v i c e 为技术基础的制造网格，继承了g l o b u s 的工作 流调度机制，规范了网络化制造的过程和方法。 资源管理的虚拟化、动态化 资源管理一直是制造业信息化建设中的关键点和难点。在制造网格中，将各种 制造资源虚拟化“服务”，使得各种资源对用户是透明的。同时，与资源相关的各 种信息和数据均保存在本地，仅将其g s h ( g r i ds e r v i c eh a n d l e ) 注册到信息服务 中，可以动态增加或删除，实现了资源的分布式动态管理。 4 上海大学硕士学位论文用纸 综上所述，网络化制造与制造网格即有联系又有区别，制造网格能够为网络化 制造提供一个通用平台，将形成网络化制造过程的标准或方法论。制造网格项目已 于2 0 0 3 年度( 2 0 0 3 年5 月) 列入了国家8 6 3 “十五”科技攻关项目( 编号为( a 一4 3 ) ) 。 1 1 3 课题来源 制造网格( m o ) 系统是分布式异构系统，其复杂性主要体现在其资源的异构性 和多样性以及活动的复杂性。制造网格中的技术资源、信息资源、人力资源和服务 资源等。都是高度自治的，异构的，分布式的。为有效实现资源共享，制造网格具 有资源封装与管理、服务注册与查找、业务流程分析、资源分配、项目管理等功能。 这些复杂的活动增加了制造网格系统的复杂性，对其可靠性提出了更高的要求。为 使得制造网格( m g ) 能够持续不断地为用户提供稳定的服务，必须对这些分布在 i n t e r n e t 上的资源的工作状态和效率进行有效管理。 可靠性管理的目标是，对分布在不同地理位置的信息资源和制造资源透明访问， 对他们的运行状态进行集成化监控和管理，从而在应用层( a p p l i c a t i o nl e v e l ) 为制 造网格提供单一的系统映像( s s i ) 支持。通过可靠性管理可以及时发现系统的失 效或故障，分析系统的瓶颈，帮助用户在最短的时间内恢复或调整系统；可靠性管 理还可以用来预测系统的运行轨迹，为制造网格动态负载平衡提供可靠的依据。 综上所述，m o 对于系统可靠性的需求主要表现在如下几个方面： 制造网格能否持续地、稳定地、高效率地提供服务依赖于系统中资源的可靠 性和高效性； 制造网格系统的复杂性使得系统的管理和维护成为负担： 制造网格系统中大量信息的通讯要求系统有高效的处理能力。 由此，本小组在研究制造网格( m g ) 体系结构及其实现技术的同时，开展制造 网格( m g ) 系统可靠性管理的研究，不仅满足对日益复杂的制造网格系统进行有 效的管理的需求，而且方便及时地进行系统和数据的维护和优化。 1 1 4 课题研究的目的和意义 计算机技术和网络技术的飞速发展和应用，使得各种信息系统的复杂性、异构 性增加；各个行业的信息化加深了其日常运作对信息系统的依赖。本文针对制造网 格系统开展的系统可靠性管理的研究，不仅解决了制造网格系统内各种资源的可靠 性管理问题，保障了其稳定、可靠、持续地提供有效服务，对于其它信息系统也有 借鉴意义。本文研究的理论意义和应用推广价值具体表现在以下几个方面： 通过可靠性管理的实旅提高了制造网格系统可靠性； 制造网格系统内分散着数量多、种类复杂的资源，任何一个资源出现问题都会 影响整个系统的正常运转。通过对这些资源的可靠性管理，能够实时把握资源的运 行状态，并根据可靠性管理系统提供的预警信息，采取人工或自动的系统优化或恢 复操作，有效提高了制造网格系统的整体可靠性。 探索了系统可靠性管理的集成化、智能化方向； 一般的系统可靠性管理是针对特定的系统或对象，解决的只是一个点的问题。 制造网格系统可靠性管理过程是对分布式信息系统进行集成化、智能化管理的探 索，为有效管理同益复杂的信息系统管理问题开辟了新的途径。 探讨了分布式信息系统的系统可靠性评价及其管理； 在各个行业信息化进程日益推进的今天，本小组对于以计算机系统和网络为支 撑的信息系统的依赖逐渐增强，为保障日常工作的正常进行，要求信息系统能够持 续不断地提供高效的服务。从本质上讲网格是分布式信息系统，对其可靠性的评价 和管理进行的研究对于其它分布式信息系统将产生深远的影响。 具有广泛的推广应用价值，易于推广到各种信息系统的可靠性管理。 制造网格系统虽然具有制造业独有的一些特点，也具有分布式信息系统的一些 共性，如资源分散性、异构性等。因此，制造网格可靠性管理研究和实施的成果具 有广泛的推广应用价值。 1 2 系统可靠性的研究现状 制造网格是分布式信息系统，属于大型复杂系统的范畴，系统可靠性研究是实 施制造网格系统可靠性管理的理论基础。 1 2 1 1 传统的系统可靠性研究现状 1 2 1 1 可靠性理论及其应用技术研究现状 可靠性理论及其应用技术的研究起始于第二次世界大战。在二次世界大战 中，雷达等电子设备发展很快，其中最主要的构成单元电子管经常发生故障， 所以美国当时可靠性的研究工作的重点是研究故障占大多数的电子管。此时都是定 性的研究。 系统的定量的研究工作是从朝鲜战争中开始的，并应用了概率论和数理统计这 一强有力的数学工具【1 4 1 5 】。大约用十年时间完成了对可靠性的基本研究，而后又从 使用的角度考虑可靠性，从经济的角度考虑可维修性和从成本费用方面来研究。再 就是对元器件进行失效机理的研究，形成了可靠性工程中的一个重要分支故障 物理学，或称作可靠性物理。 人们通常把可靠性工程三十余年的发展历史大体分成以下四个阶段：1 9 5 0 1 9 5 7 年的调查研究阶段：1 9 5 7 1 9 6 2 年的统计试验阶段；1 9 6 2 】9 6 7 年的可靠性 物理研究阶段；自1 9 6 7 年开始的可靠性保证阶段。在当前这一阶段中，在电子元 器件的失效率为1 0 9 h ( 相当于m t t f = 1 0 9 h ，即1 1 4 9 5 6 年) 的基础上是加强整机 高可靠性的实现和可靠性保证、管理、认证带l 度，以及数据和技术标准的新技术研 究，并引用其他学科的新成果，向更高的目标前进。 电子计算机，作为电子设备中极其重要的一类，其可靠性技术的发展基本上也 1 1 i i n i l 6 上海大学硕士学位论文用纸 是同上述各发展阶段同步发展的。电子计算机硬件的可靠性是电子设备可取性理论 的具体应用。电子计算机发展的最初阶段，即电子管时代，尽管采用了初步的硬件 冗余技术和奇偶校验的时间或信息冗余方式，其可靠性还是比较低的，很难满足实 际使用的要求。 尽管在计算机可靠性应用理论方面与其他电子设备( 如雷达、通讯、电视机等) 有许多相似之处，但也有许多不同的特点。在计算机系统的可靠性技术中，一方面 是在硬件研制中选用高可靠的元器件，对元器件进行1 0 0 的老化与筛选及认真的 布线、热设计等尽量减少故障出现的概率。这就是所谓有的避错( f a u l ta v o i d a n c e ) 技术。此外，可利用冗余提供的信息来掩盖错误的影响，其中包括额外的硬件或额 外的时间。即所谓硬件冗余和时间冗余。硬件冗余是利用额外的电路、逻辑门、存 储单元、分机或整机等来掩盖故障的影响：同一计算任务执行两次的结果进行比较 和采用检测与纠错编码都属于时间( 或信息】冗余。利用硬件和时蚓冗余来掩盖故障 的影响，就是所谓容错技术。 1 2 1 2 软件可靠性研究现状 软件可靠性与硬件可靠性相比较，既有数学理论上的相类似之处，又有它自己 的特点。软件与硬件的主要区别是：软件在反复操作的过程中是不可改变的，软件 一旦交付使用不会因疲劳而发生软件故障，不论它存储在磁盘上还是磁带上，或是 纸带上，指令和控制的软件及应用的程序，直到发生软件故障都是不变的。复制的 软件也是如此。在磁盘或磁带上由于受到随机性的磁场影响，磁场可能损害己存储 的软件，这不属于软件故障，而是磁记录设备的硬件故障。而硬件故障是因构成计 算机的元器件、零部件的损坏、老化、磨损、以至寿命衰竭造成的。产生软件故障 的根源是软件设计阶段人为的因素所产生的缺陷或错误所造成的，即主要区别于故 障机理。 软件可靠性研究的兴起，是计算机系统应用实践的要求。在6 0 年代中后期进入 软件危机时期以后，人们便开始了软件可靠性的研究工作。主要研究内容集中在软 件开发、执行过程中的建模问题。最早是g rh u d s o n 在杂志上发表文章。他把软件 的开发过程用马尔柯夫过程采描述，在做了一些假设以后得到了一个故障间隔的威 椎尔分布的模型。此后将收集到软件测试的数据按测试阶段三个子阶段来进行分折 研究。z j e l i n s k i 和e b m o r a n d a 假设故障率为分段的常数，且正比于软件内剩余的 错误数。在每次软件错误的排错时都以一个常量发生改变，在两次错误( 相邻) 改 j 下中间故障率为常数，即故障率以阶梯形式下降。他们进而用最大似然法判定了隐 藏于软件内的总错误数、残留错误数与故障率之间的比例系数。与此同时， m s h o o m a n 提出一个很类似的模型。他给出了一些不同的错误改f 曲线，以根据不 同的丌发项目采用不同的改正曲线。s h o o m a n 还同s n a t a r a j a n 合作提出了软件错误 发生与排错过程的软件可靠性模型。 在出g j s c h i c k 和r w w o l v e r t o n 提出的模型中，假定故障与软件内残留错误数 上海大学硕士学位论文用纸 和排错所用时间的乘积成正比。故障间的排错时间在数量上服从瑞利分布。因而故 障率变化的大小随排错时问的增加而增加。s c h n e i d e w i n d 建议用指数、f 态、伽玛、 威布尔等分布函数对软件可靠性进行分析研究，以针对不同的丌发项目选用符合实 际的软件可靠度的数学模型他本人还收集实测数据加以实施。 j d m u s a 就软件执行阶段的软件可靠性模型进行了研究，1 9 7 5 年发表了他的研 究成果。他提出软件可靠性的研究应以软件执行时间为基础，而不是同历时间。执 行时间包括软件开发过程中测试时间和程序装入、传送和维护等过程在内的累积执 行时间。在软件测试的排错过程中，软件可靠度是增长的，而在执行过程中，故障 率是不随时间变化的，其常数值是随残留错误数的变化。这样，在分析过程中可避 免用比较复杂的分布函数，从而大大减化了软件可靠性理论的转析过程。而 b l i t t l e w o o d 采用贝叶斯方法所进行的研究。他把故障率看作是已发生故障的随机 过程，并以此来建立数学模型。l i t t l e w o o d 给出了许多不同的函数形式。这样就可 以对比较适合的函数形式加以判定，通过比较就可以选出合适的形式。b l i t t l e w o o d 于1 9 9 0 年又提出了微分模型。 a l g o l 和k o k u m o t o 于1 9 7 8 年提出了一个不完善的在排错阶段的可靠度模 型。他们把排错过程看成是马氏过程，用状态转移概率进行分析，推导出一些很有 用的结论。而后他们二人又用与j e l i s k i 和m o r a n d a 相类似的假设，经过分析认为故 障的发现是一个非齐次泊松过程( n o n h o m o g e n o u sp o i s s o np r o c e s s ，简称m h p p ) ， 他们认为发现了的软件错误数和残留的错误数的分布都是泊松分布。这种软件可靠 度模型是排错阶段的可靠度增长模型( s r g m ) 。近年来同本学者尾崎俊治、山用茂、 山根勉和大场充等人在此基础上结合实测数据对可靠度增长模型进行了研究，发表 了他们的论文。 在国内，软件可靠性的研究现在还不像硬件可靠性那样引人注目。着手对软件 可靠性进行研究的单位和人员都不多。与国外的差距还是比较大的。在硬件可靠性 方面，国外已经历了四个发展阶段，我国要跨跃这四个发展阶段是有很多困难的。 目前，本小组建立了有关学会，在国防科工委的直接领导下成立了许多专门机构， 广泛丌展了可靠性研究工作，取得了很好的效果。 综上所述，国内外学者在系统可靠性研究领域的成果表现为以下两个方面：可 靠性理论研究和研究对象的扩展；可靠性研究从定性研究发展到定量研究，为各种 不同的软硬件系统制定合理的可靠性模型及指标。其研究对象也从最初的简单系统 扩展到复杂大系统；从电子硬件系统扩展到计算机软件系统；从系统设计时的可靠 性研究扩展到系统执行时的可靠性研究。制造网格系统作为制造技术与计算机技 术、网络技术的结合，具有不同于传统的复杂大系统的特性，它不仅容纳了各种软 硬件系统，还强调了可靠性评价和管理的实时性，更加注重系统的执行状态，因此 以往的系统可靠性研究领域的成果不能照搬。 1 2 2 信息系统可靠性研究现状 8 上海大学硕士学位论文用纸 国内对于信息系统的监控和管理的着重点依然放在信息系统的网络安全方面， 比如对非法入侵的检测，对病毒的感染等，对于信息系统的性能和稳定性缺乏监控 和管理。国内虽然有个别院校或研究所根据各自的具体需要，自主开发了针对某些 系统或应用的监控和管理1 19 1 ，但还没有能够对整个企业信息系统内所有资源 进行集成监控管理的自主软件系统。 1 2 2 1 国外研究现状 如今商业的发展趋势激发各组织、各企业应用分布式计算，出现了许多种异质 的应用、硬件、平台和协议。在这些信息系统环境中正充斥着无数分散的急需管理 的资源，于是，信息系统的混乱随之产生并升级了。由于吸收了不同的管理范例， 每一企业或组织用自己的方式处理一些企业中的资源的子集，更增加了系统的复杂 性。由此，一方面管理的难度和工作量越来越大，另一方面，对系统的运行状况越 来越难从全局上把握，尤其对于一些无人值守的实时性系统，一旦出现异常，要求 迅速诊断、报警、恢复，避免或减少损失。据i d c 的研究报告，i t 系统的故障会 导致大公司每小时损失8 5 万美元。如果系统的稳定性提高5 0 ，各个大公司每年 就可以从中节约3 7 0 万美元。所以，企业急需一种管理解决方案帮助他们应付这种 复杂的、混乱的信息系统环境，希望从他们的技术架构中取得最大的效益。所以有 必要通过组紧密集成的核心解决方案，管理复杂的网络、系统、桌面、应用和数 掘库。 于是，信息系统集成化管理技术应运而生。在企业信息系统的结构f 趋复杂的 今天，集成化的系统管理软件技术成为国际上的热门技术，得到了美、欧、日等信 息化程度较高的发达国家企业界的高度重视。集成化的系统管理软件实现对企业内 部的各种应用软件、主要的商业化数据库、中间件和底层操作系统智能化的、集成 化的、自治的监控和管理。监控和管理系统资源的状态、事件，还可监控和管理用 户的定义资源，如文件系统空间、文件存取、进程、内存、c p u 和事件f 志等等， 并在必要时使事件升级，以便优化智能代理的监控。概括地讲，集成化的系统管理 软件是在不同的网络环境中实现终端对终端的监控和管理，不仅提高了系统应用的 可靠性、可用性、有效性和安全性，同时极大地降低了企业员工的工作量。 在系统管理技术的发展初期，研究的方向主要集中在管理的集成化和系统的可 扩展性方面，逐步囊括了大部分企业中常用的系统平台，以及平台上的应用。当前 的研究重点主要在于管理的智能化方面。总体上来讲，系统管理技术在智能化方面 的进化过程中有三个明显的阶段：静念的、可调的和动态的。在静态管理阶段，管 理器仅相当于参数收集器，通过将从各个监控代理上收集到的性能参数进行可视化 处理，为用户提供一个直观的性能监视器。他们逐渐被拥有线性智能的可调代理代 替。这些可调代理与监控规则和事件的布尔关系相关联，具有有限的反应能力，如 升级警告等级。一些可调的代理甚至可以调整最初的监控规则，但它们的“知觉” 是有限的。随着人工智能领域内神经网络的研究和发展，在系统管理的研究中也逐 上海大学硕士学位论文用纸 步引入了神经网络的应用，进入了系统管理的动态阶段。动态阶段以“状态意识” 为特点，应用神经网络的自学习方法构造“智能监控代理”，使得代理具有感知系 统环境、动态调整管理策略的功能。目前，“智能监控代理”的实现还处于研究阶 段。 如今，国际上较为成功的集成化的系统管理软件主要有c a 的u n i c e n t e r 、b m c 的p a t r o l 和i b m 的t i v o l i 等。它们经过大约2 0 年的发展，在不同的程度上实现了 系统的集成化、智能化管理。这些管理软件对计算机系统的监控和管理已经覆盖了 大部分企业中常用的系统平台如u n i x 平台及其变种、w i n d o w s 平台、o s 2 等，以 及这些平台上的应用，如e x c h a n g e 、l o t u sn o t