, ,
МЕТОДИКА ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ
СЛОЖНЫХ СИСТЕМ
В статье показано существование объективной потребности в обоснованном и точном определения показателей надежности. Рассмотрены особенности двух способов анализа и расчета показателей надежности сложных технических устройств и систем для достаточно крупной серии и для мелкосерийных и единичных изделий: 1)испытания, 2)априорного математического моделирования. В данной работе предлагается использовать для задач априорного анализа надежности сложных радиоэлектронных средств методологию экспертных систем. Предлагается инструментальная система, для которой выделены типовые задачи по определению показателей надежности, на этапе проектирования, исследовано построение концептуальной модели предметной области, рассматрены её возможности.
Анализ надежности и расчет соответствующих показателей является необходимым этапом разработки любой сложной технической системы. Однако точность и достоверность получаемых результатов в значительной мере зависят как от применяемых методик расчета надежности, так и от квалификации специалистов, осуществляющих расчеты. То есть, строго говоря, показатели надежности не являются абсолютно точными.
В то же время за последние годы произошли существенные изменения в структуре спроса и предложения на рынке сложных технических систем. Это привело, в частности, к значительному росту конкуренции среди производителей, работающих на этом рынке. Решающим моментом, определяющим перспективы деятельности предприятия по выпуску конкретного изделия, является в настоящее время оптимальное сочетание его экономических и технических показателей. И в этих условиях комплексный показатель надежности приобретает роль прямого экономического фактора как с точки зрения собственно надежности вложения средств потребителем, так и с точки зрения снижения издержек изготовителя на гарантийное и сервисное обслуживание.
Таким образом, существует объективная потребность в обоснованном и точном определения показателей надежности.
Традиционными способами анализа и расчета показателей надежности сложных технических устройств и систем являются моделирование и испытания. В настоящее время в этой области существует весьма широкий спектр работ как теоретического, так и прикладного характера. В основном они базируются на методах теории вероятностей и математической статистики и достаточно полно описывают проблему анализа и расчета соответствующих показателей для отдельных классов изделий. Причем, решение задачи определения показателей надежности является точным (с точностью до используемой методики) для репрезентативной выборки изделий, представляющих, как правило, достаточно крупную серию. Значительно сложнее проводить соответствующие испытания и расчеты для мелкосерийных и единичных изделий, для которых статистика недостаточна или отсутствует вообще, хотя мелкосерийное производство в настоящее время является более перспективным по сравнению с крупносерийным, так как обеспечивает более быстрое реагирование производителя на изменяющиеся потребности рынка.
Кроме того, проведение испытаний снижает экономическую эффективность производственного процесса за счет затрат как на дорогостоящее испытательное оборудование, так и на испытательные образцы. Снижение эффективности тем более существенно, чем более мелкой является производственная партия.
В силу вышеизложенного в последнее время отмечается смещение акцента с проведения испытаний на разработку различных способов априорного, используемого еще на этапе проектирования систем, математического моделирования процессов функционирования устройств в условиях различных внешних воздействий – механических, тепловых, электромагнитных. Однако следует отметить ограниченный характер разрабатываемых моделей, обусловленный прежде всего тем, что эти модели разрабатываются профессионалами в отдельно взятой предметной области. Это приводит к тому, что оптимизация надежностных показателей изделия осуществляется по группе физически однородных параметров без учета комплексного характера реальных воздействий, вследствие чего для анализа и оценки надежности сложных технических устройств и систем производители вынуждены применять комплексы методически и информационно разнородных способов и моделей. Это, с одной стороны, значительно повышает стоимость процесса оценки надежности изделий, с другой – снижает достоверность получаемых результатов.
Таким образом, существует необходимость в едином методическом подходе к анализу надежности сложных технических систем, который рассматривает их как единое целое в виде комплекса взаимосвязанных показателей и в то же время позволяет использовать накопленный в этой области богатый теоретический и практический опыт расчетов на основе специализированных моделей.
Одним из наиболее перспективных подходов к решению данной проблемы является использование концепции межмодельного взаимодействия [1], естественным образом отражающего специфику комплексной организации и представления разнородных информационных моделей описания сложных технических систем на различных уровнях абстракции.
В данной работе предлагается использовать для задач априорного анализа надежности сложных радиоэлектронных средств методологию экспертных систем, ключевой особенностью которых является возможность моделирования процессов принятия решений специалистом в отдельной предметной области на основе определенным образом организованных профессиональных знаний.
Выделим ряд типовых взаимосвязанных задач по определению показателей надежности, последовательно решаемых на этапе проектирования произвольной технической системы:
- выбор методики анализа надежности и соответствующей математической модели;
- декомпозиция технической системы до уровня элементов, надежность которых является определенной, и разработка соответствующей структурной схемы надежности;
- расчет показателей надежности системы по разработанной структурной схеме на основе выбранной математической модели;
- анализ полученных результатов и принятие решения о соответствии надежности системы тому уровню, который определен в техническом задании на ее разработку.
В настоящее время только задача расчета показателей представлена математическими моделями (на основе методов теории вероятностей и математической статистики), позволяющими автоматизировать процесс получения соответствующих решений. Оставшиеся задачи (выбор методики, разработка структурной схемы надежности и анализ результатов) решаются вручную в силу их недостаточной формализуемости посредством традиционных математических методов и моделей, что ставит итоговые результаты в зависимость от квалификации разработчиков. В то же время, как показывает практика, указанные типы задач достаточно успешно решаются посредством применения методов инженерии знаний, реализованных в экспертных системах. Таким образом, существует практическая проблема разработки инструментальной среды обеспечения надежности сложных технических объектов, реализованной на основе базовых принципов экспертных систем.
Существующие реализации инструментальных систем в большинстве своем ориентированы на решение общетеоретических и общеинженерных задач на основе универсальных методов манипулирования базами данных и базами знаний, семантические модели которых также являются универсальными, не связанными с особенностями конкретной предметной области. Использование подобных систем для анализа надежности сложных изделий при существующем выборе сложных математических моделей, построенных на базе различных математических методов и форм представления информации, сопряжено со значительными трудностями.
Специфика предметной области анализа надежности сложных технических объектов заключается в необходимости комплексного учета особенностей таких системно разнородных сущностей как само изделие, которое является сложной многоуровневой структурой, так и технологическая среда изготовления объекта, представляющая из себя систему технологических процессов и соответствующего оборудования. Эти особенности обусловливают проблемно-ориентированную направленность разработки инструментальной среды системы обеспечения надежности, которая предполагает функциональное разделение компонентов объектно-независимых математических моделей расчетов показателей надежности и экспертных компонентов, использующих специфическую методологию решения сложноформализуемых задач анализа надежности.
Существующие версии инструментальных систем, построенные на различных принципах, в своем большинстве ориентированы на решение общетеоретических и общеинженерных задач на основе универсальных методов манипулирования с базами данных, базами знаний, для наполнения которых используются контекстно-независимые входные языки, причем и семантическая модель является также универсальной, не связанной с языками описания предметной области. Для анализа надежности сложных изделий при широком выборе сложных математических моделей, описываемых с использованием различных методов и форм представления информации, возрастают трудности применения универсальных инструментальных систем для постановки и решения задач обеспечения требуемой надежности изделий. Многообразие моделей, используемых при анализе надежности.
Модели анализа надежности
Разработка и исследование инструментальных систем, функционирующих на основе имитационного моделирования таких разнородных объектов, как отдельный компонент, само изделие, технологическая система и технологический процесс изготовления изделия средствами технологической системы несомненно является актуальной проблемой. При разработке проблемно-ориентированных систем должны быть соблюдены основополагающие принципы построения автоматизированных систем и обеспечено такое перспективное направление создания и развития инструментальных систем, как функциональное разделение на объектно-независимое (инвариантное) ядро системы, объединяющее математическое и программное обеспечения, и проблемно-ориентированное проектирование, основанное на имитационном моделировании разнородных объектов предметной области. В каждой прикладной области знаний должны разрабатываться и применяться своя специфическая методология, аппарат исследования и язык представления теории.
Главной задачей разработки экспертных компонентов является построение концептуальной модели предметной области, определяющей как систему представления, хранения и использования профессиональных знаний, так и способы получения численных данных, хранящихся в соответствующих базах. Структура этой модели лежит в основе построения информационных моделей практически всех компонентов инструментальной системы – блока приобретения знаний, блока логического вывода (решателя), блока пользовательского интерфейса (за исключением, естественно, инструментального блока объектно-независимых моделей) так же, как особенности мышления конкретного эксперта определяют все его профессиональное поведение (изучение задачи, поиск решения, объяснение результатов). Причем, помимо уровня собственно профессиональных знаний, как правило, присутствует более высокий уровень так называемых метазнаний, т. е. знаний о знаниях или знаний о том, как применять эти профессиональные знания в конкретной ситуации, определенной конкретными данными. Особенностью построения концептуальной модели системы анализа надежности сложных технических объектов является то, что в общем случае существует не один уровень метазнаний, а несколько, так как сложный технический объект включен, как минимум, в некоторую технологическую систему, знания о которой также должны быть включены в инструментальную систему.
Задача обеспечения надежности сложного технического объекта традиционно предполагает использование аналитических методов оценки с точки зрения соответствия показателей надежности проектируемого изделия заданным. Вопрос учета показателей надежности в процессе синтеза проектных решений решается лишь частично путем применения методов структурной оптимизации при наличии альтернативных вариантов комплектующих. В то же время остро стоит задача корректировки результатов синтезирующих процедур с учетом результатов расчетов значений априорных показателей надежности. Рассматриваемая инструментальная система позволяет на основе рассчитанных показателей надежности формировать рекомендации соответствующим разработчикам по корректировке различных аспектов проектных решений, сформулированные на базе контекстно-зависимого языка описания предметной области.
Продолжающееся развитие специализированных методов анализа и расчета показателей надежности для все более узких классов объектов и систем ведет к тому, что инженерные методики расчета становятся все более сложными для практического применения. С этой точки зрения применение инструментальной системы обеспечения надежности, аккумулирующей весь спектр расчетных приложений и знаний по их применению на практике, становится незаменимым в условиях повседневной деятельности проектной организации. В этих условиях база знаний по вопросам надежности вкупе с математическими методами расчетов приобретает самодостаточную ценность для широкого круга проектных организаций, в отличие от, например, ныне существующих универсальных математических и статистических пакетов прикладных программ. Учитывая, что практическая реализация инструментальной системы предполагает использование принципа открытости для пополнения как системы знаний, так и набора расчетных методов, данная система может служить мощным информационным ресурсом конкретного предприятия или отрасли в целом.
Таким образом, рассмотренная инструментальная система, разработанная с применением методологии экспертных систем, позволяет решить широкий круг задач по обеспечению надежности сложных технических объектов на более высоком системном уровне, сохраняя и аккумулируя научные и практические результаты, полученные в данном направлении.
Литература
1. Юрков и алгоритмы управления интегрированными производственными комплексами. Монография. Пенза, ИИЦ, 20с.
