Основные термины и понятия в системном анализе (стр. 1 )

1.2. Основные термины и понятия в системном анализе

Системный анализ — совокупность методологий и средств, используемых для подготовки и принятия решений по сложным проблемам технологического, экономического и т. п. характера. Системный анализ опирается на системный подход, ряд матема­тических дисциплин и современные методы управления. Основ­ной процедурой системного анализа является построение обоб­щенной модели, отражающей взаимосвязь объектов в реальной ситуации.

Системный подход — направление методологии научного познания и социальной практики, в основе которого лежит рас­смотрение объектов как сложных систем. Системный подход ори­ентирует исследователей на раскрытие целостности объекта, на выявление многообразных связей в нем и сведение их в единую теоретическую картину (Советский энциклопедический словарь, 1988).

Системный подход предусматривает 3 основных этапа изуче­ния явлений:

1) детализация (расчленение);

2) систематизация (изучение взаимозависимостей, взаимодей­ствий и соподчиненности);

3) обобщение (синтез; когда из множества факторов отделя­ются от случайных типичные, главные и решающие факторы, влияющие на результат).

Первый этап часто называют анализом (от греч. analysis — разложение, расчленение). Анализ — это способ познания пред­метов (явлений) окружающей среды, основанный на расчленении целого на составные части и изучении их во всем многообразии связей и зависимостей. Возможны различные виды анализа: физический, химический, математический, экономический, ста­тистический и др. Они отличаются объектами, целями и мето­дикой. Расчленение позволяет заглянуть внутрь исследуемого явления (предмета, процесса), понять сущность, определить роль каждого элемента.

Изучение и измерение причинных связей при анализе можно вести методом индукции: от частного — к общему, от причины (действующего фактора) — к результату и дедукции: от общих фактов — к частным, от результатов — к причинам.

Применительно к анализу промышленной продукции (деятель­ности) методы анализа можно разделить на ряд видов (классов):

Ø по характеру деятельности:

1) технический (конструкторский, электрический, метроло­гический и т. п.) анализ;

2) экономический анализ;

3) факторный анализ (выявление величины влияния отдель­ного показателя (фактора) на изменение и уровень результирую­щего (или другого обобщенного) показателя; это может быть влияние технического показателя на технический, экономиче­ского — на экономический, экономического — на технический, и наоборот);

4) технико-экономический, технико-экологический, технико-эргономический и т. п. анализ (для изучения взаимодействия технических, экономических (экологических и т. п.) процессов и установления влияния технических процессов на результаты экономической деятельности — экологию, эргономику и т. п.);

5) функционально-стоимостный анализ — для выявления ре­зервов на всех этапах жизненного цикла продукции, выявления и предупреждения лишних затрат, ненужных узлов, деталей, операций, упрощения конструкции, замены материалов и т. п.;

Ø по характеру анализируемых связей:

1) детерминированный анализ — когда между фактором (при­чиной) и результатом (следствием) есть однозначная функцио­нальная зависимость;

2) стохастический (дисперсионный, корреляционный, компо­нентный и др.) анализ — для изучения статистических связей между изучаемыми явлениями.

Второй этап в системном подходе — систематизация — не требует пояснений.

Третий этап — синтез (обобщение) — способ познания, по­зволяющий на основе изученных связей и зависимостей между элементами получить представление о сложном явлении (про­цессе, объекте) как едином целом. Целое не равно сумме отдельных частей. Здесь нет готовых методик, каждый метод синтеза — это всегда открытие, часто эвристическое, не имеющее формальных обоснований. Примеры синтеза — параметрический и структур­ный синтез построения средства измерения (более детально см. в § 8.3).

Пример приближенного метода синтеза (оптимизации) — «син­тез через анализ», когда один из нескольких возможных вари­антов построения считается квазиоптимальным на основании анализа и перебора.

1.3. Обобщение процедур системного анализа

Как уже говорилось, системный подход — это направление в методологии исследований.

Здесь методология — совокупность способов и правил наибо­лее целесообразного выполнения какой-либо работы. В частности, она должна содержать следующие элементы (этапы) аналитиче­ского исследования:

1) формулировку целей и задач анализа;

2) выбор объектов анализа;

3) выбор и обоснование системы показателей, с помощью ко­торых будет исследован каждый объект;

4) выбор последовательности и периодичности проведения от­дельных операций;

5) описание способов (операций) исследования изучаемого объекта;

6) источники данных, на основании которых проводится ана­лиз;

7) указания по организации анализа (какие лица, службы и т. д. будут вести анализ);

8) технические средства, используемые для обработки инфор­мации;

9) характеристика документов, которые нужно оформлять;

10) определение потребителей результатов анализа и т. д.

Подобные элементы, в частности, применяются при составле­нии методик выполнения измерений, методик поверки средств измерений, методик аттестации и др.

В тех случаях, когда анализ является лишь первым шагом в задаче синтеза, процедура (алгоритм) ее решения усложняется.

Обобщенно процедура системного анализа представляется в виде последовательности пяти этапов.

I этап — расчленение системы на отдельные части — подси­стемы, а подсистемы, в свою очередь, на более мелкие элементы. Расчленение производится исходя из сформулированной цели и задачи, стоящей перед системой, связей между ею и окружаю­щей средой (метасистемой), особенностей функционирования элементов системы. Результат расчленения часто представляется графически в виде иерархической структуры (схемы), на кото­рой приводятся элементы и указываются стрелками связи между ними.

II этап — подбор показателей (а чаще уравнений или нера­венств), которые дают полную качественную и количественную оценку всем без исключения элементам, взаимосвязям (внут­ренним и внешним), а также условиям, в которых существует система.

III этап — разработка структурно-логической схемы систе­мы, где каждый элемент — блок, а связи между блоками — стрелки на схеме. Уточняется перечень элементов, связей, рас­пределяются показатели влияния.

IV этап — построение в общем виде математической моде­ли системы. Определяются математические формы всех уравне­ний и неравенств системы, коэффициенты в этих уравнениях и неравенствах, функции цели и параметры ограничений.

V этап — работа с математической моделью (численное моделирование), параметрическая оптимизация, когда подбираются такие параметры (коэффициенты) модели, при которых целевая функция имеет экстремум.

Если анализируемая система одна, то на этапе параметриче­ской оптимизации системный анализ заканчивается. Если же систем несколько (или возможны изменения в структуре системы), то тогда процедура повторяется для каждой системы (или вари­анта), и по значению целевой функции математической модели определяется лучший результат (например, лучшая система).

Математическая модель системы является инструментом кон­кретного исследования, проектирования и выдачи рекомендаций, а также дает возможность с помощью убедительного математиче­ского аппарата подкрепить эвристические догадки, интуицию и опыт экспертов и/или лица, принимающего решение.

Совокупность двух частей системного анализа — моделиро­вание системы (проблемной ситуации) и решение задачи выбора из возможных вариантов (альтернатив) — в целом образует модель обоснования решения по исследуемой проблеме.

Во многих случаях процедуры системного анализа носят ите­ративный характер и выполняются за несколько циклов с возвра­том к выполнению исследований, начиная с одного из промежу­точных этапов. В первую очередь это относится к тем этапам системного анализа, для которых не разработаны четкие прави­ла и алгоритмы их выполнения, и многое зависит от субъектив­ных предпочтений лица, принимающего решение.

Исходя из вышесказанного, можно отметить следующие пре­имущества системного анализа (подхода):

1) комплексность и целенаправленность исследования;

2) методологическая обоснованность поиска резервов повы­шения эффективности (за счет параметрической оптимизации);

3) объективность оценки;

4) оперативность и точность;

5) полученная математическая модель может использоваться многократно и служить хорошим средством для принятия ре­шений.

1.4. Квалиметрия и системный анализ:

сходство и различие

Анализируя приведенные термины и определения, которые раскрывают особенности и сферу деятельности квалиметрии и си­стемного анализа, можно выделить их общие черты и свойства.

К ним относятся, например, общность подхода к рассмотрению объектов; сочетание формальных и неформальных (эвристических) методов исследований; необходимость решения, как правило, мно­гокритериальных задач; использование иерархической структуры системы критериев, а также свойств и показателей качества и др.

Действительно, в основе системного анализа лежит рассмот­рение объектов как сложных систем, характеризуемых, с одной стороны, целостностью, с другой стороны, иерархичностью и мно­гообразием типов связей элементов системы между собой и с окру­жающей средой. Аналогично в квалиметрии качество объекта рассматривается как совокупность разнообразных свойств каче­ства. При этом, как и в системном анализе, принимается, что объект является целостным образованием и обладает свойствами, которые не сводятся просто к сумме свойств входящих в него элементов.

Признаком системного анализа является сочетание формаль­ных (детерминированных и вероятностно-детерминированных) и неформальных (эвристических) методов исследований. Анало­гично квалиметрия при измерении отдельных свойств качества использует как физические методы измерений (т. е. строго фор­мализованные по метрологическим нормам и правилам, с исполь­зованием технических средств измерений, процедур обработки результатов измерений и т. п.), так и нефизические. В последних средством измерения является человек (эксперт), а процедура оценивания качества является субъективной. Однако и в этом случае, как будет показано ниже, удается эффективно приме­нить ряд формальных методов обработки экспертных показаний и существенно увеличить точность квалиметрической оценки качества.

Одной из ветвей системного анализа является системотехни­ка — научная дисциплина (направление), которая изучает про­цессы проектирования, создания, испытания и эксплуатации слож­ных (больших) технических систем с ориентацией этих процессов на достижение конечной цели — максимального повышения эффективности системы. При этом задача оптимизации рас­сматривается в большинстве случаев как многокритериальная, а ее результат — как один из наилучших среди возможных ва­риантов согласования ряда противоречивых требований (крите­риев) к принимаемому решению.

Аналогичные проблемы и подходы возникают в задачах квали­метрии, когда необходимо сравнивать объекты по совокупно­сти разнородных свойств качества, выбирать наилучшие про­екты среди ряда конкурирующих, прогнозировать новые виды продукции и их показатели качества и т. п.

Различие между квалиметрией и системным анализом состоит в том, что в квалиметрии решаются главным образом приклад­ные, более конкретные проблемы, связанные в основном с оцен­кой качества продукции. При этом нередко бывает, что дости­жения, «прорывы» в области квалиметрии затем используются и перерастают в более широкие обобщения в рамках системного анализа. Так, методы квалиметрии стали успешно применяться для оценки качества проведения сложных процессов функциони­рования и реализации операций для различных «развивающих­ся» динамических систем, которые применяются и изучаются не только в технических отраслях, но и в социальных, военных, культурных и других приложениях. При этом и квалиметрия, и системный анализ при решении задач выбора из имеющихся альтернатив существенно опираются на самостоятельное науч­ное направление — теорию принятия решений. В этой теории наряду с формализованными математическими методами приня­тия решений одно из центральных мест занимает исследование процесса выбора человеком (руководителем или группой экспер­тов) предпочтительного варианта решения.

Ограничиваясь вышесказанным, можно утверждать, что со­четание известных теорий и методов измерений и оценивания качества с методами системного анализа позволит расширить применение квалиметрии в различных областях знания.

2.3. Унифицированная система показателей качества промышленной продукции

В соответствии с ГОСТ под продукцией понимается овеществленный результат народнохозяйственной деятельности, предназначенный для удовлетворения определенных потребно­стей. В свою очередь изделием называется единица промышлен­ной продукции, количество которой исчисляется в экземплярах, штуках или комплексах. Под расходным изделием понимается единица промышленной продукции в специальной упаковке, количество которой исчисляется при помощи непрерывных ве­личин (килограммов, метров и др.).

Всю продукцию народного хозяйства принято классифици­ровать в соответствии со следующей схемой (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Система показателей качества промышленной продукции

На первом уровне (А) вся промышленная продукция по кри­терию «Особенности износа (расхода) продукции при эксплуа­тации» разделяется на два класса: А1 и А2.

Продукция первого класса А1 расходуется по назначению в про­цессе использования. При этом происходит, как правило, необра­тимый процесс переработки (сырья, материалов, полуфабрика­тов), сжигания (топлива), усвоения живыми организмами (пи­щевые продукты, удобрения) и т. д. В отдельных случаях может быть частично обратимый процесс (например, при рекуперации и регенерации растворителей и т. д.).

При использовании продукции второго класса А2 происхо­дит расход ее ресурса. При этом продукция используется до тех­нического или морального износа.

На втором уровне происходит дальнейшее разделение каждого класса продукции. Первый класс по критерию Б1 «Вид расхо­дуемой продукции» разделяется на три подгруппы: B1, В2 и ВЗ, а второй класс по критерию Б2 «Возможность ремонта при экс­плуатации» — на две подгруппы: В4 и В5 (см. рис. 2.3).

Далее для всех подгрупп В1-В5 предлагается одна и та же унифицированная номенклатура (система) групповых показате­лей качества. Выбор в этой системе конкретных показателей ка­чества для дальнейшей оценки уровня качества различных видов промышленной продукции зависит от цели оценки. Цели исполь­зования выбираемой номенклатуры показателей продукции уста­навливаются в зависимости от характера задачи управления ка­чеством продукции. Ими могут быть:

Ø установление номенклатуры показателей продукции для включения в общетехнические стандарты, а также в документы таких видов, как технические условия, технические требования; стандарты параметров и (или) размеров; правила маркировки, упаковки, транспортирования и хранения; правила эксплуата­ции и ремонта и т. п.;

Ø установление номенклатуры показателей свойств продук­ции при ее аттестации;

Ø установление номенклатуры показателей продукции для раз­работки предложений в планы развития техники, а также для повышения качества серийно выпускаемой продукции;

Ø установление номенклатуры показателей продукции в до­кументах, определяющих торговые отношения партнеров, или при специализации и кооперации производств.

Возможны и иные цели определения номенклатуры показате­лей свойств при оценке уровня качества рассматриваемой про­дукции.

Для большинства видов промышленной продукции можно ос­новываться на следующей общей номенклатуре основных видов показателей качества.

1. Показатели назначения. Характеризуют свойства продук­ции, определяющие основные функции, для выполнения которых она предназначена. Отражают свойства и уровень качества про­дукции с точки зрения ее основного назначения (производитель­ность, грузоподъемность, мощность, точность измерения и т. д.), а также полезный эффект от эксплуатации (потребления) про­дукции. Эти показатели иногда называют конструктивными показателями.

РАСЧЕТ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ СЛОЖНЫХ

ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

11.1. Общие сведения

Важнейшей технической характеристикой качества является надежность. Слово «надежность» в русском языке связано с поня­тием надежды — надежды на длительную и безотказную пригод­ность к эксплуатации или, в широком смысле, к потреблению. В самом понятии надежности заключается элемент некоторой неуверенности и неопределенности. И, по-видимому, не случайно надежность как свойство изделий оценивается вероятностными характеристиками, основанными на статистической обработке экспериментальных данных. Вероятностные методы определения показателей надежности позволяют вполне определенно и дос­таточно хорошо оценивать надежность работы машин и других технических изделий.

По мере технического прогресса наблюдается усложнение тех­нических изделий. Основное противоречие в развитии совре­менной техники заключается в том, что если не предпринимать необходимые меры по повышению надежности, то чем сложнее, быстрее и точнее работа техники, тем менее она надежна. Следо­вательно, решение проблемы надежности является не только важной технической, но и серьезной экономической задачей.

Как уже говорилось (см. гл. 2), надежностью называют свой­ство изделия сохранять в установленных пределах времени значе­ния всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения, транспорти­ровки и других действий. Эта способность должна сохраняться даже при наличии внешних климатических и механических воздействий на само изделие и различных физико-химических процессов в его элементах. Надежность — неотъемлемый пока­затель качества любого промышленного изделия и любой радио­электронной аппаратуры, в том числе, конечно, средств измере­ний, компьютеров и других устройств вычислительной техники.

Качество изделия определяется совокупностью многих свойств, таких, например, как чувствительность, дальность действия, точность, а для средств электронно-вычислительной техники — объем памяти, быстродействие и т. д. В число свойств, опреде­ляющих качество, входит и надежность, однако этот показатель качества существенным образом отличается от остальных. На­дежность, взятая отдельно, еще не означает технического совер­шенства изделия. Это изделие может быть очень надежным в работе, но обладать низкими техническими характеристика­ми. Однако если совершенное по техническим характеристикам изделие не обладает необходимой надежностью, то все остальные показатели качества теряют свое практическое значение, посколь­ку они не могут быть полностью использованы в работе.

Если какое-то устройство неисправно, то оно не выполняет свои функции. Но для сложного устройства, работа которого оп­ределяется многими показателями, иногда довольно трудно уста­новить, выполняет ли оно свои функции. В связи с этим вводится понятие работоспособности, которое определяется как такое состояние технической системы, при котором она выполняет свои функции, сохраняя все значения параметров в пределах, заданных техническими условиями на данное изделие.

Характеристики надежности основываются на учете событий, называемых отказами и характеризующих одно из двух возмож­ных состояний элементов и изделий: работоспособное и неработо­способное. Отказ — это такое событие, после которого отдельный элемент или все устройство перестают выполнять свои функции либо нарушается работоспособность аппаратуры. Отсутствие от­казов в процессе эксплуатации является признаком высокой на­дежности. Отказ трактуется как случайное событие, и потому все количественные характеристики надежности основаны на учете времени до возникновения отказа.

Причинами возникновения отказов могут быть:

Ø конструктивные ошибки и недостатки, например недостаточ­ная прочность отдельных элементов или конструкции; неудачная компоновка узлов; недостаточная защищенность конструкции от попадания влаги, пыли, от разогрева; неудобство обслужива­ния и др.;

Ø производственные недостатки в изготовлении — скрытые дефекты; некондиционные материалы; нарушения технологии изготовления и сборки и др.;

Ø неправильная эксплуатация и техническое обслуживание — невыполнение эксплуатационных инструкций, несоблюдение пра­вил технического обслуживания из-за низкой квалификации обслуживающего персонала; неисправности вспомогательных механизмов и т. д.;

Ø внешние факторы — повышенная или низкая температу­ра; повышенная влажность; повышенное или пониженное атмо­сферное давление; загрязненность воздуха и др.;

Ø некачественный ремонт — несоответствие материала, тех­нологии изготовления (методов, режимов, точности и качества обработки) и сборки первоначальным условиям изготовления; плохой контроль за проведением ремонта.

По характеру возникновения отказы классифицируют на:

Ø внезапные, которые нельзя заранее предусмотреть;

Ø постепенные, когда условия, приводящие к отказу, накапли­ваются постепенно (износ, перегрев, усталостные явления, ста­рение, деформации);

Ø периодические, повторяющиеся через некоторые проме­жутки времени, по мере накопления условий, приводящих к от­казу; после восстановления нормальных условий (температура, давление и др.) система как бы самовосстанавливается и про­должает функционировать.

Проявления отказов могут быть явными, скрытыми, незави­симыми и зависимыми. Независимым является отказ, который не обусловлен отказом других элементов системы. Отказ како­го-либо элемента системы, вызванный отказом других ее элемен­тов, является зависимым. Отказ может быть также случайным или явно закономерным. В теории надежности отказ обычно рас­сматривается как событие независимое, случайное.

Восстановление — процесс обнаружения и устранения отка­за (повреждения) изделия с целью восстановления его работо­способности (устранение неисправности).

По способности к восстановлению изделия подразделяются на восстанавливаемые и невосстанавливаемые.

Восстанавливаемое изделие — изделие, работоспособность которого в случае возникновения отказа подлежит восстановле­нию в рассматриваемой ситуации.

Невосстанавливаемое изделие — изделие, работоспособность которого в случае возникновения отказа не подлежит восстанов­лению в рассматриваемой ситуации.

Основным способом восстановления работоспособности явля­ется ремонт. В зависимости от того, предусмотрены или нет опера­ции ремонта, изделия подразделяются на ремонтируемые и неремонтируемые.

Информационно-измерительные системы, средства измере­ний и их элементы (блоки, узлы и т. п.) относят к классу восста­навливаемых систем, в которых после возникновения отказа за некоторое время восстановления Тв происходит поиск и замена (или ремонт) отказавшего элемента. Далее система вновь функ­ционирует нормально. После нескольких отказов и восстановле­ний система (элемент) подвергается среднему или капитальному ремонту; после нескольких ремонтов система снимается с экс­плуатации по техническому состоянию.

В зависимости от сложности устранения различают отказы: а) устраняемые в порядке технического обслуживания; б) устра­няемые при среднем или капитальном ремонте. В зависимости от места устранения различают: а) отказы, устраняемые в экс­плуатационных условиях; б) отказы, устраняемые только в ста­ционарных условиях.

Ненадежная работа, например, средств измерений является причиной потери точности измерений и наносит ущерб народному хозяйству. Поэтому при разработке аппаратуры стараются исполь­зовать высоконадежные электрорадиоэлементы, предусматривают резервирование отдельных блоков или узлов, разрабатывают аппаратуру встроенного автоматического контроля для обнару­жения внезапных отказов и предупреждения постепенных отка­зов, совершенствуют конструкции блоков для обеспечения быст­рого восстановления и ремонта отказавших узлов и т. д. Однако все эти меры ведут к удорожанию аппаратуры, увеличению сро­ков разработки, изготовления и ввода ее в эксплуатацию. Поэтому оптимальное построение средств измерения должно выполнять­ся по критерию минимума экономических и временных затрат при условии, что реальная надежность работы средств измере­ния обеспечивается не хуже некоторой заданной величины.

11.2. Основные количественные характеристики

надежности

Характеристики надежности определяются вероятностно-ста - тистическими испытаниями. На испытание ставится какое-то (обычно большое) число изделий N0, и наблюдаются моменты, когда возникают отказы. В принципе испытания должны про­должаться до тех пор, пока не откажут все N0 изделий, но практи­чески это делается раньше, как только будут выяснены стати­стические закономерности.

Основными количественными характеристиками надежно­сти являются: вероятность безотказной работы P(t), частота от­казов f(t), опасность (интенсивность) отказов среднее время безотказной работы То.

Вероятностью безотказной работы называют вероятность того, что при заданных условиях эксплуатации в течение опре­деленного заданного интервала времени не произойдет отказа:

P(t) = P(tо≥t) = N(t)/N0, (11.1)

где t0 — время работы изделия от его включения до первого от­каза (время наработки на отказ); t — заданное время работы; N(t) — число работоспособных изделий в момент t.