
книги из ГПНТБ / Судовые системы автоматического контроля (системный подход к проектированию)
..pdfразработке технического задания и технического предложения
(ГОСТ 2.103—68).
Внутреннее проектирование САК состоит из разработки системы математического обеспечения, проектирования микроструктуры, кон структорского и монтажно-коммутационного проектирования.
Каждый этап делится на более мелкие уровни, число которых
зависит от сложности основного этапа. На каждом уровне разра
ботки выпускается определенная техническая документация, явля ющаяся исходным материалом для следующих уровней и этапов
работы.
Многообразие функций и структур САК приводит к многообра
зию задач проектирования. Эти задачи можно рассматривать как
задачи синтеза системы, реализующей определенные функции в не
котором заданном классе определенных структур. Поскольку уста
новить эффективный |
формальный способ перехода |
от |
функций |
|||
к |
структуре |
САК обычно не удается, |
задача синтеза, |
особенно |
||
на |
этапах |
внешнего |
проектирования, |
алгоритмически |
неразре |
|
шима. |
|
|
|
|
|
|
|
В связи с этим при проектировании |
САК широко |
используются |
методы перебора вариантов в сочетании с эвристическими, основан
ными на использовании опыта и интуиции разработчиков. Исполь
зование этих методов приводит к необходимости последовательного
улучшения первоначально принятого варианта, т. е. к итеративному характеру процесса проектирования, который иллюстрируется
рис. 1.2.
В качестве исходных данных на каждом этапе процесса проекти рования, носящего итеративный характер, принимают требования к системе и ее элементам, сформулированные в техническом задании и уточненные на предыдущих этапах. Затем строится одна или
несколько моделей альтернативных вариантов решений, достаточно
адекватных требованиям ТЗ и дающих возможности для анализа
и оценки этих моделей по принятым критериям эффективности. Выбранная модель уточняется с учетом ресурсов и дополнительных
ограничений. После |
этого производится окончательный анализ |
и оценка решений по |
критериям эффективности и соответствия ТЗ. |
В случае, если выбранный на первой итерации вариант решения при
знается неудовлетворительным, осуществляется поиск нового ва
рианта и процесс повторяется.
Одной из особенностей САК является участие в ее функциониро
вании человека-оператора. Поэтому на различных этапах проекти
рования необходимо решать такие вопросы (обеспечивающие опти мальное согласование САК с оператором), как степень автоматиза
ции контроля, темп и форма представления информации, а также
другие факторы, влияющие на рациональную организацию работы оператора. Качественное решение этих вопросов возможно при усло вии привлечения к разработке САК специалистов по инженерной психологии и промышленной эстетике.
На каждом этапе проектирования при поиске наиболее эффектив ного решения ставятся две задачи: выбор критерия эффективности
11
i тз
Анализ объектов контроля
Разработка технических требований
Формулировка критериев
Анализ моделей
Синтез макроструктуры
Внешнее проектирование
I
i
I.
Внутреннее проектирование
и нахождение варианта, при котором этот критерий имеет оптималь
ное значение. Если вторая задача может быть принципиально решена достаточно строго методами математического программирования,
вариационными или другими, то выбор критерия, по которому должна
осуществляться оптимизация, производится лишь на основе логи
ческого анализа общих требований к системе, с учетом задач дан
ного этапа и имеющихся ресурсов (материальных и временных).
Кроме того, обе задачи взаимосвязаны: от типа критерия зависит
метод оптимизации, а критерий следует выбирать таким обра
зом, чтобы современные методы позволяли найти оптимальное решение.
ТЗ | I Критерии
I 4-
Рис. 1.2.
При оптимизации САК, как и других сложных технических
систем, особые трудности представляет переход от оптимальных
показателей системы, определенных при внешнем проектировании,
к оптимальным значениям конкретных параметров, которыми может
распоряжаться проектировщик при внутреннем проектировании.
Здесь значительную роль играет квалификация, опыт и интуиция проектировщика, на основании которых можно выбрать исход ный базовый вариант, улучшаемый при дальнейшем проектиро вании.
Сложность задач, возникающих при проектировании больших
систем и, в частности, САК, необходимость рассмотрения несколь
ких вариантов решений на каждом этапе требуют автоматизации
всей совокупности или части проектных работ, что способствует
улучшению качества, сокращению сроков и стоимости проекти рования, а также значительному 'повышению производительности труда проектировщиков.
Система автоматизации проектирования обычно включает в себя технические средства, обеспечивающие обмен информацией между
проектировщиком и ЦВМ, и развитое математическое обеспечение процесса проектирования, позволяющее быстро вносить изменения
в проект и осуществлять выбор вариантов. Однако в первую очередь
автоматизация проектирования предполагает проведение определен ных организационно-технических мероприятий.
13
Прежде всего необходимо собрать н систематизировать информа
цию о выполненных ранее проектах, стандартных компонентах систем, критериях эффективности и о производственной базе. Причем
такая информация должна быть логически упорядочена с тем, чтобы
можно было-использовать ее для составления прогнозов развития
элементов и проектируемых систем. Необходимо иметь четкую
систему кодирования как основных понятий проектирования, так
и всех технических средств, используемых при проектировании.
Кроме того, коллектив проектировщиков должен быть психологи
чески подготовлен к внедрению автоматизации.
В настоящее время наиболее перспективным является автомати зация следующих работ, относящихся к стадии внутреннего проек
тирования САК: логического синтеза функциональных узлов; мон
тажно-коммутационного проектирования узлов и блоков; проекти
рования и конструкторской проработки печатных плат; выпуска
технической документации; поиска необходимых элементов и ком
понент в автоматическом каталоге. Сложнее автоматизировать ра
боты на ранних этапах разработки САК. Причина возникающих
при этом трудностей заключается в недостаточной формализации
методов решения многих задач внешнего проектирования. Широкое использование эвристических методов делает необходимым участие
на ранних этапах проектирования специалистов, имеющих опера
тивное общение с техническими средствами системы автоматизации
проектирования.
Техническое оснащение системы автоматизации проектирования можно представить в общем случае в виде достаточно сложного комплекса (рис. 1.3), состоящего из ЦВМ, аналоговой вычислитель ной машины (АВМ), сопрягаемой с ЦВМ, и внешней памяти боль шого объема, состав которой периодически корректируется. Этот
комплекс связан с совокупностью внешних устройств и термина лов, позволяющих обращаться к комплексу и получать готовые ре
шения.
Математическое обеспечение процессов автоматизации проекти
рования предполагает наличие проблемно-ориентированного языка, например типа ПРОЕКТ или ЛЯПАС [26], и развитой системы интерпретации этого языка, а также математического обеспечения функций организации вычислительного процесса, его контроля, отладки алгоритмов и программ. Необходима также программа решения информационно-поисковых задач, для работы с каталогом,
процесса моделирования и оптимизации на АВМ. Примеров таких
систем, ориентированных на сквозную автоматизацию проектирова ния, пока не существует, но работы ведутся многими организациями,
причем одним из основных требований к системам является возмож
ность их эволюционного внедрения, т. е. постепенное расширение
и усовершенствование.
Таким образом, проектирование САК можно рассматривать как многоэтапный процесс преобразования имеющейся у заказчика и
разработчиков информации об объекте контроля, требованиях к САК и общих методах ее построения в техническую документацию
14
Рис. 1.3.
в виде рабочих чертежей всех блоков и устройств системы, а также
в документацию по специальному математическому обеспечению процесса контроля. Причем, если на начальных этапах проекти рования имеется значительная неопределенность в отношении мето дов решения многих вопросов и наличие большого числа альтерна тивных вариантов, то в окончательной документации выбранного
варианта системы эта неопределенность должна быть минимальной, допускающей ее устранение в процессе настройки и испытаний
САК совместно с контролируемой системой.
Значительная неопределенность имеется в начале каждого этапа
проектирования, и связана она как с некоторой неизбежной неопре
деленностью результатов предыдущих этапов, так и с новыми зада
чами, характерными для данного этапа. Чем меньше начальная
неопределенность, тем, в общем случае, быстрее и качественнее
осуществляется проектирование на данном этапе.
Уменьшение неопределенности в начале каждого этапа проекти рования создается соответствующим информационным обеспечением
проектирования, которое осуществляется комплексом различных
мероприятий, называемых системой информационного обеспечения
процесса проектирования.
§ 1.2
ПРОБЛЕМЫ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАЗРАБОТКИ САК
Информация, необходимая проектировщику САК, может быть разделена на исходную (априорную) и текущую. Исходная информа ция содержит сведения об объектах контроля, материалы об отече ственных и зарубежных системах аналогичного назначения (судовых
и промышленных), результатах научно-исследовательских и опытно
конструкторских работ по автоматическому контролю и смежным вопросам (метрология, вычислительная техника, инженерная пси
хология, элементная база и т. д.), патентные материалы, монографии,
журнальные и другие публикации по этим темам. К исходной инфор мации следует отнести также различные директивные материалы, учет которых необходим при проектировании (требования ГОСТ, Регистра, нормалей, технических условий, установленные сроки проектирования и т. д.).
Текущая информация представляет собой результаты уже про веденных разработок данной ..системы, необходимые для последу ющих этапов работы.
Проблеме сбора и обработки информации с целью обеспечения
ею научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ в настоящее время уделяется большое внимание. В связи с мощным нарастанием потока информации для решения этой проблемы тре
буется осуществление целого ряда мероприятий организационного характера. К ним относятся создание специальных служб, занима
J6
ющихся сбором, оценкой, свертыванием и логическим упорядоче
нием разрозненной информации в общие концептуальные рамки.
Эти службы должны быть оснащены автоматизированными системами сбора, хранения и выдачи информации, допускающими непосред ственное обращение потребителей информации к системе. В таких
системах возможен поиск через дистанционные терминалы и выбор
необходимых данных из крупных массивов. Перспективной является
возможность осуществления «диалога» между системой и потребите
лем информации, что облегчает формулировку поисковых предписа
ний и автоматизацию проектных работ.
К одной из труднейших проблем информационного обеспечения
процесса проектирования сложных судовых систем относится поиск новых источников и методов получения недостающей исходной инфор мации в формализованном виде (функциональные зависимости, таб лицы, алгоритмы, значения коэффициентов, графики и другие виды
количественного отображения). Особую остроту этой проблеме при
дает ряд особенностей, присущих системному подходу к проекти
рованию.
Как правило, система комплексной автоматизации судовых тех нических средств, частью которой является САК, разрабатывается одновременно с основным контролируемым оборудованием. В этом состоит одна из особенностей системного подхода к проектированию, позволяющая значительно повысить качество системы комплексной автоматизации. Однако из-за отсутствия сведений о результатах
эксплуатации и испытаний нельзя правильно оценить такие важ
нейшие характеристики контролируемого оборудования, как пока
затели надежности, живучести, ремонтопригодности, эргатичности.
Обычно отсутствуют также достоверные оценки пределов и скоростей изменения контролируемых параметров, их влияния на возможность
оценки состояния оборудования. Попытки использовать в качестве исходной информацию, полученную при разработке и эксплуатации судовых систем и оборудования аналогичного назначения, как правило незначительно улучшают положение. Вследствие малой серийности, а часто и уникальности судовых систем, большого разнообразия их типов и модификаций, места и способов эксплуа
тации, высокой надежности (редких отказов) и ряда других факторов,
в том числе высокого темпа научно-технического прогресса, получае мые в процессе эксплуатации данные не являются статистически
достоверными и быстро стареют, что способствует появлению зна
чительных ошибок.
В результате, как показывает имеющийся опыт эксплуатации судовых САК, заметно увеличивается период «доводки» системы
непосредственно на судне во время эксплуатации. Приходится ме
нять уставки, процедуру контроля и т. д., что приводит к большим экономическим потерям. Кроме того, недостаточно четкая работа
САК и всей системы комплексной автоматизации на начальных
этапах эксплуатации системы вызывает недоверие к ней обслужи вающего персонала, что не способствует более широкому внедрению комплексной автоматизации на судах',
2 Зэкэз 797 |
17 |
Качество информационного обеспечения имеет особенное значе ние на таких этапах, как разработка ТЗ на систему. При этом осо бенно важна количественная оценка номинальных, предельно допу стимых и аварийных значений контролируемых параметров и их
разнообразных статистических характеристик (математические ожи
дания, дисперсии, корреляционные связи), оценка относительной
важности контролируемых параметров при решении задачи под
держания работоспособности, динамические характеристики и т. п.
Рассмотрим, в частности, некоторые проблемы информационного
обеспечения, возникающие при выборе контролируемых параметров.
Для упрощения будем считать, что инструментальные ошибки измерений отсутствуют. В этом случае вероятность ложного отказа
ос = О, ошибка контроля определяется лишь вероятностью пропуска
неисправностей |3, возникающей вследствие того, что часть пара
метров не контролируется (неполнота контроля). Определим,
каким образом можно выбрать контролируемые параметры, чтобы эта ошибка была меньше требуемого по ТЗ значения |Зтз.
Вероятность пропуска неисправности можно определить как
P = P ( F > F „ F c F a)- P ( U \ F > F B, F < F r),
где P (F y> FB, F <У FH) — вероятность неработоспособного состоя
ния контролируемой системы, определяемая как выход некоторого
ее обобщенного показателя F за нижнюю FHили верхнюю FB уставки; Р (И | F > FB, F <( FH) — условная вероятность признания по ре
зультатам контроля системы исправной (работоспособной) в случае, когда она в действительности неработоспособна. При принятом выше
допущении об отсутствии инструментальных ошибок измерения эта
условная вероятность, очевидно, равна единице. Тогда
Р = 1 - P ( F K< F ^ F B), |
(1.2.1) |
где Р (FH < F < FB) — вероятность работоспособного |
состояния |
контролируемой системы, определяемая как вероятность нахожде ния некоторого обобщенного показателя F в допустимых пределах
f j -
Эта вероятность является функцией контролируемых параметров. Для определения вида данной функции разобьем все контролируе мые параметры на три группы в зависимости от влияния отклонений их значений на показатель F. К первой группе относятся параметры,
неконтролируемое отклонений каждого из которых приводит к аварии
судна, ко второй — параметры, отклонение любого из которых
должно быть ликвидировано в кратчайший срок, к третьей — пара
метры, при отклонении которых допускается эксплуатация контро лируемой системы с определенным ухудшением качества ее функ
ционирования
18
Вероятность работоспособного состояния контролируемой ей-
стемы по параметрам первой и второй групп определяется выра
жением
|
|
|
Р р = П Р и П Р я„ |
(1.2.2) |
|
|
|
|
i=i |
/= 1 |
|
где |
Р и — вероятность |
отсутствия |
отклонения |
г-го параметра пер |
|
вой |
группы; |
Р2,- — вероятность отсутствия отклонения j-го пара |
|||
метра второй |
группы; |
п 1 и п2— количество |
параметров первой |
||
и второй групп соответственно. |
|
|
|||
|
При отсутствии отклонений параметров первой и второй группы |
функция, выражающая зависимость показателя F от контролируе
мых параметров х ъ х 2, . . хп, может быть разложена в ряд Тейлора в окрестности точки F0, соответствующей номинальным значениям
параметров:
F = / (-*1! * 2- • • • » Хп) = / (*10> * 20- • • • I *П0) “Ь
Пренебрегая |
членами |
разложения второго и высших |
порядков |
||
.и обозначив Ах; |
= xt — xi0, |
получим |
|
|
|
|
|
|
|
П |
|
F = |
f(xЮ, * |
20- |
*«о) + |
( j k ) o Ах1- |
О-2-3) |
|
|
|
|
i=i |
|
Значение / (х10, х20, . . ., хп0) соответствует номинальному зна чению показателя F. Поскольку в этом случае
а |
(1.2.4) |
P (FR^ F ^ F B) = P p\ 4(F)dF, |
где ф (F) — плотность распределения случайных значений пока зателя F, то величина |3 может быть функционально связана с кон тролируемыми параметрами хъ . . ., хп лишь в случае установления
функциональной зависимости от этих параметров плотности ф (F).
Последняя представляет собой композицию плотностей распределе ния фг. (*.) параметров xt. Определение ф (F) даже при известных
Ф,- (я,-) связано с большими трудностями, поэтому обычно ограни
чиваются нахождением лишь числовых характеристик (математи
ческого ожидания и дисперсии) случайной величины F по числовым характеристикам параметров.
2 |
19 |
При отсутствий отклонений параметров двух первых групп можно считать, что значения F распределены по нормальному закону. Тогда, при известных значениях математического ожидания М [/] и дисперсии D [F] показателя F, из выражений (1.2.2) и (1.2.4) получаем
|
|
|
|
|
|
|
|
(F — М [F])2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2D [F] |
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.2.5) |
Эта формула связывает вероятность |
Р (Fu < F |
< FB) с числен |
||||||
ными характеристиками F, а выражение (1.2.3) определяет зави |
||||||||
симость F от контролируемых параметров. Для связи вероятности |
||||||||
Р (FH с F < FB) со |
значениями |
контролируемых |
параметров тре |
|||||
буется выразить М [F] |
к D [F] |
через оценки случайных значений |
||||||
этих параметров хг |
Из |
(1.2.3) |
следует |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
П |
|
|
M[F] = M f(x]0, .. |
., |
x j + |
|
(-!£ -)о Ах, |
||||
|
|
|
|
|
П |
|
|
|
— M[f (х10, |
.. ., хп0)] -)- М |
^ |
( S |
r ) 0^xi |
||||
|
|
п |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( 1.2.6) |
|
|
i= 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
П |
|
|
D[F] — D |
f(xia, . . ., хм) + |
2 |
( - ^ ) oAx, |
|||||
|
|
|
|
|
1= 1 Х |
1 |
|
|
|
П |
|
|
|
|
П |
|
|
п
(1.2.7)
где п — число параметров третьей группы; Кц — корреляционный момент величин Axi и Алу.