книги из ГПНТБ / Судовые системы автоматического контроля (системный подход к проектированию)

ния тех же результатов вследствие погрешностей измерения. Тогда

Достоверность результата «в норме» а 1 определяется условной

вероятностью того, что контролируемая система работоспособна, если получен результат «в норме», и может быть определена по вы­

ражению

где R — вероятность работоспособного состояния контролируемой

системы; Р 1 = (1 — R) (1 — у 2) + у iR — вероятность получения

результата «в норме». Величину уtR можно рассматривать как без­ условную вероятность получения правильного результата «в норме».

Аналогично достоверность результата «не в норме» определяется

как

где Р 2 = R (1 — Yj) + (1 — R) у 2 — вероятность получения сиг­ нала «не в норме», а у 2 (1 — R) характеризует безусловную вероят­ ность получения правильного результата «не в норме».

Если неисправность САК обязательно влечет за собой сигнал «не в норме», то

Эксплуатационные показатели характеризуют свойства САК, проявляемые в процессе эксплуатации. Характерной особенностью этих показателей является то, что их достоверная оценка может

быть осуществлена лишь после достаточно продолжительного пери­

ода эксплуатации системы. К этой группе показателей относятся надежность, живучесть, ремонтопригодность, эргатичность, помехо­

устойчивость и др.

Наиболее важный из эксплуатационных показателей — надеж­

ность. Следует отметить, что такие сложные судовые системы, как САК, имеют ряд специфических особенностей расчета надежности.

Под надежностью сложной системы понимается ее способность вы­

полнять заданные функции в нормальных условиях эксплуатации. Отличие такого определения надежности от обычного [80 ] вызвано тем, что для САК отказ того или иного элемента или узла не при­ водит к отказу всей системы, а лишь снижает в некоторой степени ее эффективность. Поэтому известные методы расчета надежности

могут применяться лишь при определении понятия «отказ системы». Например, под отказом системы можно понимать снижение ее эффек­

тивности на какую-то величину, например 25%. При этом под вероят­

ностью безотказной работы будет пониматься вероятность того, что

втечение заданного времени эффективность системы не опустится

ниже заданного критического уровня, т. е. не станет ниже 75%.

Вотличие от надежности, живучесть характеризует способность

системы нормально функционировать при изменившихся условиях.

Это свойство весьма важно для судовых систем контроля. Надеж­ ность и живучесть системы тесно связаны с ее ремонтопригодностью,

т. е. приспособленностью системы к предупреждению, обнаружению

иустранению неисправностей. Чем выше ремонтопригодность си­

стемы, тем меньше время обнаружения и устранения неисправности

вней.

Рассмотрим наиболее часто применяемые характеристики на­

дежности и возможности их использования в различных случаях [52, 80]. Наиболее общей характеристикой надежности является вероятность безотказной работы, или, с учетом сказанного ранее, вероятность поддержания заданного уровня эффективности системы

за заданное время Т. Эта характеристика определяется соотноше­ нием

где N — общее число рассматриваемых САК; п (t) — число САК, эффективность которых в период времени (0, t) стала ниже задан­ ного уровня (число отказавших систем).

Поскольку вероятность отказа Q (t) и вероятность безотказной работы составляют полную группу событий, то

n(t) Q® = N ’

Вероятность отказа определяется частотой отказа dt:

t

Q (t)= J a(t)dt.

о

Частота отказов может быть определена статистически как

где п' (t) — число систем, отказавших в интервале ( t

52

Одной из наиболее распространённых характеристик надежности является интенсивность отказов

Связь интенсивности отказов с рассмотренными характеристи­

ками определяется выражениями

Среднее время исправной работы Гср характеризует среднее

время работы системы до снижения ее эффективности ниже заданного

Другой временной характеристикой надежности является на­ работка на отказ, или среднее время между отказами tcp.

Эта характеристика определяется как

П

С-1, i

,_ г=1

53-

Отличие tcр от Тср состоит В том, Что учитывается случайное время работы между двумя последовательными отказами. Для про­ стейшего потока отказов Тср = tcp в других случаях эти характери­

стики не равны.

Рассмотренные характеристики порознь не являются исчерпы­ вающими для определения надежности системы, поэтому их необ­ ходимо использовать в совокупности. Однако и в этом случае они не позволяют оценить ряд свойств системы, относящихся к надеж­

ности. Поэтому дополнительно к приведенным характеристикам

вводятся так называемые коэффициенты надежности. Важнейший из

них — коэффициент готовности Кг, при рассматриваемом подходе представляющий собой вероятность, что в любой момент времени в промежутке (0, t) САК будет функционировать с эффективностью

не ниже заданной. Этот коэффициент учитывает среднее время между отказами tcp и среднее время восстановления tB. Время вос­

становления определяется временем поиска причины и места не­

Для учета времени, затрачиваемого на профилактические ра­ боты, применяется коэффициент использования

К____ Ар_____

иАр + А ■+ tnp ’

гДе АР — время, затрачиваемое на профилактическое обслужива­ ние системы в среднем на один отказ за рассматриваемый промежу­

ток времени.

Выбор той или иной характеристики надежности зависит от спо­

соба использования аппаратуры, вида избыточности и т. д. Так,

для аппаратуры разового действия, в отличие от аппаратуры, ко­ торая в процессе работы ремонтируется, такие характеристики, как

54

средняя частота отказов, среднее время между отказами, коэффи­ циент готовности, не могут быть использованы.

Для резервированных систем можно исключить из рассмотрения среднее время безотказной работы и среднее время между отказами.

Судовые САК можно рассматривать как частично восстанавли­

ваемые системы. Поэтому при расчете надежности их целесообразно

разбивать на две гипотетические подсистемы, в первую из которых

входят невосстанавливаемые элементы (узлы, блоки), а во вторую —

Рис. 2.1.

восстанавливаемые. Тогда надежность всей системы определяется как произведение вероятности безотказной работы первой подси­

стемы на коэффициент готовности второй.

Если разработанная САК не удовлетворяет требованиям по на­

дежности и живучести, то следует предпринять специальные меры

по обеспечению необходимого уровня этих показателей, связанные с определенными затратами, которые в общем случае вызываются

избыточностью аппаратуры. На рис. 2.1 приведена классификация методов введения избыточности. Конкретное использование неко­

торых из этих методов будет рассмотрено в следующих главах.

Эксплуатационные характеристики судовых систем контроля во

многом определяются включением в них человека-оператора. Эти системы являются комплексами «человек-техника», и учет свойств

оператора, приспособленности к нему технических средств имеет

очень важное значение для оценки системы в целом. Современные судовые САК содержат большое количество разнородного оборудова­

55

ния, при управлении которым человек-оператор испытывает значи­ тельные трудности. Причина этих трудностей, кроме необходимости одновременного наблюдения за большим числом параметров и управ­ ления ими, заключается в высоких скоростях протекания процес­ сов и удаленности оператора от механизмов и установок. Влияние оператора часто сказывается на быстродействии, точности и надеж­

ности процесса контроля. Имеются статистические данные, свиде­

тельствующие о том, что до 50% отказов систем вызвано неправиль­

ными действиями оператора. Вместе с тем оператор может учесть и корректировать неправильные действия отдельных приборов и ме­

ханизмов, найти новые режимы работы и т. д ., что значительно

влияет на характеристику надежности системы.

Очень важным фактором, действующим на функциональные

характеристики САК, является пропускная способность оператора

характеризующая скорость переработки им информации. Считается, что максимальное значение этого показателя не превышает 50 бит/с [66], т. е. значительно меньше пропускной способности информа­

ционных и управляющих вычислительных машин.

Для улучшения эргатических характеристик системы необхо­

димо учитывать все эти факторы с целью рациональной организации

сенсорного и моторного полей оператора и оптимального согласо­

вания характеристик системы с возможностями человека-оператора.

При разработке системы, включающей в себя человека-оператора,

необходимо, в первую очередь, правильно решить вопросы о сте­ пени автоматизации и необходимой численности операторов. Объек­

тивное решение этих вопросов возможно на базе имеющихся уже

данных и методов инженерной психологии. Однако часто допу­ скается принципиальная ошибка, состоящая в попытке приспосо­

бить оператора к системе, которая разрабатывалась без учета его свойств, в расчете на максимальную автоматизацию. При этом, как правило, оператор находится в неоптимальных условиях. Целесооб­ разно начинать разработку системы с выявления и специального изучения психических процессов при решении оператором возни­ кающих задач. Это позволит обеспечить оптимальную согласо­

ванность системы с оператором.

. Методы оценки эргатических характеристик в настоящее время

интенсивно развиваются [66, 67], однако полученные результаты

можно расценивать лишь как первые попытки решения рассмотрен­ ных задач.

Конструктивные показатели САК, такие как масса, габариты, вибростойкость, водозащищенность, весьма важны для судовых си­ стем. Методы оценки этих показателей относительно просты и обычно

не вызывают затруднений. В последние годы нашло широкое при­

менение блочно-модульное исполнение систем, причем размеры и

формы блоков, модулей, щитов, пультов и т. д. в основном норма­

лизованы, что значительно упрощает процесс конструирования си­

стемы и определения конструктивных параметров.

Важнейшую группу составляют экономические показатели си­ стемы, в качестве которых наиболее часто принимают срок окупае­

56

мости t, приведенные Затраты Wn, полные затраты W [9, 10 ]. Эти

обобщенные показатели определяются стоимостью научно-исследова­

тельских работ, проектирования и изготовления Wp, эксплуата­ ционными расходами в год W3, экономическим эффектом В, дости­

гаемым при применении системы в течение года. Зависимости между ними имеют вид

т __

%~ B - W b ’

Wa = Wp +T„W 3,

W = W p + TeW3,

где тн — нормативный срок окупаемости; Тс — продолжительность

использования системы.

Наиболее общий из этих показателей — полные затраты W,

тесно связанные с такими обобщенными экономическими категори­ ями, как затраты общественного труда и прибыль.

Рассмотрим связь полных затрат и прибыли, получаемой от

внедрения системы. Пусть расходы на эксплуатацию объекта (уста­

новки, агрегата, судна в целом) без затрат на разрабатываемую

систему контроля равны Wo6, а производительность объекта без этой системы характеризуется значением Qo6.

В результате применения разрабатываемой САК достигается по­

вышение производительности объекта, которое при использовании

Естественно, что максимальная прибыль, получаемая от внедре­

ния системы контроля, будет достигнута при отсутствии затрат на

нее, что соответствует выражению

ного варианта системы контроля, не обеспечивающего в общем слу­

57

нечно, не относится к тем объектам, которые без наличия автома­ тического контроля функционировать вообще не могут.

Выражение (2.2.7) можно разложить в ряд Тейлора по пара­ метру AQ. Линейная часть этого выражения будет иметь вид

АЛ = I i E z+ J jl + I j* (AQmax_ AQ).

4

Второе слагаемое в данном выражении характеризует прираще­ ние производительности в единицах затрат. Обозначив его через АВ

и умножив обе части выражения на Гс, получим

1У = Г р + Г с ( Г э + АВ).

Таким образом, задача максимизации прибыли эквивалентна в рассматриваемом случае задаче минимизации полных затрат.

Трудность оценки экономических показателей определяется не­ обходимостью выявления зависимостей данных показателей от тех­

нических параметров системы. Особенно это относится к стоимости

разработки, в значительной степени зависящей от того, насколько

новой в принципиальном отношении является система, какие новые

идеи и принципы в ней заложены, какая используется элементная база, каков опыт и состав исследовательских и проектных коллекти­ вов и т. д. Этими же факторами во многом определяется и стоимость эксплуатации. Кроме того, на стоимость изготовления и эксплуа­

тации значительно влияет качество проведения научно-исследова­

тельских и проектных работ и много других весьма индивидуальных для каждой системы факторов. Поэтому наибольшее применение для

определения стоимостных показателей получили эвристические ме­

тоды, основанные на использовании прошлого опыта в разработке, изготовлении и эксплуатации систем, близких по основным харак­

теристикам к исследуемой.

Весьма важным свойством судовых систем контроля и управле­ ния является модернизационная способность системы. Уникальность

каждого вновь проектируемого судна, наличие судов разного класса,

находящихся в эксплуатации и нуждающихся во введении автома­

проектирования и внедрения САК таковы, что зачастую при внедре­ нии САК возникают новые задачи, решение которых не предусматри­ валось первоначальным заданием. Чем выше модернизационная спо­ собность системы, тем меньше расходы на привязку ее к новому типу судна, дешевле эксплуатация и т. д. Возможны два метода решения задачи повышения модернизационной способности.

Каждая система предназначена для выполнения серии задач.

Характеристики задачи g0 принимают различные значения из не­

которого множества G0 с разной частотой. Введем нормированную

58

Значение v (G) является вероятностной мерой в пространстве параметров задачи. Функция распределения этой меры может быть как непрерывной, так и дискретной.

Первый метод предусматривает задание допустимого числа й систем, причем число систем й меньше числа различных задач. Это означает, что вектор параметров системы X для всех значений век­

тора характеристик задачи G0 может принимать не более й раз­ личных значений х = хт; со = 1, 2, . . ., Й; хга = const. В данном

случае можно распоряжаться значениями постоянных векторов хх,

х 2, ■ . ., хщ и для каждой задачи выбирать наиболее подходящий из

них. Естественно, что должны быть известны характеристики за­ дачи g.

Второй метод решения задачи предусматривает создание системы

из простейших элементов (узлов, блоков, секций). Параметры си­ стемы X в этом случае определяются параметрами z элементов и

числом w этих элементов

х = х (w, z); w = 1, 2, . . .; Z = const.

Параметры Z элементов одни и те же для всех задач g £ G0 (тре­

бование универсальности элементов), для каждой задачи можно вы­

бирать различное число и сочетания элементов. Число элементов

заранее не ограничивается в отличие от предыдущего случая, огра­

ничиваются обычно лишь габариты и масса системы. Тогда макси­

мальное число элементов для каждой задачи может быть найдено

Решение задачи является достаточно трудным вследствие того, что вероятностные характеристики решаемых системами задач и их связь с параметрами системы обычно известны очень приближенно. Поэтому часто в качестве простой меры универсальности системы принимается процент ее основных элементов, используемых без из­ менений для решения всей совокупности рассматриваемых задач.

Для систем, устанавливаемых на экспортируемых судах, боль­

шое значение имеет показатель, характеризующий патентную чи­

стоту, определение которого требует значительного опыта специально подготовленных работников.

Методы определения всех перечисленных показателей САК могут

быть различными. Однако на ранних стадиях разработки системы

аналитические методы, довольно хорошо разработанные, могут быть неприемлемыми или давать погрешности, размеры которых трудно

оценить. Таких примеров из проектной практики можно привести

много. Поэтому большое значение имеет правильное использование

различных методов прогнозирования значений основных показателей системы на ранних стадиях ее проектирования. Сочетание методов

прогнозирования, описанных в первой главе, с аналитическими и эмпирическими методами расчета помогает значительно повысить их

достоверность,

59

§ 2.3

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ САК ПО СОВОКУПНОСТИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ

Рассмотренные в предыдущем параграфе показатели САК обра­ зуют некоторое m-мерное (т — число показателей) пространство.

При известных значениях всех показателей каждому варианту си­ стемы и в этом пространстве будет соответствовать точка К (и). При

заданных ограничениях совокупность всех допустимых точек К (и)

образует некоторое множество Мя (рис. 2.2). За начало координат может быть принята совокупность значений показателей САК, соот­ ветствующая ТЗ. В таком слу­

ределено. Поэтому можно использовать несколько подходов к ре­

шению задачи определения наиболее эффективного варианта.

причем, по крайней мере, одно из них является строгим (условие^

имеет смысл «не хуже»).

Однако обычно условия (2.3.2) выполняются лишь для части

показателей и выбрать по ним лучший вариант не удается (необхо­ димо заметить, что если Х 2 — вектор, составляющие которого точно соответствуют требованиям ТЗ, то условия (2.3.2) должны быть справедливы для всех и£ U).

В § 2.1 отмечалось, что улучшение значений отдельных пока­ зателей по сравнению с требованием ТЗ в разной степени влияет

на изменение эффективности САКБудем считать, что нам известно

упорядочение показателей системы по их влиянию на эффективность

60