Главная Архив номеров N-15 июнь 2007 Опыт и перспективы построения программных комплексов анализа сложных технических систем на основе методологии координированных переключений.
 

Авторизация



Опыт и перспективы построения программных комплексов анализа сложных технических систем на основе методологии координированных переключений. Печать

А.Н. Гущин, к.т.н., капитан 2 ранга С.Л.Кузнецов, А.А. Шаров, профессор.

Одним из направлений сотрудничества НПП «Система» с центрами военно-морской научной мысли, являются работы по расширению областей применения разработанной в Военно-морской академии им. Н. Г. Кузнецова (ВМА) методологии координированных переключений. Основная цель данных работ -разработка комплексов прикладных программ анализа сложных технических систем на различных этапах жизненного цикла, в том числе с учетом человеческого фактора, для конкретных предметных областей.
Методология координированных переключений (МКП), разработанная д.т.н., проф., к. 1 р. А.В. Ярошенко, включает в себя совокупность взаимосвязанных методов анализа больших сложных технических систем с учетом человеческого фактора, и позволяет решать в автоматическом или автоматизированном режиме следующие задачи:
- определение функционально слабых элементов в технических системах;
- определение топологически слабых мест в компоновке систем и механизмов объекта до любой заранее заданной единицы площади, включая определение оптимальной элементарной площадки для данной задачи;
- поиска опасных мест (физически несовместимые среды на единице площади);
- выявление причин возникновения функционально слабых элементов и топологически слабых мест в структуре и компоновке технических систем на основе анализа цепочек развития отказов;
- оценка положительного эффекта от применения алгоритмов поиска функционально слабых мест в структуре технических систем объекта;
- интегральная оценка резервируемости элементов технических систем и механизмов объекта;
- получение вероятностных характеристик надежности (работоспособности) любого элемента технических систем объекта с учетом взаимовлияния отказов других элементов;
- выработка конкретных противоаварийных рекомендаций каждому оператору при борьбе за живучесть технических систем объекта после произвольной комбинации повреждений его элементов;
- выработка прогноза борьбы за живучесть технических систем объекта;
- оценки возможных перегрузок при борьбе за живучесть технических систем объекта;
- поиска критических действий операторов (таких действий, вызванных единичным отказом элемента технической системы, невыполнение которых приведет к ухудшению или потере ряда функций системы);
- управление противоаварийными переключениями по оптимальной траектории;
- оценка необходимой численности персонала объекта с точки зрения борьбы за живучесть технических систем;
- обучение персонала навыкам управления процессом борьбы за живучесть любого технического комплекса после произвольной комбинации повреждений его элементов и систем.
Обобщая приведенный перечень задач, решаемых с помощью практического применения МКП, можно выделить для программных комплексов, создаваемых на её основе, следующие основные направления применения:
- Проектирование больших сложных технических систем (экспертиза их функциональных и топологически слабых мест, обоснование необходимой степени автоматизации).
- Эксплуатация больших сложных технических систем (автоматизация борьбы за живучесть).
- Организационно-технические мероприятия: обучение обслуживающего персонала, оценка необходимой численности обслуживающего персонала.
- Экспертиза существующей инженерной инфраструктуры объекта (в масштабе от корабля, отдельно стоящего здания, комплекса зданий, предприятия или иного сопоставимого функционального объекта до города или региона в целом) для обнаружения точечных функционально слабых элементов, топологически слабых и опасных мест, а также выявление критических обратимых и необратимых действий обслуживающего персонала.
С точки зрения реализации, разрабатываемый программный комплекс представляет собой объединение математической модели структуры систем исследуемого объекта и экспертной системы с фиксированным набором общих эвристик и переменным набором частных правил, зависящих от конкретного исследуемого объекта. В качестве основы математической модели используются цветные неправильно раскрашенные многократно взвешенные графы, лежащие в основе методологии А. В. Ярошенко, описывающие как технологическую, так и организационно-техническую связь систем объекта, учитывая различную природу их физического взаимодействия, а также влияние конкретных операторов из обслуживающего персонала на те или иные механизмы и связи объекта.
К настоящему времени можно обозначить следующие предметные области, для которых ведется разработка программных комплексов. В первую очередь -это анализ проекта и выработка рекомендаций по борьбе за живучесть технических средств (включая создание программного тренажера) для боевых надводных кораблей и подводных лодок. Также в процессе разработки находятся программные комплексы для выработки рекомендаций по противоаварийным переключениям на промышленном предприятии (обеспечение непрерывности технологического процесса) и в учреждении высшего профессионального образования (обеспечение учебного процесса в соответствии с санитарными нормами). Отдельного рассмотрения требуют особенности применения МКП для анализа инфраструктуры территориально распределенного регионального объекта, которые будут приведены далее.
С теоретической точки зрения, МКП не имеет никаких принципиальных ограничений на размерность рассматриваемых систем, единственным верхним пределом является наличие достоверной информации о структуре технических систем анализируемого объекта и их взаимосвязях, включая организационные. Однако процесс практической реализации МКП в виде программного комплекса выявил ряд проблем, требующих для своего решения привлечения как самых современных технических средств вычислительной техники, так и высококвалифицированных специалистов непосредственно в области разработки программного обеспечения. Основная проблема - обеспечение требуемого для решения конкретных задач быстродействия при увеличении размерности систем анализируемого объекта. Если проблема сохранения больших объемов сведений в модели объекта в современных условиях практически решена (накопители на основе НЖМД емкостью в сотни гигабайт уже переходят в разряд «бытовой техники», распространенные системы управления базами данных также поддерживают работу с гигабайтными объемами информации), то увеличение быстродействия возможно лишь за счет оптимизации ряда расчетных алгоритмов в составе МКП. При этом строго формальная оптимизация, гарантирующая отсутствие каких-либо неучтенных моментов, эффективна лишь для задач этапов конструирования или анализа существующего объекта. Для задач выработки рекомендаций в процессе эксплуатации она может по-прежнему давать неудовлетворительную скорость получения результата, что требует либо дальнейшего наращивания вычислительной мощи аппаратно-программного комплекса выработки рекомендаций (за счет возможности распараллеливания ряда вычислительных операций, а также параллельного функционирования машины вывода продукционного типа), либо применения формально-эвристической оптимизации (например, за счет использования предварительных расчетов на этапе анализа и замены ряда вычислительных операций поисковыми на также предварительно оптимизированных структурах).
Анализ опыта предшествующих разработок на родственную тематику, а также ряд проведенных экспериментов, показал, что на данный момент можно определить следующий ряд характерных значений размерностей технических систем объекта для анализа с помощью методологии координированных переключений.
Нижний предел осмысленного применения МКП - объект с общим количеством элементов и связей технических систем порядка 102, поскольку при меньшем количестве элементов трудозатраты на описание такого объекта будут сопоставимы или даже превосходить трудоемкость «ручного» анализа подобного объекта. Кроме того, принципиальные особенности конструкций таких объектов могут обусловливать малое число резервов, а также практическую невозможность отступления при конструировании от типовой топологии объекта. Примером такого объекта может служить типовая жилая квартира, не оборудованная системами типа «умный дом» или иными сложными техническими системами. В то же время, уже при рассмотрении современного загородного дома, зачастую имеющего собственную резервную или полностью автономную инженерную инфраструктуру, задачи автоматизации одновременного обеспечения комфортности и живучести при его проектировании становятся не менее актуальными, чем для объектов производственного или оборонного назначения. А при наличии системы типа «умный дом», интегрирующий управление инфраструктурой дома, также важными становятся задачи обеспечения безопасности будущих жильцов. Например, если в доме установлены автоматические замки, при пропадании электропитания они должны оказываться в открытом или закрытом состоянии? Для каких систем должно существовать ручное управление и в каких пределах? Как при этом не превратить жильцов в «операторов» и так далее.
Наиболее отработанным в настоящее время является применение МКП для объектов с общим количеством элементов и связей порядка 103 - 104. В зависимости от качества организации и квалификации участвующих специалистов, а также доступности, достоверности и качества используемой документации на анализируемый объект, характерное время подготовки исходных данных для систем подобной размерности измеряется от неделей до месяцев. При этом длительность непосредственно решения задач анализа (выявления функционально и топологически слабых элементов, и т.д.) составляет часы, что позволяет после внесения основного массива данных производить повторную оценку непосредственно после внесения существенных изменений в модель. Время решения задачи выработки рекомендаций по противоаварийным переключениям на современных быстродействующих персональных компьютерах при этом составляет всего лишь несколько минут, что при наличии показанных выше резервов для дальнейшего увеличения быстродействия позволяет использовать разработанные программные комплексы в составе систем информационной поддержки борьбы за живучесть в реальном времени.
Основной причиной роста размерности модели является необходимость «развертки» иерархически вложенных систем до уровня относительно локально организованных элементов и связей, передающих единственный вид энергии, вещества или информации для учета взаимовлияния технологически взаимосвязанных или топологически близких элементов и связей различных подсистем, в том числе и на различных уровнях иерархии анализируемого объекта. Однако, для задачи анализа инфраструктуры региона, использование такой же детализации (вплоть до конкретного вентиля на конкретном потребителе) приводит к увеличению размерности как минимум на 1-2 порядка, что существенно увеличивает трудозатраты на подготовку исходных данных, а также время последующих вычислений. В то же время, дополнительную сложность представляет сам процесс сбора информации для построения модели с подобной полнотой. Кроме очевидных решений в области увеличения производительности используемых вычислительных систем и оптимизации процесса подготовки данных, для объектов регионального масштаба, в отличие от ранее рассмотренных технических систем, возможна иерархическая свертка детализации до ключевых объектов (распределительных узлов, подстанций), линий связи и передачи различных видов вещества и энергии, транспортных систем (автомагистралей, железнодорожных путей и т.п.), отдельных предприятий. Основанием для такой свертки может служить степень возможного влияния частных аварий в рамках одного объекта, не выводящих его из строя (с точки зрения взаимодействия с окружающими объектами), на возникновение аварий в территориально соседних или взаимосвязанных объектах, приводящих к выходу их из строя. Например, очевидна необходимость повышения детализации в зонах с более высокой плотностью застройки или при близком размещении разнородных производственных объектов.
Кроме рассмотренных ранее, специфической проблемой внедрения программных комплексов анализа БСТС для выработки противоаварийных рекомендаций в составе объектов, решающих специальные задачи, является предъявление специфических требования к используемому в них аппаратному и программному обеспечению средств вычислительной техники.
Во-первых, быстродействие серийно выпускаемых полностью отечественных средств вычислительной техники все ещё существенно отстает от серийно выпускаемых зарубежных образцов персональных компьютеров офисного и даже бытового назначения (более того, на процессоре от одной из игровых приставок последнего поколения выпущен вычислительный модуль в защищенном исполнении для бортовых ЭВМ).
Во-вторых, специфика общесистемного программного обеспечения (как и аппаратной части) разрешенных к использованию специализированных ЭВМ существенно ограничивает спектр инструментальных средств разработки специального программного обеспечения для них, вплоть до необходимости применять более низкоуровневые языки программирования, чем обычно применяются в настоящее время для разработки программного обеспечения общего назначения. В свою очередь, это увеличивает требования к квалификации программистов в составе команды разработчиков специальных программных комплексов и независимо от их квалификации увеличивает сроки разработки для достижения требуемых показателей качества и надежности программного обеспечения.
В-третьих, использование для решения первой и второй проблем технологий, не относящихся к «популярным современным информационным технологиям», явно или неявно спонсируемым фирмами-поставщиками соответствующих решений, ещё больше усугубляет проблему подготовки квалифицированных программистов для разработки программного обеспечения вычислительных систем специального назначения. Практически всегда даже для выпускника-отличника по одной из близких профильных специальностей высшего образования требуется дополнительное обучение в процессе работы, а значит - необходимо наличие определенного опыта работы предприятия в данной области.
На основании всего вышеизложенного можно сделать следующий вывод: на данный момент создание единственного аппаратно-программного комплекса анализа больших сложных технических систем, полностью универсального по всем потенциальным областям применения, представляет собой задачу, сложность которой существенно превосходит полезность результата. Поэтому, представляется более рациональной разработка семейства программных комплексов-прототипов (платформ) для родственных предметных областей, с последующей адаптацией под частные условия конкретной задачи. В том числе, разработка реализаций под существенно различные аппаратно-программные платформы.
В настоящее время ЗАО НПП «Система» разработаны демонстрационно-исследовательские варианты программных комплексов, охватывающие перечисленные основные направления применения МКП и позволяющие проводить работы по дальнейшему развитию применения МКП в смежных, ещё не рассматривавшихся предметных областях, углублению автоматизации экспертной составляющей методов, а также развитию интеграции с другими программными системами.
Наиболее перспективными направлениями развития данных программных комплексов можно считать следующие:
1. Развитие автономного модельного представления технических систем объекта до многократно используемой объектно-семантической сети, с различными способами отображения в раскрашенные многократно взвешенные графы для решения соответствующих задач.
2. Разработка методов взаимодействия и программных средств обмена информацией с CALS/PDM-системами различного вида для существенного сокращения сроков подготовки исходных моделей анализируемых объектов.
3. Дальнейшее усиление экспертной составляющей, в особенности на этапе обработки результатов поиска функционально и топологически слабых мест, в перспективе - с возможностью «самообучения» при повторном анализе измененного проекта (на базе второго направления развития). Это направление потребует отдельной тщательной теоретической и экспериментальной проработки, но в перспективе способно ещё более улучшить результаты применения практических реализаций МКП.
4. Применение основанных на МКП программных комплексов в составе тренажерно-обучающих средств, как операторских коллективов, так и лиц, принимающих решения, для адекватного моделирования внезапности аварийных ситуаций в процессе основных тренировок по специальности.
Применение основанных на методологии координированных переключений программных комплексов анализа больших сложных технических систем, приводящее к выработке оптимальных технических и организационных решений по исключению проектных и эксплутационных ошибок, предотвращению и ликвидации аварийных ситуаций, будет способствовать повышению конкурентоспособности отечественной промышленности и росту обороноспособности государства.
 
Разработка сайтов