МЕТОД ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЖИВУЧЕСТИ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Список литературы:

[1] Волостнов Н.С. Государственное предприятие в рыночной экономике / Н.С. Волостнов. -М.: Экономика, 2004.

[2] Князева Е.Н., Курдюмов С.П. Синергетика. Нелинейность времени и ландшафты коэволюции: Издательство: КомКнига Год: 2011

[3] Моисеев Н.Н. Алгоритм развития /- Н.Н Моисеев- М.: Наука,1987.

[4] Малинецкий Г.Г.,Будущее и настоящее России в зеркале синергетики. Изд.2, испр. и доп., 2011.

[5] Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса/ И. Пригожин, И. Стенгерс. - М.: Процесс, 1986.

[6] Чернавский Д.С. Синергетика и информация (динамическая теория информации) / Послесл. Г.Г. Малинецкого. Изд. 2-е, испр. И доп. М.: Едиториал УРСС, 2008. - 288 с. (Синергетика: от прошлого к будущему).

ECONOMIC FORECASTING IN THE CONTENT SYNERGETICS

N.S. Volostnov, A.L. Lazutina

Statya devoted to disclosing synergetic view of economic forecasting in modern conditions; identification on this basis, additional features of the research process

УДК 621.64: 351.745.5

В.В. Вычужанин, доктор технических наук, зав. кафедрой, Одесский национальный морской университет Украина, 65029, г. Одесса, ул. Мечникова, 34

МЕТОД ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЖИВУЧЕСТИ СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

В статье рассматривается метод построения системы поддержки принятия решений для оценки живучести судовых сложных технических систем, основывающийся на использовании когнитивно-имитационной модели.

Ключевые слова: сложные технические системы, системы поддержки принятия решений, когнитивно-имитационная модель, структурные и функциональные показатели.

Исследование моделей живучести сложных технических систем (СТС), в качестве которых выбраны судовые системы показывает, что даже небольшое количество оцениваемых агрегатов в СТС порождает значительное количество возможных сценариев и вариантов развития аварийной ситуации при поражении какого-либо из них. Для судовой энергетической установки (СЭУ) было установлено 130 сценариев с 1206 отдельными состояниями системы, для системы энергоснабжения (СЭ) - 324 сценария с 2495 отдельными состояниями системы. При дополнении показателями реальной критичности и пространственной компоновки систем масштабы моделей возрастут в несколько раз. Укрупнение масштаба СЭУ, СЭ повлечет за собой еще большее увеличение количества сценариев и состояний системы.

Следует отметить, что судовые СТС являются динамическими структурами (агрегаты имеют различную степень износа, изменяют свои характеристики с различной

25

скоростью). Кроме того, на протяжении всего срока эксплуатации отдельные агрегаты, а иногда и целые их группы выбывают из строя, заменяются, модернизируются и т. д. Исходя из этого, были сформулированы требования к методу построения системы поддержки принятия решений (СППР) для оценки живучести СТС: гибкость реализации - на любом уровне оценки живучести для различных агрегатных конфигураций СТС; адаптивность - к изменениям в конфигурации СТС; безопасность -надежность работы системы в условиях возможных сбоев оборудования и обеспечение разграничения прав доступа к системе.

Удовлетворение перечисленных требований достигается:

- Применением модульно-ориентированного метода построения СППР, позволяющего адаптировать ее к конкретным типам СТС;

- Использованием событийно-управляемой модели структуры судна и язык представления данных JSON;

- Применением интеллектуального модуля для анализа событийно-управляемой модели структуры судна, использующего методы моделирующих импульсов для автоматизации оценки живучести агрегатов судовой СТС;

Метод построения СППР базируется на совокупности организационных, управленческих мероприятий, а также на анализе судовых СТС с помощью когнитивно-имитационной модели и включает в себя компоненты:

- событийно-управляемые модели структуры судна (СУМСС), которые в качестве интеллектуального блока использует когнитивно-имитационную модель (КИМ) судовой СТС, а в качестве методов управления - алгоритмы работы с модулями КИМ;

- интеллектуальный модуль, использующий в качестве методов анализа и оценки КИМ СТС, управляемой СУМСС методы моделирующих импульсов;

- человеко-машинные интерфейсы, использующих набор способов получения данных от внешних систем и работы с оператором;

- библиотеку типовых функциональных модулей (БТФМ);

- внешних утилит, обеспечивающих безопасность, версионное резервирование, распределенную работу и разделение прав доступа при работе СППР.

Основой СУМСС является интеллектуальный блок, представляющий собой когнитивно-имитационную модель СТС, организованную по модульно-ориентированн-ному методу. СУМСС использует методы управления, представляющие собой события и связанные с ними протоколы и процедуры, оформленные в виде алгоритмов работы с модулями интеллектуального блока. Способ построения интеллектуального блока предполагает использование на всех уровнях отдельных относительно автономных системных единиц - модулей. Каждый из модулей соответствует агрегату или группе агрегатов в СТС, либо узлу или группе узлов когнитивно-имитационной модели СТС и использует массив функциональных и структурных характеристик. Характеристики модуля представляют собой структуру данных, в которой функциональные характеристики отображают индивидуальное состояние агрегата, а структурные характеристики отображают связи с другими агрегатами модели и положение агрегата в иерархии СТС. Данные могут быть представлены как в виде единичного параметра (одной переменной), так и вектором состояний (одно- или многомерным массивом значений). При расчете экстремальной аварийной ситуации возможно использование дополнительных «виртуальных» модулей, представляющих собой единицы пространственной компоновки. Такие модули интегрируются в систему, как модули верхнего уровня, эмулирующие выход из строя пространственных единиц компоновки судна.

Модули интеллектуального блока используют технико-информационные структурные (структурные связи с другими агрегатами модели и положение модуля в иерархии СТС) и функциональные показатели, характеризующие индивидуальное состояние агрегата (ТСП и ТФП).

Общий вид модуля СППР, содержащего ТСП и ТФП представлен на рис. 1.

[I] ь -"* Ч [А] 1

щ' . / [8][Р][СНП х • 1 1 1

ч 1 \ О т Т, ! 1 1 1

/ Тс _____!

Рис. 1. Структура модуля СППР

Технико-информационные структурные показатели (ТСП) задаются человеком-оператором при начальной компоновке КИМ СТС и в дальнейшем обрабатываются с помощью методов управления событийно-управляемой модели структуры судна. ТСП (табл. 1) отображают связи и взаимодействие модуля с другими модулями, характер этих связей и влияние модуля на комплекс в целом. К ТСП относятся: вектор исходящих связей А; вектор входящих связей I; место объекта в иерархии системы Ь; критичность объекта К.

Таблица 1

ТСП модуля КИМ ФКТС

Обозначение показателя Смысл показателя

А Вектор исходящих связей («дескриптор» : «вес», «тип связи»)

I Вектор входящих связей («дескриптор» : «вес», «тип связи»)

Ь Место в иерархии

К Критичность

Вектор исходящих связей А является ассоциативным массивом и содержит дескрипторы объектов связанных с рассматриваемым объектом исходящими связями и соответствующие им веса. Вектор входящих связей I также является ассоциативным массивом и содержит дескрипторы объектов связанных с рассматриваемым объектом входящими связями и соответствующие им веса. Веса связей могут выбираться на основе методов статистического прогнозирования либо экспертной оценкой. Кроме весов, в векторе содержится информация о характере связи объектов, т.к. различные агрегаты СТС могут быть связаны различными типами связей (модели передачи вещества, энергии, информации). Место объекта в иерархии Ь является числовым значением, отображающим его положение на одном из уровней иерархии СТС. Критичностью объекта К является числовая величина (изменяется в диапазоне от 0 до 1 и определяется путем экспертной оценки или по статистическим данным), характеризующая важность объекта для системы. Критичность объекта К выражает вероятность того, что неисправность рассматриваемого модуля повлечет за собою выход из строя всей системы. Таким образом, для г-го объекта К будет оцениваться как вероятность

о ^

перехода системы в неисправное состояние Ь„ при условии, что агрегат г вышел из строя. В качестве критериев для формализации значений работоспособности и весов входящих и исходящих связей служат результаты проведенных ранее исследований, осуществленных, например на основе метода экспертной оценки.

Технико-информационные функциональные показатели (ТФП) также задаются оператором при начальной компоновке КИМ СТС, а далее изменяются вручную, программно либо аппаратно в зависимости от насыщенности судовых систем «интеллек-

туальными» средствами диагностики и слежения. Основными ТФП модуля являются его вектор состояний и работоспособность. Первая отражает общее состояние модуля, вторая - степень готовности к выполнению задачи. Вектор состояний объекта

,..., характеризует объект п состояниями, каждое из которых отражает эволюцию исправности агрегата. При этом за принимается абсолютно исправное состояние агрегата, - состояние неисправности агрегата, а набор состояний Я для I е 1,...,п отражает переход агрегата к менее исправным состояниям. В простейшем

случае у агрегата два состояния: п = 0 -исправен и п = 1 - неисправен [1-4].

Понятие функциональной угрозы системы тесно связано с понятием работоспособности. В общем случае оценка работоспособности системы в целом Е выражает вероятность выполнения системой поставленной задачи за заданное время At

Оценка работоспособности отражает функциональный аспект живучести системы и совпадает с оценкой живучести:

- больше 0,67 - система имеет удовлетворительную работоспособность и с относительно большой вероятностью способна справится с поставленной задачей;

- в интервале от 0,67 до 0,33 - система ограниченно работоспособна и способна решать поставленные задачи, однако с пропорционально меньшей вероятностью успеха;

- ниже 0,33 - система неработоспособна и не может решить поставленные задачи;

В частности для п возможных состояний агрегата:

Р =

р0 р(б0 | at)

р = п

р'

п

р'

р п

р^п i at)

р(я0 i at)

Ожидаемая работоспособность на участке времени At оценивается математическим ожиданием работоспособности агрегата и вычисляется

п =0

где - работоспособность агрегата в состоянии /', Р - вероятность перехода в состоянии I.

Если агрегат характеризуется только двумя состояниями (полностью исправное и полностью неисправное), то такой вектор будет иметь два значения - р = 1 (агрегат

работоспособен) и р = 0 (агрегат неработоспособен).

Оценка вероятности смены состояния объекта Р указывает на вероятность перехода объекта в состояние Я на промежутке времени At. Для текущего состояния системы Я, :

>

Р0 = Р(5С ^ 50) Р =Р& ^ Sl)

Рп=Р^с ^ Sn)

Срок эксплуатации Т и время последнего тестирования агрегата на работоспособность Т используются при расчете амортизации объекта, а также при учете в диагностиках системы контроля ее компонентов.

Оценка ресурса С является оценкой затрат на восстановления агрегата до полностью исправного состояния:

с = ж (с, ^ с0).

Если агрегат исправен, то для него оценка будет равна нулю.

Общая оценка работ по агрегату является математическим ожиданием затрат ресурсов на его восстановление и вычисляется по формуле:

п

С

=0

С г = £ С1р1

где щ - работоспособность агрегата в состоянии г.

Технико-функциональными характеристиками агрегата являются: Б - дескриптор объекта, являющийся его идентификатором в системе;

S - состояние, представленное в виде вектора состояний объекта ,..., ;

- оценка вероятности смены состояния объекта в промежуток времени Р0, ..., Р ;

Т - срок эксплуатации объекта;

Т - время последнего тестирования агрегата на работоспособность;

, ••,Рп - оценка работоспособности агрегата для каждого из его состояний ,...,

Sя;

С - вектор оценки ресурса восстановления агрегата.

Модуль системы хранится в виде файла в формате JSON и содержит следующие характеристики. Технико-структурные параметры: вектор исходящих связей А; вектор входящих связей I; место объекта в иерархии системы Ь; критичность объекта К. Технико-функциональные параметры: дескриптор объекта Б; время эксплуатации объекта Т; время последнего тестирования объекта Т; вектор состояний объекта S; вектор вероятности смены состояний объекта Р; вектор оценки ресурса восстановления С; вектор оценки работоспособности объекта ¥. Каждый модуль представляет собой файл данных в формате YAML, либо его разновидности - JSON, который предполагает человекочитаемый формат данных и удобство в автоматизированной обработке информации.

При автоматической обработке система считывает наборы данных отдельных модулей и на основании векторов входящих и исходящих связей каждого из них выполняет построение направленного графа взаимосвязей (НГВ). НГВ отражает взаимосвязь модулей ФКТС и строится автоматически на основании информации о взаимосвязях, которую содержит каждый из модулей.

Матрица взаимосвязей (МВ) представляет собой таблицу, в которой по строкам и

столбцам перечислены дескрипторы объектов, а на пересечении - коэффициенты, отражающие взаимосвязь объектов. С одной стороны главной диагонали МВ располагаются исходящие взаимосвязи, с другой входящие. В общем случае МВ (при неэквивалентности входящих и исходящих связей) является несимметричной по значениям коэффициентов относительно главной диагонали. В самом общем случае при учете только статистического взаимодействия объектов СТС из всего массива МВ используется только ГМВ - главная матрица взаимосвязей, отражающая влияние и взаимосвязь по работоспособности агрегатов. МВ при анализе системы разворачиваются во взвешенный орграф иерархии СТС, в котором далее анализируются те или иные воздействия на СТС и их эффекты.

Основой СППР является интеллектуальный блок (рис. 2), организованный мо-дульно-ориентированным методом, в котором каждый агрегат (или узел КИМ) представлен в виде отдельного модуля, содержащего технико-информационные характеристики агрегата. Изменение и актуализация модулей интеллектуального блока СППР происходит с помощью событийно-управляемой модели структуры судна (СУМСС), использующей в качестве методов управления процедуры и протоколы, основанные на алгоритмах работы с интеллектуальным блоком. Основной задачей СУМСС является управление интеллектуальным блоком и актуализация параметров его модулей.

Рис. 2. Общая схема функционирования СППР

Модульно-ориентированный способ построения интеллектуального блока СППР использует специальные алгоритмы управления СУМСС. В их основе лежат понятия события (триггера) и протокола. Событие в СУМСС - изменение структуры СТС. Событие СУМСС служит сигналом для применения протокола, представляющего собой алгоритм изменения КИМ для актуализации модели в соответствии с текущим состоянием СТС. Событие может происходить как в штатном порядке, так и в результате воздействия поражающих факторов.

Рассмотрим метод управления, позволяющий формализовать исходную для оператора информацию и свести этап структурного проектирования СППР к компоновке базовых блоков орграфа и заданию их индивидуальных характеристик. Для реализации метода необходим базовый набор модулей, из которых предполагается создать структуру интеллектуального блока. Взаимодействие модулей осуществляется с помощью обмена данными — в частности, в момент события, которое отражает происходящие изменения в одном или нескольких модулей интеллектуального блока.

С точки зрения изменения отдельной структурной единицы СТС события СУМСС могут быть разделены на следующие основные типы: добавление агрегата в интеллектуальный блок, изъятие агрегата из интеллектуального блока, изменение расположения агрегата в иерархии интеллектуального блока. Все перечисленные события

изменяют структуру СТС и требуют актуализации КИМ интеллектуального блока, поскольку с изменением в системе меняются взаимосвязи между модулями блока -непосредственно, либо опосредовано. Каждое из перечисленных событий запускает один из протоколов - наборов действий по расчету параметров системы.

Алгоритм объединения модулей (АОМ) предполагает полностью автоматизированное построение КИМ интеллектуального блока из отдельных модулей (рис. 3). Переход от модулей «россыпью» к связанному графу и матрицам взаимосвязи осуществляется автоматизировано, что упрощает обслуживание системы и повышает оперативность реагирования на изменения в структуре СТС.

Рис. 3. Алгоритм объединения модулей КИМ СТС

АОМ выполняется в следующей последовательности:

- модули сортируются по уровням иерархии;

- для агрегатов верхнего уровня иерархии, согласно векторам исходящих связей отыскиваются нижележащие агрегаты;

- производится объединение агрегатов в МВ и НГВ;

- выполняется контроль «ошибок объединения» - наличие не совпадающих значений исходящих и входящих связей, наличие несвязанных агрегатов, наличие «провисающих» связей, не ведущих к агрегатам, наличие «перепутанных» связей разного характера;

- при обнаружении ошибки - человек-оператор получает сигнал с указанием на характер и расположение ошибки;

- при успешном объединении уровней происходит переход к нижележащему уровню иерархии и так далее до тех пор, пока все агрегаты не будут объединены в НГВ и МВ.

Инсталляция СППР на судно предполагает построение КИМ СТС на базе данных о агрегатах ФКТС. Алгоритм инсталляции (рис. 4) выполняется в следующей последовательности:

- производится установка программного комплекса оболочки СППР;

- производится учет агрегатов - наличие, связи между агрегатами, степень исправности;

- на основе учета СТС заполняются данные на каждый из модулей, при этом в качестве опорной схемы используются базовые шаблоны модулей, либо готовые модули из БТФМ;

- после запуска система выполняет АОМ и сообщает об ошибках;

- если ошибок не найдено, система фиксирует МВ и НГВ интеллектуального блока;

- система переводится в режим интерактивного функционирования.

Конец

Рис. 4. Алгоритм инсталляции СППР

Необходимость в протоколе модификации системы возникает при изменении структуры ФКТС, что может происходить при изъятии либо добавлении какого-либо агрегата из системы, замены одного компонента системы на новый, модернизации и модификации отдельных агрегатов системы. Изменение в конфигурации СТС служит триггерным событием для протокола инсталляции (рис. 5).

Выполнить АОМ

_ 1 _ Конец

Рис. 5. Алгоритм модификации СППР

Интеллектуально-аналитический модуль предназначен для анализа текущего состояния интеллектуального блока на уровнях оценки. Выбор уровня оценки живучести производится на основе данных о доступной информации и заданных человеком-оператором целевых установок функционирования СППР (помимо непосредственной оценки живучести агрегатов режим функционирования может включать в себя оценку сценариев ЭАС или других, предусмотренных концепцией построения СППР).

Предусмотрены следующие режимы интерактивного функционирования системы:

- регулярная комплексная оценка структурной и функциональной живучести методами ПМИ и ДМИ с заданным временным интервалом;

- функционирование системы в режиме сбора информации о состоянии СТС с заданным временным интервалом;

- анализ полученных результатов и выявление уязвимых мест системы по запросу;

- моделирование экстремальных аварийных ситуаций по запросу;

- вызов справочной системы по запросу.

На стадии инсталляции системы на судно, из информационных объектов формируется когнитивно-информационная модель СТС, которая используется в качестве интеллектуального блока СУМСС и на основе которой формируются прогнозы и рекомендации по борьбе за живучесть судна. Там где это возможно, при формировании КИМ СТС информационные объекты «индивидуализируются» - обобщенные стати-

стические характеристики заменяются реальными. Наличие библиотеки базовых агрегатов СППР позволяет гибко использовать систему для разных случаев в зависимости от того, каким оборудованием оснащено судно, какова степень износа его систем и так далее. На протяжении всей эксплуатации судна, когнитивная модель дополняется данными, модифицируя заданные изначально характеристики агрегатов и все больше «индивидуализируя» их. Учитываются профилактические работы, изменение в составе оборудования, эксплуатационный износ и так далее.

Метод построения СППР обладает преимуществами перед известными методами - лучшей автоматизацией и меньшей трудоемкостью при построении и модификации моделей судовых СТС. Расширение модели позволяет оценивать живучесть в широком диапазоне ситуаций, режимов и топологических конфигураций СТС. Применение в качестве интеллектуального блока когнитивно-имитационной модели позволил адаптировать сценарии оценки живучести для разной степени полноты информации о состоянии агрегатов СТС и обеспечить развертывание СППР на судах с разной степенью интеллектуализации оборудования.

Список литературы:

[1] Рябинин И.А. Логико-вероятностные методы исследования надежности структурно-сложных систем / И.А. Рябинин, Г.Н. Черкесов, Москва: «Радио и связь», 1981. - 264 с.

[2] Заде Л. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений / Л. Заде, М.: «Мир», 1976. - 100 с.

[3] Гурина С.А. Живучесть систем защиты информации в условиях внешних воздействий / С.А. Гурина // Захист шформаци, 2008. - №2. - С. 69-73.

[4] Черкесов Г.Н. Надежность аппаратно-программных комплексов / Г.Н. Черкесов, М.: 2005. -145 с.

THE METHOD OF CONSTRUCTING A DECISION SUPPORT SYSTEM TO EVALUATE THE SURVIVABILITY OF COMPLEX ENGINEERING SYSTEMS

V.V. Vychuzhanin

The article discusses the method of constructing a decision support system to evaluate the survivability of marine complex technical systems, based on the use of cognitive-simulation model.