Разработка методических решений комплекса программно-аппаратных средств, обеспечивающих реализацию непрерывного мониторинга эксплуатации перспективных образцов авиационной техники

Желтов Сергей Юрьевич; Буряк Юрий Иванович; Любовников Михаил Петрович

УДК 004.942

РАЗРАБОТКА МЕТОДИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ КОМПЛЕКСА ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ РЕАЛИЗАЦИЮ НЕПРЕРЫВНОГО МОНИТОРИНГА ЭКСПЛУАТАЦИИ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ОБРАЗЦОВ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем,

г. Москва

Поступила в редакцию 01.09.2014

Предложены методический подход и автоматизированная технология для решения задачи непрерывного мониторинга эксплуатации перспективных образцов авиационной техники, как составной части системы управления полным жизненным циклом, за счет полной автоматизации управления информационными потоками в «реальном» времени посредством согласованного использования комплекса современных информационных технологий.

Ключевые слова: непрерывный мониторинг, эксплуатация, полный жизненный цикл, информационные технологии, автоматизированная система, автоматическая идентификация

В последние годы в оборонно-промышленном комплексе (ОПК) проявляются тенденции по разработке мероприятий повышения технического уровня вооружения и военной специальной техники (ВВСТ) и реализации этого уровня на всех стадиях жизненного цикла (ЖЦ) изделий. Это приводит к необходимости совершенствования существующих процессов обеспечения качества продукции, в первую очередь в промышленности, путем их преобразования в информационно-интегрированную систему управления полным жизненным циклом (СУПЖЦ) изделий ВВСТ [1].

Текущее состояние управления полным ЖЦ АТ характеризуется рядом существенных недостатков, основные из которых:

- отсутствие возможности отслеживать ряд важнейших характеристик в ходе всего ЖЦ изделия, например, фактических показателей надежности, готовности, расходе ресурсов, затратах на каждую из стадий ЖЦ АТ;

Желтов Сергей Юрьевич, член-корреспондент РАН,

доктор технических наук, профессор, генеральный

директор. E-mail: info@gosniias.ru

Буряк Юрий Иванович, кандидат технических наук,

старший научный сотрудник. E-mail:

buryak@gosniias.ru

Любовников Михаил Петрович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник. E-mail: lyubovnikovm@mail.ru

- низкий уровень взаимодействия заказчика и организаций промышленности при определении технического облика образцов АТ и сопровождении на всех стадиях ЖЦ;

- не предусмотрен непрерывный мониторинг значений эксплуатационно-технических характеристик АТ, стоимостных показателей ЖЦ АТ, начиная от проектирования АТ до снятия их с эксплуатации;

- неэффективность механизмов принятия управленческих решений в ходе ЖЦ ВВСТ;

- отсутствие в нормативных документах, прежде всего касающихся стадий эксплуатации, ремонта (технического обслуживания) и утилизации, положений, позволяющих создавать и внедрять СУПЖЦ ВВСТ и ее элементы.

Перечисленные особенности не позволяют в полной мере раскрыть потенциал управления полным ЖЦ изделий, поэтому в сложившейся ситуации для ОПК стала своевременной и важной проблема преобразования существующих подходов к организации разработки, производства и эксплуатации ВВСТ в полноценную СУПЖЦ с сохранением и совершенствованием всех положительных сторон существующей системы.

Постановка задачи исследований.

Принципиальные недостатки, присущие принятой в настоящее время схеме организации работ по поддержанию исправности ВВСТ, а именно: организационно-временная разобщенность

процессов мониторинга и управления техническим состоянием АТ и информационная недостаточность (в части полноты, актуальности и достоверности) собираемых сведений не позволяют получать и использовать в «реальном времени» ряд важных характеристик изделий, в том числе, показателей эксплуатационной и ремонтной технологичности, метрик организационно-деловых процессов, стоимости отдельных работ и др., что, в конечном итоге, приводит к снижению качества обслуживания, уровня готовности парка АТ и повышению финансовых затрат.

Концепция создания СУПЖЦ ВВСТ уже предполагает разработку и внедрение программно-технического обеспечения, которое включает информационно-коммуникационные технологии и сети, прикладные и системные программы для ЭВМ, информационные системы, базы данных (БД) и др., обеспечивающие функционирование системы. В то же время разработка решений, основанных только на принципах «электронного документооборота» и «цифровых БД», безусловно, приведет к сокращению временных затрат, но, преимущественно, в процессах использования (обработка, обмен) данных, что не решает проблем обеспечения легитимности и достоверности данных и далеко не исчерпывает возможности современных информационных технологий (ИТ).

По существу разрабатываемая СУПЖЦ представляет собой систему с существенными ограничениями по организации обратной связи между участниками процессов ЖЦ АТ, т.к. основана на «ручных» процедурах ввода данных по АТ в процессе ее технического обслуживания и ремонта (ТОиР), что, исходя из опыта эксплуатации, не позволяет обеспечить актуальность, достоверность и оперативность получения информации о состоянии АТ, не отвечает требованиям по обеспечению участников полного ЖЦ изделий ВВСТ актуальной и достоверной информацией о фактических показателях надежности, готовности, расходе ресурсов и т.д.

С целью обеспечения заданной эффективности выполнения поставленных перед военной авиацией боевых задач, в отличие от АТ гражданской авиации, определяющим требованием является необходимость готовности к вылету не только конкретного изделия АТ, а полная текущая (оперативная) информация об уровне готовности (исправности) парка АТ в целом и оперативное принятие решений по доведению (восстановлению) готовности парка АТ до требуемого уровня, что в условиях новых схем взаимодействия участников ЖЦ, в т.ч. организаций сервисного обслуживания АТ, обусловливает актуальность разработки технологии обеспечения

непрерывного мониторинга состояния как отдельных образцов АТ, так и парка АТ в целом.

Полноценное решение задач сбора и обработки данных об изделиях и процессах их ТОиР может быть основано только на расширении существующего комплекса ИТ в составе СУПЖЦ путем включения технологий автоматической идентификации изделий, прослеживания характеристик (метрик) производственных и эксплуатационных процессов, а также беспроводных коммуникаций, мобильных устройств (терминалов, ридеров, датчиков, средств измерений и пр.) и их согласованном использовании.

Разработка новой автоматизированной технологии, опирающейся на указанный комплекс современных ИТ, создает необходимую программно-техническую и информационную основу для решения задачи организации непрерывного прослеживания состояния (метрик) производственных и эксплуатационных процессов перспективной АТ в условиях новых схем взаимодействия участников ЖЦ, реализация которой опирается на передовые идеи в сферах управления совмещенными материальными и информационными потоками, создания интеллектуальной логистической среды, разработки новых методов и средств управления жизненным циклом.

Цель настоящих исследований: разработка методического подхода и комплекса программно-аппаратных средств для решения задачи непрерывного мониторинга эксплуатации перспективных образцов АТ за счет полной автоматизации управления информационными потоками в «реальном» времени посредством согласованного использования комплекса современных информационных технологий.

Методический подход для решения задачи непрерывного мониторинга эксплуатации перспективных образцов АТ как составной части СУПЖЦ. Поскольку деятельность системы инженерно-авиационного обеспечения (ИАО) строго регламентирована нормативными документами, в ней возможно выделить жестко выстроенные, иерархически организованные уровни, где на верхних уровнях системы (части, соединения, объединения) решаются задачи планирования и организации ТОиР, а на нижнем уровне - аэродром базирования - их исполнение в рамках проведения различных форм ТОиР [2]. Проведенный анализ показывает, что процессы системы ТОиР включают взаимодействие «типовых» объектов: управляющих субъектов, объектов, действий (операций) и их результатов, поэтому для повышения эффективности ТОиР целесообразно рассмотреть возможности применения средств автоматизации и уже на их основе

реализовать условия непрерывности мониторинга. В основу автоматизации процесса ТОиР предлагается положить следующие принципы:

1) разделение процесса на операции с материальными и нематериальными (информационными) объектами;

2) полная автоматизация информационной составляющей процесса за счет согласованного использования комплекса ИТ:

- «объектно-ориентированного» электронного документооборота;

- автоматической (радиочастотной - РЧИ, штрих-кодовой - ШК) идентификации изделий и их характеристик, связанных с процессами;

- компьютерных устройств - мобильные (стационарные) терминалы;

- беспроводных коммуникаций;

- «классического» электронного документооборота;

3) организация процессов по схеме «регламентации работ», что предполагает четкую увязку заданий, работ по заданиям, результатов работ и данных, характеризующих условия проведения работ;

4) контроль прохождения процессов в «реальном» времени и прослеживание экземпляров материальных объектов.

Здесь реализуются возможности по синхронизации реальных характеристик «материальных» изделий с информационными потоками данных об изделиях и процессах, т.е. данные поступают потребителям информации «сразу», а не через длительные интервалы времени, задерживающие процессы жизненного цикла изделия. В конечном итоге это позволяет решить поставленную задачу по сокращению времени на сбор данных в условиях повышения уровня их достоверности и полноты.

Контроль и информационная поддержка принятия решения (И1II1Р) на более высоких уровнях управления заключается в обработке и представлении данных о состоянии изделий и процессов, собранных за установленный период времени (ДТ8) к моменту и включает сведения по собранным заданиям на выполнение работ по ^ому изделию (рис. 1). Обработка собранных заданий по временному фактору позволяет выделить ряд групп заданий: «выданные задания», «завершаемые задания», «выполненные задания», «просроченные выполненные задания» и т.д.

Группирование заданий основывается на выделенных подмножествах заданий на работы и требованиях о том, что контролируемые параметры должны собираться и обрабатываться отдельно для каждой единицы (экземпляра) изделия.

|*еьщ I ^ выд | ^ факт

* 1 | 1 выд I 1 факт I t Г пл _11

1 ,11 ,1 "" | ■-I**.-

| ^ выд .и ,1

1 ^выд I*-1 1*

t 1 1 I * выд ■ 1 пл

1 1

Рис. 1. Данные о ходе выполнения заданий, собранные системой сбора за период (ДТ8)

Группа «выполненные задания», в которую входят задания, которые выданы на интервале ДТ8 и фактически завершены на этом же интервале, а также задания, которые выданы на предшествующих ДТ8 интервалах, а фактически завершены на интервале ДТ8, специфична тем, что задания этой группы имеют атрибутику, характеризующую ресурсообеспеченность и качество работ, выполненных по заданиям. Количество заданий каждой группы суммируется и определяет индикаторы групп, по которым рассчитываются значения признаков, характеризующих состояние работ. Сопоставляя рассчитанное значение с его нормативным уровнем, в конечном итоге, получаем оценку состояния (НОРМА/НЕ НОРМА) выполнения работ по данному изделию на рассматриваемом уровне управления, т.е. - состояния объекта контроля.

Логический вывод показателей интегральной оценки состояния производства (эксплуатации) изделий осуществляется поуровневым сведением показателей (состояний объекта контроля в отношении того или иного показателя) из показателей нижележащих уровней.

Для «сведения показателей» применяются следующие подходы и методы:

1) определяются состояния объекта контроля в отношении всех показателей контроля всех уровней их иерархии, как множества, определенные на лингвистических переменных;

2) для всех показателей, вычисляемых на основании признаков, определяются пороговые (нормировочные) функции;

3) осуществляется «нормирование» функций признаков пороговыми (нормировочными) функциями;

4) устанавливаются правила логического вывода показателей (состояний объекта контроля в отношении того или иного показателя) каждого уровня из показателей (состояний объекта контроля в отношении того или иного показателя) нижележащих уровней.

Пороговые (нормировочные) функции могут изменяться от сеанса к сеансу сведения показателей, обеспечивая более приемлемую настройку на специфику предметной области.

Следует иметь ввиду, что множество состояний объекта контроля в отношении того или иного показателя (признака) может быть определено на более, чем двух лингвистических переменных. В этом случае используются более разветвленные и сложные правила вывода показателей (исходов). Кроме того, множество состояний объекта контроля может быть определено, как нечеткое множество (с функцией принадлежности на интервале [0,1]). В этом случае используется «нечеткая логика» и «нечеткий логический вывод».

Алгоритм решения задачи диагностики нарушений основывается на последовательной детализации состояний объектов контроля, находящихся в состоянии «не норма». В конечном итоге пользователь может получить информацию о конкретных работах по заданиям, которые предписаны к выполнению определенным подразделениям, производственным участкам и исполнителям работ и выявить нарушителей.

Возможность сбора данных о характеристиках (метриках) процессов позволяет регистрировать также событийность процессов. Любой зафиксированный элемент процесса (функция, работа, операция) обладает, по крайней мере, двумя событиями: началом и фактическим окончанием. А при заданном плане процесса - еще одним априорным событием: плановым окончанием. Таким образом, появляется возможность прослеживания событийности, происходящей в процессной среде объекта управления. По событийности процесса можно производить расчеты показателей эффективности (качества и т.д.) и судить о состоянии объекта управления. Например, если для объекта управления на достаточно длительном интервале времени зафиксированы операции «поиск неисправности» с результатом «отказ», то появляется возможность оценки показателя надежности «интенсивность отказов», а если зафиксированы операции «устранение неисправности» с результатом «восстановлено», то появляется возможность оценки показателя надежности «время восстановления» и, в итоге, производить расчеты надежности объекта управления (рис. 2).

Агрегат \ Агрегат ]

Рис. 2. Автоматизированный сбор и обработка данных о надежности АТ

Среди заданий на работы по ТОиР эксплуатации авиационной техники (АТ) присутствуют задания на работы по поиску неисправностей и восстановлению (ремонт, замена) отказавших агрегатов/КВС (1обн и 1вост на рис. 2). Введение в

атрибутивный состав этих заданий данных о событиях «отказ» и «восстановлен», а также данных, характеризующих тип и описание неисправности, позволит производить автоматизированный расчет наработки на отказ (То) и времени

восстановления (1вост) для каждого агрегата/КВС каждого борта и расчет коэффициента готовности каждого борта. Результаты этих расчетов могут быть «сведены» в показатели надежности и готовности парка АТ вышестоящих организационных уровней.

Различные сочетания положений на временной шкале моментов фактического и планового окончаний работ позволяют судить о ходе выполнения плана, а вычисления фактической длительности работ (время фактического окончание - время начала) с последующей статистической обработкой - о нормативах длительности работ, причем, при одновременной фиксации

кадровых ресурсов - еще и о нормативах трудоемкости и стоимости работ (рис. 3). Осуществление полной классификации работ по ТОиР определенного вида изделий дает возможность производить расчет фактических трудозатрат по каждому типу (виду) работы и после статистической обработки определять реальную трудоемкость и стоимость работ. Это позволит повысить качество планирования и поставить под контроль стоимость работ по техническому обслуживанию и ремонту изделий, в том числе при калькуляции затрат на работы, проводимые в рамках сервисного обслуживания АТ.

Рис. 3. Автоматизированный сбор и обработка данных о ходе выполнения планов, нормативах продолжительности, трудоемкости и стоимости работ

В существующих информационных системах процедуры обработки собранной информации и ИППР недостаточно информативны и не ориентированы на оперативный (в реальном времени) сбор данных о состоянии изделий, процессов и их ресурсообеспеченности. На рис. 4 представлена иллюстрация решений, обеспечивающих устранение этих недостатков путем:

- организации сбора «в реальном времени» данных о ходе выполнения электронных заданий (контролируемых параметров) на выполнение работ введенного в систему потока управления;

- организации процедур контроля, которые анализируют значения контролируемых параметров в «реальном времени» и за определенный период времени, вычисляют значения признаков, сопоставляют рассчитанное значение с его нормативным уровнем (оценка состояния), на их

основе, логически выводят значения заданных показателей определенной иерархии («снизу-вверх»), позволяющих судить о состоянии процессов производства (эксплуатации) изделий;

- организации ИППР (информационной поддержки принятия решений), которая обеспечивает подготовку данных, полученных в результате контроля, к представлению руководителям, визуализацию информации в рамках поддержки принятия решений и диагностику нарушений;

- включением в атрибутивное описание заданий данных о ресурсобеспеченности работ, качестве результатов работ и прочих данных, позволяющих производить расчет заданных показателей эффективности, зависящих от собираемых параметров процессов и соответствующих событий.

Датчики

Рис. 4. Иллюстрация решений, обеспечивающих устранение недостатков (1) - (5)

Применение комплекса современных информационных технологий для автоматизации процессов ТОиР АТ. В основу реализации рассмотренных методических положений по обеспечению автоматизации процессов ТОиР предлагается положить программно-технологическую платформу мониторинга состояний объектов материальных потоков (МСОМП) [3] на их жизненном цикле. Система МСОМП построена на основе развитого набора гибких описательных (процессы, изделия, свойства и пр.), административных (пользователи, оборудование и пр.) коммуникационных (проводные, беспроводные, локальные, глобальные и пр.) и функциональных средств, обеспечивающих взаимодействие пользовательских приложений посредством периферийного оборудования с произвольными машиночитаемыми информационными носителями.

Состав приложений пользователей включает в себя спектр приложений класса АРМ (автоматизированных рабочих мест),

обеспечивающих функции администрирования системы, описания, просмотра и анализа данных об изделиях, и приложений класса «Терминал», которые представляют собой комплекс, состоящий из вычислительного средства, программного обеспечения и периферийного оборудования, выполняющего информационный обмен (запись, чтение информации) с носителем, закрепленным на изделии. Система МСОМП интегрируется в состав других программных систем современных систем управления и позволяет без написания программного кода адаптировать программное обеспечение под специфику систем управления и потребности конкретных пользователей, являясь основой для построения широкого спектра прикладных систем мониторинга и прослеживания состояния и характеристик наукоемкой промышленной продукции. Для обеспечения автоматизированных процессов ТОиР система разворачивается на объектах инженерно-авиационной службы (ИАС) эксплуатирующей организации (рис. 5).

Рис. 5. Структурная схема размещения рабочих мест на объектах ИАС

Типовые АРМ и терминалы: администратора; пункта управления (ПУ) ИАС (АРМ); склада авиационно-технической службы (АТС) (АРМ и мобильный терминал); руководящего состава ИАС (АРМ); исполнителя работ по ТО-иР (мобильный терминал). Система МСОМП настраивается на работу в конкретной авиационной части, при этом шаблоны заданий создаются в соответствии с нормативными документами.

Для проведения работ по ТОиР АТ пользователь АРМ на ПУИАС формирует и передает исполнителям по каналу беспроводной связи задание на проведение работ по ТОиР, устранение неисправности (поиск и подтверждение неисправности, оформление документации, монтаж/демонтаж изделия и пр.) и, в случае необходимости замены блока/агрегата, заявку для получения запасных частей и материалов со склада АТС. Получив на мобильном терминале задание по снятию/установке блока/агрегата, исполнитель производит считывание данных с РЧИ (КРГО) метки блока/агрегата и выполняет сверку с выданным заданием и только после этого производит работы по снятию/установке блока. После проведения работ исполнитель производит запись в РЧИ (КРГО) метку блока данных о выполненной операции. Также исполнитель может дополнительно внести на метку неформализованную информацию о характере неисправности. Факт проведения работ по каждому пункту задания исполнитель подтверждает графической

подписью. Состояние исполнения работ контролируется в «реальном» времени руководящим составом ИАС.

Таким образом, автоматизация вышеперечисленных операций информационного содержания (информационных процессов), проводимых в рамках ТОиР АТ, позволит не только сократить продолжительность и трудоемкость его отдельных этапов, но и обеспечить руководящему составу ИАС возможность в «режиме реального времени» контроля и управления процессами выполнения работ на АТ, готовности АТ и оперативность принятия управленческих решений по применению АТ по назначению.

Организация информационного обмена в системе непрерывного мониторинга эксплуатации перспективных образцов АТ. Реализация непрерывного мониторинга эксплуатации перспективных образцов АТ в виде распределенной информационной системы является наиболее целесообразной, в силу автономности функций элементов системы, принадлежащих разным уровням мониторинга, и повышенной живучести системы в целом. Структура системы должна представлять собой множество информационных узлов (ИУ), относящихся к различным уровням сбора и обработки информации о состоянии АТ. Наличие иерархии в организации системы технической эксплуатации АТ позволяет отобразить этот же принцип на структуру системы непрерывного мониторинга (СНМ). На

рис. 6 приведена обобщенная структура СНМ с указанием направленности основных информационных потоков, содержащих структурированную, формализованную информацию, передаваемую в автоматическом режиме. Структура системы отражает иерархическую непосредствен-

ную подчиненность ИУ нижних уровней смежным ИУ верхних уровней и в целом представляет собой дерево, в узлах которого располагаются ИУ, а ребра соответствуют информационным связям.

Рис. 6. Структура системы мониторинга эксплуатации АТ

Согласно иерархическому построению СНМ информационные узлы ИАС нижних уровней являются источниками информации для связанных с ними ИУ ИАС верхних уровней. Особое место в иерархии узлов - источников информации занимают ИУ частей, так как они являются терминальными в дереве системы, имеют собственные средства сбора информации, информационный обмен с которыми строится по специальным протоколам, применение которых в масштабах СНМ нецелесообразно. На схеме уровень ИУ ИАС частей выделен, так как они являются первичными источниками информации для системы в целом. ИУ ИАС выполняют следующие основные функции:

- сбор и обработка информации от источников;

- представление информации в различной форме пользователям ИУ;

- формирование и передача информации в адрес ИУ верхнего уровня.

Для организации информационного обмена может использоваться ведомственная изолированная сеть типа Intranet с использованием собственных, изолированных от сети Internet каналов и оборудования передачи данных, обеспечивающих информационный обмен с использованием стека протоколов TCP/IP, либо

глобальная сеть Internet с использованием технологии VPN для организации изолированной виртуальной сети. Рассмотренные принципы организации информационного обмена в системе непрерывного мониторинга должны учитываться при разработке конкретных протоколов в ходе проектирования системы.

Выводы: полноценное решение задачи непрерывного мониторинга эксплуатации АТ может быть основано только на организации сбора необходимых данных непосредственно в процессах технической эксплуатации АТ. В техническом плане это требует расширения применяемого комплекса ИТ в составе электронного документооборота и баз данных путем включения технологий автоматической идентификации изделий, прослеживания характеристик (метрик) производственных и эксплуатационных процессов, а также беспроводных коммуникаций и мобильных устройств (терминалов, ридеров, датчиков, средств измерений и пр.) и их согласованного использования. Реализация предложенных методических и технологических решений позволит значительно повысить эффективность мониторинга эксплуатации АТ как составной части системы управления полным жизненным циклом.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Указ Президента Российской Федерации от 7 мая 2012 года № 603 «О реализации планов (программ) строительства и развития Вооруженных Сил Российской Федерации, других войск, воинских формирований и органов и модернизации оборонно-промышленного комплекса». [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://binfocom.ru/content /zakon/view/426.html (дата обращения: 16.10.2013).

2. Федеральные авиационные правила инженерно-авиационного обеспечения государственной авиации (ФАПИАО)/ МО РФ, 2005. 252 с.

3. Буряк Ю.И.Разработка программно--технологи-ческой платформы для обеспечения контроля за состоянием сложных объектов при построении территориально-распределенных автоматизированных информационных систем производственного назначения / Ю.И. Буряк, В.Г. Амирханян, В.Л. Калинин // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2012. № 8. С. 23-28.

DEVELOPMENT OF METHODOLOGICAL SOLUTIONS AND SOFTWARE AND HARDWARE COMPLEX, ENSURES THE IMPLEMENTATION OF CONTINUOUS MONITORING OF AVIATION TECHNIQUE ADVANCED MODELS OPERATION

Russian Federation State Research Center State Research Institute of Aviation Systems,

Moscow

Are proposed a methodological approach and technology solutions for solving the problem of continuous monitoring of aircraft advanced models operation as part of a total life cycle management system due to the full automation of information flows management in the "real" time mode through the coordinated use of modern information technologies complex.

Key words: continuous monitoring, operation, total life cycle, information technology, automated systems, automatic identification

Sergey Zheltov, Corresponding Member of RAS, Doctor of Technical Sciences, Professor, General Director. E-mail: info@gosniias.ru Yuriy Butyak, Candidate of Technical Sciences, Senior Research Fellow. E-mail: buryak@gosniias.ru

Mikhail Lyubovnikov, Candidate of Technical Sciences, Senior Research Fellow. E-mail: lyubovnikovm@mail.ru