Подход к оцениванию живучести сложных организационно-технических систем различного назначения

ПОДХОД К ОЦЕНИВАНИЮ ЖИВУЧЕСТИ СЛОЖНЫХ ОРГАНИЗАЦИОННО - ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Анисимов И.И.,

Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского, the_lexys@bk.ru. Толмачёв А.А., Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского, the_lexys@bk.ru. Чащин С.В.,

Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского, the_lexys@bk.ru.

Ключевые слова:

сложная организационно-техническая система, живучесть систем, метод, модель, методика.

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются различные точки зрения на основные методических вопросов теории оценки живучести сложных организационно-технических систем различного назначения, изложена авторская точка зрения в вопросе общетехнического понимания живучести.

На основе проведенного анализа работ в области исследований живучести сложных организационно-технических систем различного назначения, в качестве примера рассмотрена методика использования логико-вероятностного подхода к оцениванию живучести элементов сложных систем.

Оценка живучести сложной организационно-технической системы с помощью построения логико-вероятностных моделей живучести рассматривает модели живучести сложной организационно-технической системы, как, состоящую из совокупности согласованных частных моделей различного назначения, использующих для описания протекающих в ней процессов как детерминированные, так и вероятностные методы. Живучие системы должны быть способны поддерживать непрерывное выполнение своих основных функций, временно или постоянно отказываясь от выполнения менее важных функций, изменять свою структуру и поведение, находить и выполнять новые функции, необходимые для успешного противостояния неблагоприятным воздействиям, приспосабливаясь к условиям своего функционирования. Механизмы обеспечения живучести, входящие в такие системы, являются их неотъемлемой частью. Сложные организационно-технические системы независимо от их назначения, должны обладать способностью эффективно функционировать при получении повреждений (разрушений) или восстанавливать ее в течение заданного времени, то есть обладать свойством - живучести.

Для построения таких систем необходимо совершенствование методов и алгоритмов оценивания и обес-печения живучести. Учитывать и анализ различных типов воздействия. Применять новые архитектуры по-строения распределенных элементов сложных систем, устойчивых к внешним воздействиям.

В рамках проведенного анализа в области оценки и определения живучести сложных организационно-технических систем различного назначения, представленного в данной статье примера оценивания живучести с использованием логико-вероятностного подхода позволяют сделать вывод о, том, что существенную роль необходимо уделить созданию реализации разработанных в различных методиках-моделей живучести.

US

RESEARCH

Введение

В последние годы наблюдается значительное повышение интереса к свойству живучести сложных систем, как в теоретическом, так и в практическом отношении. Обусловлено это в первую очередь возросшим масштабом и уровнем сложности систем, что приводит к увеличению возможности «отказов» системы. В случае отказа работы системы, процесс её восстановления представляет собой трудоемкий процесс, поэтому уменьшение возможности отказов системы является одной из основных задач, которые ставятся при проектировании сложных систем. Остается так же актуальной и проблема рационального и оптимального задействования сохранившихся в системе ресурсов направленных на выполнение жизненно важных функций системы после интенсивного воздействия на нее. Решение этой проблемы требует от системы новых качеств, которыми она может и не располагать, если спроектирована для работы только в нормальных условиях эксплуатации.

Учитывая вышеизложенные проблемы, к свойству живучести и его особенностям широко применяемым в создании сложных систем различного назначения, предъявляются ряд особенных требований, которые касаются как структурной, так и функциональной части сложных систем. Требования к структурной составляющей, сводятся к выявлению уязвимых мест в топологии системы и определению степени их влияния на целостность системы, требования к функциональной составляющей сводится к определению способности системы решать стоящие перед ней задачи при изменяющихся возможностях ее элементов.

На сегодняшний день точные определения и понятия в теории живучести не сформированы должным образом, об этом можно судить исходя из большого разнообразия пред-лага-емых показателей живучести, отсутствия моделей живучести которые применялись в практике длительное время, в то же время имеются различные методики, по вопросам оценки живучести для различных систем, оперирующие разной терминологией.

Понятие живучести в различных

сферах деятельности

Для формулировки общетехнического понятия «живучесть», необходимо собрать воедино наиболее устоявшиеся определения данного свойства в различных областях техники.

В области самолетостроения [12] живучесть представляет собой способность летательного аппарата выполнять поставленную задачу в различных экстремальных условиях. Совершенствование расчетных методов оценки надежности, безопасности и живучести разрабатываемых самолетов приобретает важное значение, позволяет сократить сроки кон-структивно-технологической доводки нового самолета и значительно уменьшить объем дорогостоящих испытаний. Использование ЭВМ для хранения и выдачи информации по статистике летных происшествий, отказов и неисправностей позволяет наиболее полно учесть опыт промышленности. Имитационное моделирование с использованием как достаточно сложных, но зато и точных математических моделей, так и натурных функционирующих стендов, открывает новые перспективы для выявления недостатков конструкции нового

самолета и более раннего их устранения.

В судостроении [7] живучесть судна определена, как способность противостоять воздействию стихийных сил ветра и волн, пожаров, оружия противника, а при повреждениях сохранять и восстанавливать полностью или частично мореходность и боевые качества. Важнейшие элементы живучести судна - непотопляемость и остойчивость. Живучесть судна обеспечивается рациональностью конструкции и оборудования судна, в том числе расположением непроницаемых переборок, люков, горловин, дверей, иллюминаторов, системами сигнализации, автоматическими защитными устройствами. Отметим, что в данном определении указаны условия, когда проявляется живучесть (стихийные силы ветра и волн, пожары, оружие), стадии развития процесса и степень тяжести неблагоприятных воздействий (противостоять возникновению повреждений, при повреждениях, сохранять мореходность и боевые качества, а при их потере восстанавливать их полностью или частично), способы обеспечения живучести (ограничение неблагоприятных последствий непроницаемые переборки и пр.), стойкость, (рациональная конструкция), оповещение и управление (системы сигнализации, защитные устройства).

Живучесть системы городского электротранспорта [11] определяется способностью не прерывать работу всей системы или значительного ее участка из-за планового ремонта, аварии, повреждения контактной сети и (или) рельсового пути. При возникающих затруднениях маршруты пускаются по обходным путям, укорачиваются за счет промежуточных разворотных колец или перенаправляются на запасную конечную станцию. Для троллейбусов также возможно применение систем автономного хода. В случаях, когда работа маршрута на участке невозможна в течение длительного времени (ремонт) - вводят временные маршруты электротранспорта и компенсирующие автобусные маршруты. В некоторых случаях, когда разветвленный участок соединен с основной линией (по мосту, например) - на этом участке стараются запроектировать собственное депо. При его отсутствии организуют временные площадки для ночной стоянки. В случаях с трамваями, когда на заблокированном на длительный период участке нет разворотного кольца, применяют челноки - вагоны, сцепленные хвостами.

В электроэнергетике [4] под живучестью понимается свойство объекта противостоять возмущениям, исключая возможность последовательного развития отказа с массовым нарушением питания. Основным требованием к системе в данном случае к системе является способность противостоять переводу ее элементов в нерабочее состояние из-за отказов, вызванных нарушением внешних условий функционирования.

В вычислительных системах [8] с живучестью связывается отсутствие потерь любой задачи (функции) из-за отказов элементов. Это свойство обеспечивается развитыми средствами технического диагностирования восстановления и реконфигурации.

Общетехнические определения живучести приведены в [1, 2, 3, 9, 13]. В [2] под живучестью понимается способность систем к сохранению своих основных функций (хотя бы с допустимой потерей качества их выполнения) при воздействии факторов внешней среды катастрофического характера - неблагоприятных условий эксплуатации. Это определение близ-

ко по содержанию к определению [9]. В [1] живучесть определена как свойство объекта, заключающееся в его способности выполнять заданное назначение в процессе неблагоприятных воздействий на весь объект или отдельные его компоненты, поддерживая в допустимых пределах свои эксплуатационные показатели. В этих определениях следует обратить внимание на следующее: Во-первых, живучесть следует рассматривать как внутреннее свойство системы, которым она обладает незави-симо от возникающих в данный момент времени условий функционирования. Она обладает им всегда и в определенной мере может проявляться при нормальных условиях функционирования, когда возникают отказы элементов, вызванные производственными дефектами, старением, уходом параметров и пр. Но в полной мере живучесть проявляется при крупных внешних воздействиях, не предусмотренных условиями нормальной эксплуатации и поэтому трудно прогнозируемых, так как они создают в системе экстремальные условия функционирования. Во-вторых, живучесть проявляется в том, что система сохраняет не все функции, которые она должна выполнять при нормальной работе, а лишь основные функции, да и то с возможным понижением качества их выполнения. Это означает, что возможно изменение стратегии функционирования системы по мере увеличения тяжести неблагоприятных воздействий. В-третьих, система должна обладать свойством постепенной деградации по мере увеличения тяжести неблагоприятных последствий и для каждого уровня таких последствий уметь оперативно и максимально эффективно использовать сохранившиеся ресурсы для выполнения основных функций с учетом изменения стратегии функционирования (целевой функции), а в дальнейшем реализовать оптимальную стратегию восстановления с учетом возникающих ограничений.

В рамках данной трактовки следует понимать:

1) Живучесть - внутреннее свойство системы, которым она обладает при крупных внешних воздействиях, не предусмотренных условиями нормальной эксплуатации (в нерасчетных условиях).

2) Живучесть проявляется в том, что система сохраняет не все функции, которые она должна выполнять при нормальной работе, а лишь основные, с возможным понижением качества их выполнения. Это означает, что возможно изменение стратегии функционирования системы по мере ее деградации.

3) Система должна обладать свойством постепенной деградации по мере увеличения тяжести неблагоприятных воздействий и для каждого уровня последствий уметь оперативно и максимально эффективно использовать сохранившиеся ресурсы для выполнения основных функций с учетом изменения стратегии функционирования (целевой функции), а в дальнейшем реализовать оптимальную стратегию восстановления с учетом возникающих ограничений.

С учетом вышеизложенного можно дать общетехническое определение живучести, как свойство системы сохранять и восстанавливать способность к выполнению основных функций в заданном объеме и в течение заданного времени при изменении структуры системы и (или) алгоритмов и условий ее функционирования вследствие непредусмотренных регламентом нормальной работы воздействий.

Данное определение допускает учет последствий воздей-

ствий, влияющих на выполнение задания, а именно потери работоспособности элементов и (или) связей между ними вследствие их физического разрушения, изменения (ухудшения) технических характеристик (скорости, производительности, пропускной способности и пр.), нарушения алгоритмов функционирования, изменения внешних условий функционирования (резкое уменьшение или увеличение нагрузки).

Понятие живучесть с течением времени эволюционирует и приобретает новое содержание, что влечет за собой, не всегда своевременное закрепление данного понятия в нормативных документах.

Пути и методы оценивания живучести сложных организационно - технических систем различного назначения

Исследования, проведенные в работах [5, 6, 11], подробно рассматривают подходы к оценке и управлению свойством живучести сложных организационно - технических систем (СОТС), основанные на построении логико-вероятностных моделей живучести с использованием вероятностных и детерминированных показателей.

На пример, оценка живучести СОТС с помощью построения логико-вероятностных моделей живучести предполагает рассмотрение модели живучести СОТС, как, состоящую из совокупности согласованных частных моделей различного назначения, использующих для описания протекающих в ней процессов как детерминированные, так и вероятностные методы [14]. На основании предложенных в работе [14] подходов к оцениванию живучести СОТС, в качестве основного показателя живучести СОТС Рж может быть использован показатель оценивания живучести по результатам выполнения целевых задач, Рж = Р (№,}, Q, Б) - вероятность выполнения текущего набора целевых (функциональных) задач ^*}в условиях действия неблагоприятного внешнего воздействия (НВВ) - Q и окружающей среды - В.

Полагая, что в зависимости от интенсивности процессов выполнения задач, внешних условий функционирования и эффективности работы системы, обеспечения живучести системы в конечном счете перейдет в одно из возможных устойчивых состояний (или останется в прежнем): 1 - работоспособное, выполнение задач без ограничений (система обладает свойством живучести); 2 -работоспособное, выполнение задач с ограничениями (система обладает ограниченной живучестью); 3 - неработоспособное, возможно восстановление работоспособности (система временно не обладает живучестью); 4 - неработоспособное, восстановление сети нецелесообразно (система не обладает свойством живучести), можно, при определенных допущениях, считать:

Р {{г,}, Q, В) = Р 1фЕ; )=ПР

где Е] - событие, состоящее в связности ]-й двухполюсной сети графа О (А, Б) , отражающей]-ю функциональную подсистему (например, маршрут передачи информации в ТКС.) системе, т - количество анализируемых подсистем согласно технологии передачи информации в рамках выполнения целевых задач системы. Следовательно,

CONTROL SYSTEMS

P =ППP

, при выполнении указанных ограничений.

Для вычисления Р(Е}) необходимо, прежде всего, формализовать архитектуру системы, для построения графа , и определить математические методы расчета элементов этой системы.

На рассматриваемом промежутке времени на элемент системы могут действовать как отдельные НВВ, так и их совокупность. В последнем случае первоначально оценивается вероятность сохранения работоспособности по каждому анализируемому фактору Ри затем для суммы совместных событий находится интегральная вероятность сохранения элементом работоспособности:

P

E J

= I Pi - I П PiPj+. Viel Vi,j<eI i Ф J

...+(-11

-1 I

П Pi

i=1

где I - количество действующих на элемент поражающих факторов. Вероятности Р, вычисляются относительно факторов обстановки и природы НВВ.

Подобная логика поведения элементов сложных систем позволяет использовать для описания и оценки живучести логико-вероятностные методы.

Так, для каждого элемента, способного находится в одном из четырех указанных состо-яний можно ввести следующие логические переменные: X - индикатор работоспособности 1-го элемента (%г- = 1 - элемент работоспособен (состояния 1 и 2); = 0 - в противо-положном случае (состояния 3 и 4)) и у{ - индикатор состояния работоспособного состояния (у- = 1 - элемент работает; у, = 0 - работает с функциональными ограничениями эле-мент (восстанавливается); ZjJ=1 - индикатор у-го воздействия на 1-й элемент ( Zij=1 - воздействие -го типа действует на /-й элемент; 0 - в противном случае), тогда - индикатор общего НВВ на /-й элемент. Таким

образом, можно вывести индикаторы со-стояний элементов: = 1[А\] = х- у-2- ; Ы/2 = 1А2] = х-у- 2{ ; пв = 1[Аз] = х- Уу{ 2{ , а также относительно состояния элементов составить логические уравнения вида:у/ =/у (хк, уе, k=1, Ы, 1&М), / = / =1, N , где N - число элементов в системе; М/ - множество элементов смежных с /-м элементом.

Совокупность данных уравнений образует замкнутую систему логических уравнений, решаемую известными методами (методом определителей, методом подставки, матричным методом и т.д). При этом, решение системы логических уравнений надо проводить многократно: один раз для базовой структуры ТКС, когда все 2,-0 и еще столько же раз, сколько различных типов воздействий. В конечном счете, перебирая все типы воздействий, необходимо получить полный набор работоспособных структур ТКС, что в итоге позволит составить и преобразовать логическую функцию работоспособности ^ =/(X, У, 2) к ортогональной дизъюнктивной нормальной форме.

Помимо описано выше метода логико - вероятностного подхода к оценке живучести СОТС, в большинстве работ особое значение уделяется оценке живучести систем лишь с точки зрения структуры ее построения и позволяет достаточ-

но достоверно определять ее показатели.

Разработано несколько методик [11], применимых для ассоциативных, ассоциативно-структурных и структурных систем, в которых учитывается их связность. Однако весомости действующих в системе функциональных взаимосвязей должного значения не придается.

В работе [6] этот недостаток устранен, но в ней не предусматривается оценка степени способности системы в целом функционировать после повреждающих воздействий на ее элементы.

Методика, предложенная в [5], направлена на оценку живучести систем с точки зрения ее функциональности с учетом иерархических взаимосвязей. Но в этой работе структурный аспект живучести представлен только одним видом взаимосвязей и к тому же без учета их значимости.

В работе [10], разработана методика оценки живучести сложных систем военного назначения, позволяющая получать комплексную оценку живучести системы с точки зрения ее структурной уязвимости и функциональности. Однако применяемый математический аппарат для моделирования распространения внешних воздействий по структуре системы, не полностью учитывает все возможные последствия нежелательных воздействий.

Таким образом, можно считать, что на настоящий момент в теории живучести СОТС не обозначен устоявшийся методологический подход, позволяющий решать задачу комплексной оценки живучести сложной системы с точки зрения ее структурной уязвимости и функциональности с учетом значимости существующих в системе взаимосвязей.

Наиболее полным, является рассмотренный пример с использование логико - вероятностного метода при оценке живучести СОТС.

Заключение

Живучие системы должны быть способны поддерживать непрерывное выполнение своих основных функций, временно или постоянно отказываясь от выполнения менее важных функций, изменять свою структуру и поведение, находить и выполнять новые функции, необходимые для успешного противостояния неблагоприятным воздействиям, приспосабливаясь к условиям своего функционирования. Механизмы обеспечения живучести, входящие в такие системы, являются их неотъемлемой частью.

СОТС независимо от их назначения, должны обладать способностью эффективно функционировать при получении повреждений (разрушений) или восстанавливать ее в течение заданного времени, то есть обладать свойством - живучести.

Для построения таких систем необходимо совершенствование методов и алгоритмов оценивания и обеспечения живучести. Учет и анализ различных типов воздействия. При-менение новых архитектур построения распределенных элементов сложных систем, устойчивых к внешним воздействиям.

В рамках проведенного анализа в области оценки и определения живучести СОТС различного назначения, представленного в данной статье примера оценивания живучести с использованием логико - вероятностного подхода позво-

ляют сделать вывод о, том, что существенную роль необходимо уделить созданию реализации разработанных в различных методиках - моделей живучести.

Литература

1. Волик Б.Г., Рябинин И.А., 1984, Эффективность, надежность и живучесть управляющих систем, 'Автоматика и телемеханика № 12', С.23-25.

2. Глушков В.М., 1979, Словарь по кибернетике, р.87.

3. Горшков В.В., 1982, Логико-вероятностный метод расчета живучести сложных систем, 'Кибернетика АН УОТ -№ 1', С.104-107.

4. Каган Б.М., Долкарт В.М., Каневский М.М., 1978, Управляющий вычислительный ком-плекс с автоматической реконфигурацией для ответственных АСУ ТП, 'Кибернетические проблемы АСУ ТП', Знание, 'МДНТП', С.3-11.

5. Казаков В.И., 1977, Основы теории топогеодезического обеспечения боевых действий войск, 'Раздел 1 ВИА', С.32-36.

6. Кочкаров А.А., Малинецкий Г.Г., 2005, Обеспечение стой-

кости сложных систем. Структурные аспекты, ИПМ имени М.В.Келдыша РАН, С.45-48.

7. Прохоров А.М., 1972, Большая советская энциклопедия, 'Том № 9', 569 с.

8. Руденко Б.Н., Ушаков ИН, 1986, Надежность систем энергетики, Наука, 252 с.

9. Рябинин И.А., 1964, Теоретические основы проектирования ЭЭС кораблей, ВМА, 240 с.

10. Сафонов Р.А., 2003, Методика оценки живучести сложных систем военного назначе-ния, 'УДК 519.876', С.1-3.

11. Стекольников Ю.И., 2002, Живучесть систем, 'Политехника', 69 с.

12. Томилов Ю.М., Меднов О.Н., Свищев Г.П., 1993, 'Боевая живучесть', Большая Рос-сийская энциклопедия, С.7-10.

13. Ушаков И.Н., 1985, Надежность, в технических системах. Справочник, 'Радио и связь', 606 с.

14. Черкесов Г.Н., Черкесов Г.Н., Можаев А.С., 1991, Логико-вероятностные методы расче-та надежности структурно-сложных систем , 'Качество и надежность изделий, № 3 (15), Знание, С.3-64.

THE APPROACH TO ESTIMATION OF SURVIVABILITY OF THE DIFFICULT ORGANIZA-TIONAL - TECHNICAL SYSTEMS OF DIFFERENT FUNCTION

Anisimov I.,

Military Space Academy, the_lexys@bk.ru. Tolmachyov A.,

Military Space Academy, the_lexys@bk.ru. Chashchin S.,

Military Space Academy, the_lexys@bk.ru. Abstract

In given article the various points of view on the cores of methodical questions of the theory of an estimation of survivability of difficult organizational-technical systems of different function are considered, the point of view in a question the general technical understanding of survivability is stated avtor. On the basis of the spent analysis of works in the field of researches of survivability of difficult organizational - technical sys-tems of different function, as an example the technique of use of the logiko-likelihood approach to estimation of survivability of elements of difficult systems is considered. The estimation of survivability of difficult organizational-technical system by means of construction of logiko-likelihood models of survivability considers models of survivability of difficult organizational-technical system, as, consisting of set of the co-ordinated private models of different function using for the description of processes proceeding in it both determined, and like-lihood methods. Hardy systems should be capable to support continuous performance of the basic functions, temporarily or constantly refusing performance of less important functions, to change the structure and behaviour, to find and carry out the new functions necessary for successful opposition for adverse effects, adapting to conditions of the functioning. Mechanisms of maintenance of the surviv-ability, entering into such systems, are their integral part. Difficult organizational-technical systems irrespective of their appointment, should possess ability effectively to function at re-ception of damages (destructions) or to restore it during set time, that is to possess property - survivability. For construction of such systems perfection of methods and algorithms of estimation and survivability maintenance is neces-sary. To consider and the analysis of various types of influence. To apply new architecture of construction of the distributed ele-ments of the difficult systems steady against external influences. Within the limits of the spent analysis in the field of an estimation and definition of survivability of the difficult organizational-technical systems of different

function, the example of estimation of survivability presented in given article with use of the logiko-likelihood approach allow to draw a conclusion about, volume that it is necessary to give an essential role to creation of realisation developed in various techniques-models of survivability.

Keywords: difficult organizational-technical system, survivability of systems, a method, model, a technique.

References

1. Volik BG, Ryabinin of news agency, 1984, Efficiency, reliability and survivability of operating systems, ' Automatics and telemechanics № 12 ', pp.23-25.

2. Glushkov BM, 1979, the Dictionary on cybernetics, p.87.

3. Pots BB, 1982, the Logiko-likelihood method of calculation of survivability of difficult systems, ' Cy-bernetics of AN UOT - № 1 ', pp.104-107.

4. Kagan VM, Dolkart BM, Kanevsky MM, 1978, the Operating computer complex with automatic for re-sponsible MANAGEMENT information systems TP, ' Cybernetic problems of MANAGEMENT information system TP ', Knowledge, ' MDNTP ', pp.3-11.

5. Cossacks VI, 1977, the ory Bases maintenance of operations of armies,' Section 1VIA ', pp.32-36.

6. Kochkarov AA, Malinetsky GG, 2005, Maintenance of firmness of difficult systems. Structural aspects, IPM of M.V.Keldysh of the Russian Academy of Sciences, pp.45-48.

7. Prokhorov AM, 1972, the Big Soviet encyclopaedia, ' Volume №9 ', p.569.

8. Rudenko BN, Ushakov IN, 1986, Reliability of systems of power, the Science, p.252.

9. Ryabinin of news agency, 1964, Theoretical bases of designing EES of the ships, MMA, p.240.

10. Safonov RA, 2003, the Technique of an estimation of survivability of difficult military-oriented sys-tems, ' UDC 519.876 ', pp.1-3.

11. Stekolnikov UI, 2002, Survivability of systems, ' Politehnika ', p, 69.

12. Tomilov UM, Mednov IT, Svishchev GP, 1993, ' Fighting survivability ', the Big Russian encyclopae-dia, pp.7-10.

13. Ushakov IN, 1985, Reliability, in technical systems. A directory, ' Radio and communication ', p.606.

14. Circassians GN, Circassians GN, Mozhaev the EXPERT, 1991, Logiko-likelihood methods of calcula-tion of reliability of structurally-difficult systems, ' Quality and reliability of products, № 3 (15), Knowledge, pp.3-64.