К вопросу о диагностике сложных социально-технических систем

II

МЕТОДОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СОЦИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

УДК 65.316.01

В.В. Беляков, М.Е. Бушуева К ВОПРОСУ О ДИАГНОСТИКЕ СЛОЖНЫХ СОЦИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМ. Р.Е. АЛЕКСЕЕВА

В статье рассматриваются методы и алгоритмы диагностики сложных социальнотехнических систем. Задача социально-технического диагностирования формулируется как задача определения диагностических параметров, позволяющих определить дефект в объекте. Впервые предлагаются теоретические инструменты диагностирования, позволяющие производить оценку кратных дефектов системы. Работа выполнена при частичной поддержке Отделения Науки НАТО, по программе «Наука для Мира», грант $£Р-973799.

Ключевые слова: социально-технические системы, сложные системы, диагностика, диагностическая модель, методология.

Повышение качества использования и определение действительного состояния явлений (объектов, систем, конструкций, социальных групп) есть важнейшая задача, от правильного решения которой зависит эффект их применения и взаимного с ними существования агента (субъекта). Среди всего многообразия явлений агент выделяет социально-технические системы, которые позволяют ему обеспечить себе достаточный уровень комфорта своего существования.

В обеспечении требуемого уровня качества функционирования и надежности сложных социально-технических систем особая роль принадлежит методам диагностирования и мониторинга. Резервом повышения надежности является переход от плановопредупредительного обслуживания и ремонта к обслуживанию и ремонту по действительному состоянию объекта. Использование этой стратегии обслуживания требует широкого применения средств и методов автоматизированного мониторинга (контроля) и диагностирования. В связи с этим возникает необходимость обеспечения такого свойства изделия (объекта социально-технического диагностирования), которое позволило бы с минимальными затратами достоверно определить его социально-техническое состояние. Это свойство получило название контролепригодность. Если сложный социально-технический объект проектируется (создается) без учета требований контролепригодности, то около 50-60% общего времени ремонта, восстановления, реабилитации требуется на поиск дефектов. Процент затрат времени еще более возрастает, если они являются кратными. Отсюда следует, какими огромными резервами экономии финансовых средств можно располагать при эксплуатации сложных социально-технических систем. В то же время, вопросы обеспечения контролепригодности и организации диагностирования сложных социально-технических объектов на этапе их проектирования и создания исследованы еще слабо, особенно это касается объектов, в которых возможны кратные дефекты и ставится задача их локализации. Разработка методов обеспечения контролепригодности и использование программных средств в виде паке-

та прикладных программ должно существенно упростить проектирование и создание объектов, которые обладают свойством приспособленности к социально-техническому диагностированию.

Данная работа в 2002-2003 годах была выполнена при частичной поддержке Отделения Науки НАТО, программа «Наука для Мира», грант SfP-973799 Semiconductors, и была напрямую направлена на повышение надежности сложных социально-технических объектов, работающих в сложных условиях существования и функционирования. Рассматриваемые в работе методы и алгоритмы обеспечения контролепригодности, особенно при кратных дефектах, в объекте являются частью общей проблемы обеспечения контролепригодности систем [1-3].

Обеспечение диагностирования при эксплуатации сложных социально-технических систем

Техническая диагностика. Непрерывное усложнение технических объектов и рост степени автоматизации процесса управления выдвигают на передний план проблему оптимальной организации эксплуатации сложных технических объектов. Важную роль при этом отводят определению состояния объектов, которое вследствие воздействия внешних и внутренних факторов изменяется с течением времени. Разрешением всех вопросов, связанных с определением состояния технических объектов и характера его изменения с течением времени, занимается техническая диагностика, целью которой является установление состояния объекта диагностирования. При контроле осуществляется, как правило, качественная оценка (работоспособен, неработоспособен, имеется дефект, дефект отсутствует и т.п.). Однако при измерениях и выполнении контрольных операций можно получить и количественную оценку (степень работоспособности). Решение задач технической диагностики целесообразно начинать в процессе проектирования объекта. Исходя из условий использования и эксплуатации проектируемого объекта, разрабатывают диагностические модели, эффективность которых в значительной мере зависит от степени приспособленности конструкции объекта к техническому диагностированию, а также применяемых методов и средств технической диагностики. Приспособленность конструкции объекта к техническому диагностированию определяется как контролепригодность.

Анализ диагностических моделей объекта позволяет сформулировать условие работоспособности, определить признаки неисправностей и выбрать ограниченное множество характеристик, показателей или параметров, которые следует контролировать в процессе диагностирования. При выборе методов диагностирования необходимо учитывать возможность их технической реализации, конструктивное исполнение и условия эксплуатации объекта. При этом должно быть установлено, какие встроенные или внешние технические средства будут использоваться в процессе диагностирования. В результате должны быть решены вопросы конструкционного порядка, связанные с объектом и встроенными средствами диагностирования, а также разработано техническое задание на внешние средства диагностирования.

С учетом условий эксплуатации объекта должна быть определена целесообразная степень автоматизации процесса диагностирования, разработаны функциональные и структурные схемы технических средств, выработаны принципы и форма обработки контрольной информации и получены технические решения для конкретных диагностических устройств.

Диагностические модели. Оптимальные решения задач технической диагностики сложных объектов могут быть получены только в результате анализа множества N состояний, в которых эти объекты могут находиться в период эксплуатации. В связи с этим требуются специальные методы для теоретического анализа множества возможных состояний сложных технических объектов. Подобные методы основываются на исследовании аналитических описаний или графическо-аналитических представлений основных свойств техниче-

ских объектов, как объектов диагностирования, которые могут быть названы их диагностическими моделями. Их классификация представлена на рис 1.

Дискретные модели определяют состояние объекта только для последовательности дискретных значений независимой переменной, например, времени, но без учета характера протекания процесса в промежутках.

Непрерывные модели представляют состояние объекта в том случае, когда рассматриваемые процессы протекают в непрерывно изменяющемся времени, которое является аргументом соответствующих функций. Непрерывные модели составляют наибольшую группу, так как основные процессы изменений качества технических объектов носят непрерывный характер.

Непрерывные объекты при решении задач диагностирования можно представить аналитической моделью - адекватным математическим (формульным) описанием объекта в виде совокупности функциональных соотношений, дифференциальных или передаточных функций. Аналитические модели широко используются для описания объектов любых типов, например, механических, электрических, электромеханических или пневмогидравлических. При этом неисправности объекта моделируются как недопустимые изменения значений параметров диагностирования.

Однако большой класс технических объектов не допускает использования аналитических методов моделирования по своей структуре, или же создание полной аналитической модели бывает затруднительно из-за отсутствия соответствующей информации. В этом случае для решения задачи различимости дефектов объектов механического или пневмогидрав-лического типа предлагается использовать топологическую модель. Топологическая модель задается в пространстве параметров совместным представлением совокупности физических свойств объекта и его топологии в виде графа или матрицы с указанием причинноследственных связей между физическими свойствами.

Если модель представляется в виде графа, то вершинам соответствуют параметры объекта (выходные и входные, основные и вспомогательные, структурные параметры), а дугам - известные аналитические или статистические зависимости и качественные соотношения между параметрами.

Задача технического диагностирования формулируется как задача определения диагностических параметров, позволяющих определить дефект в объекте. Множество диагностических параметров считается эффективным, если оно удовлетворяет следующим требованиям:

1) полное описание всех классов дефектов;

2) наибольшая чувствительность к изменению значений структурных параметров;

3) минимальность состава;

4) доступность для контроля и измерения;

5) минимум стоимости и времени контроля всех параметров;

6) достаточная степень разделимости при распознавании отдельных дефектов.

Наряду с топологическими моделями широкое распространение при решении задач технической диагностики получили двузначные логические модели, охватывающие большой класс реальных технических объектов, представленных блочной функциональной или структурной схемами. При построении логической модели каждому функциональному элементу ставится в соответствие совокупность логических блоков так, чтобы выход каждого логического блока характеризовался только одним параметром, и при этом оставляются только те входы, которые формируют данный выход. Применение логической модели основывается на применении допусковых способов диагностирования, характеризующихся тем, что заключение о правильности функционирования объекта делается на основании качественной оценки некоторой совокупности диагностических параметров. Если значение сигнала находится в допустимых пределах, то значение данного выходного сигнала полагается равным 1, в противном случае - 0.

Методы анализа диагностических моделей. На основе построенной модели осуществляется поиск дефектов. Программа поиска дефектов может осуществляться различными способами (см. рис.1), например, используются методы теории графов. Для этого предлагается построить упорядоченный граф, по которому строится матрица диапазонов контрольных пар, строки которой соответствуют проверкам, а столбцы - номерам блоков. При этом элементы строки равны 1, если проверки охватывают данные блоки, и 0 - в противном случае. Условие различимости дефектов формулируется как условие различимости столбцов матрицы, в случае неразличимости предполагается введение дополнительных точек контроля. В целом же методы, используемые при исследовании диагностических моделей разделяются на аналитические, графические и графоаналитические.

НЕПРЕРЫВНЫЕ ДИСКРЕТНЫЕ СПЕЦИАЛЬНЫЕ

1 і 1 1 ’

Аналитические методы позволяют применять удобные способы оптимизации и получать соотношения, характеризующие объект при изменении его состояния.

Графические методы обладают большой наглядностью и могут служить как непосредственно, так и для иллюстрации аналитических методов.

Графоаналитические методы представляют собой различные комбинации графических и аналитических методов.

Следует отметить, что в большинстве диагностических моделей и методов анализа вопросы контролепригодности рассмотрены недостаточно, что затрудняет практическое применение представленных на рис. 2. методов и соответствующим им алгоритмов диагностирования.

Классификация параметров, определяющих функционирование сложного объекта. Пусть задан сложный технический объект диагностирования. Выделим в нем такие составные части, точностью до которых желательно проводить поиск дефектов. В качестве таких частей могут быть системы, подсистемы или элементы. Нижний уровень разбиения называют сменными блоками, подразумевая при этом, что в каждом конкретном случае сменный блок может состоять как из одного, так и из нескольких съемных конструкционных узлов (деталей) или элементов.

Если отвлечься от внутренней структуры и процессов, протекающих внутри объекта (структурной единицы - сменного блока), то в общем случае его можно рассматривать (рис.3.4.) как «черный ящик», связанный с окружающим миром (другими объектами, структурными единицами, системами, средой и т.п.) через посредство внешних связей: Xг-

(г = 1,2,т) - входные параметры; у у (у = 1,2,..., п) - выходные параметры;

(к = 1,2,.,I) - внешние шумы; Ху (у = 1,2,...,£) - внутренние помехи, возникающие в

структуре объекта из-за износа, поломок и дефектов. Обычно элементы множеств {хг-} ,

{у } , {^к } , Хг} - случайные последовательности.

Множество выходных величин {у } =У называется параметрами обследуемого объекта. Среди наблюдаемого множества выходных величин имеются такие Я, которые с точки зрения конкретной задачи являются второстепенными: К ^ У, Я^0. Элементы подмножества Я характеризуют основные функции процесса, для реализации которого создан объект и они называются его характеристиками. При переходе из одного состояния в другое элементы множества У меняются и в общем случае значения выходных величин {у. } , а, следовательно, и характеристики Я, зависят от нескольких подмножеств факторов: входных величин Х={х{} ; внешних шумов {^к} ; внутренних помех {хг} , которые составляют некое

множество К ^ [ {хг }, {^ } , К}1 и начальные условия К (0) . Помехи и шумы могут быть

относительно входных величин как аддитивными, так и мультипликативными. Множество К является составной частью более широкого множества N внешних параметров (рис.4).

Внутренние параметры диагностируемой системы так же, как и значения величин

{у } , меняются в зависимости от входных сигналов {хг-} , шумов {^к} и помех{хг} .

Рис. 3. Схема сложного объекта диагностирования

N

ПРОСТРАНСТВО ВНЕШНИИХ ПАРАМЕТРОВ

Множество внутренних параметров разбиваемо на ряд подмножеств:

1. Параметры процесса функционирования объекта образуют характеристики множества подпроцессов, составляющих основной процесс функционирования структурного блока (элемента), позволяющий выполнять ему свое функциональное назначение. Эти параметры образуют множество Е, такое, что ¥ С М, У П ¥ * 0. При этом полагается, что

К П ¥ =0, то есть не пересекаются, а также У \ К = У *, У П ¥ * 0, где У * - подмножество выходных величин объекта, не являющихся характеристиками.

2. Множество вспомогательных (сопутствующих) параметров V, в которое удобно включать остальные величины подпроцессов или характеристик вспомогательных процессов, не реализующих главный процесс и описывающих побочные явления - шумы, вибрации, нагревы, биения и другие сопутствующие факторы. Множество V С М, кроме того, у п V *0, к П V = 0.

3. Структурные параметры объекта объединены в подмножество Е С М и У П Е *0, К П Е = 0. Эта группа параметров связана со способом организации объекта, то есть сюда относятся физические, химические, электрические, геометрические свойства структурных блоков, характеристик динамических звеньев и другие сведения. Способ функционирования тесно связан со структурой организации объекта (элемента, сменного блока и т.д.), под которой понимается совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих структурных элементов, свойства и характер которых имеют существенное значение для работоспособности объекта (сменного блока). Структурная организация характеризуется рядом количественных параметров, которые и относятся к классу структурных. Отражение структурной организации объекта через посредство структурных параметров отображает его техническое состояние, выявление которого и является одной из задач технического диагностирования и которое изменяется под влиянием внешних условий, воздействий управления объектом, естественного износа и качества изготовления объекта (начальные условия состояния).

4. Дефектами О С Е называется подмножество несоответствий значений множества наперед заданных значений структурных параметров объекта. Если объект работает исправно, то Б=0. Задача диагностирования согласно заключается в выявлении и оценке местонахождения элементов множества Б. Часть из них может быть найдена путем непосредственных наблюдений или измерений. Однако большая часть дефектов определяется по их косвенным проявлениям в значениях элементов множеств Я - характеристик процессов, Е - параметров функционирования, V - вспомогательных и Е - структурных параметров объекта.

5. Диагностическими параметрами называются элементы множеств Я, Е, V, Е, содержащие информацию о неисправностях, над которыми установлены наблюдение и контроль. Существуют различия между множествами величин У и диагностических параметров В. В отличие от параметров, образующих множество выходных величин, состав которого обычно не определен и не постоянен, на множество диагностических параметров накладываются дополнительные ограничения: эти параметры должны быть наиболее информативными и, кроме того, удобно измеряемыми или наблюдаемыми. Поэтому требования по составу элементов Ь е В связаны прежде всего с контролепригодностью объекта. Множество диагностических параметров, определенное на множестве вероятных состояний и дефектов, описывающих эти состояния, оптимизированное по какому-либо подходящему критерию (например, максимум информативности), образует (в выбранном формате) рабочее диагностическое пространство.

Таким образом, можно сформулировать задачу диагностирования сложного технического объекта как задачу обработки значений выходных параметров и их соответствия определенной оценке. Обобщенная процедура анализа диагностической модели. Обобщенная структура выполнения анализа диагностической модели для получения диагностического обеспечения при проектировании технического объекта приведена на рис. 5.

С целью обоснованного выбора совокупности диагностических показателей В, достаточной для решения задачи по оценке состояния технического объекта, необходимо упорядочить множество диагностических показателей, характеризующих его состояние, то есть выстроить в ряд по порядку, определяемому выбранными критериями.

Диагностическая модель объекта любого типа содержит в явном виде множество

BI^ (Bп = {ь п г } , i = 1,2,..., N ) - прямых показателей (Bп с B ), характеризующих состояние объекта. Они могут входить в диагностическую модель в виде аргументов или коэффициентов алгебраических и дифференциальных уравнений, операторов ветвей и других величин, непосредственно присутствующих в модели. В большинстве случаев в связи с технической сложностью или невозможностью, а также с учетом экономической целесообразности приходится из множества Bп прямых показателей выбирать совокупность Bп = = {ЬПг } , * = 1,2,., m ) для их замеров и оценки в процессе диагностирования. Совокупность Bп полностью упорядочивается введением отношения порядка Pl в предположении,

что Ь^= > Ьи-=у , если u ( Ьп i=p )>и (Ь,=»). где и (Ьп г) определяется на элементах Bп, и вид его зависит от специфических особенностей объекта.

Если Bп = Bп, то введенный порядок позволяет непосредственно разработать алгоритм и программу диагностирования. В этом случае программа предусматривает последовательность оценки показателей Ьп г- в порядке, определенном Р1.

Если Bп с Bп и Bп * Bп , то определяется разность 5 = Bп / Bп и выбирается подмножество Bк & = {ьк } , ] = 1,2,., п ) косвенных показателей. При этом мощность множества Bк должна быть такой, чтобы полностью компенсировать неоцениваемые прямые показатели, то есть разность 8. Подмножество косвенных показателей Bк полностью упорядочивается введением порядка Р2 в предположении, что Ьк у=р > Ьк у если V ( Ьк у=р )> V ( Ьк j ). В качестве критерия V (Ьк j ), который определяется на элементах

Bк, используется норма вектора чувствительности V (Ьк у ) =11V (Ьк у )||.

С течением времени значения прямых показателей Ьп} могут измениться, нарушая введенный порядок Р2. Поэтому после его введения целесообразно установить пределы изменения показателей Ьп 1, в которых устанавливаемый порядок Р2 сохранится, для чего авторами работы [3] предусмотрена специальная методика, которая здесь не рассматривается.

Таким образом, упорядоченное множество Bк косвенных показателей полностью определяет алгоритм и программу диагностирования (оценка Bк в порядке Р2 ).

Достаточность совокупностей прямых и косвенных показателей для оценки состояния объекта с заданной точностью определяется величиной вероятности

Р (т, п)=[Е”=1 и (Ьп, )+ЕП=1V (Ь у )][Е"1 и (Ьп, )+1 N=1V (Ь. у ^,

где т и п - числа оцениваемых прямых и косвенных показателей соответственно. При необходимости обеспечить вероятность Ро = 1 должны соблюдаться равенства т = М и п = N, то есть оцениваться все прямые и косвенные показатели.

Рис. 5. Обобщенная структура выполнения анализа диагностической модели

Если задана величина Ро < 1, то количество оцениваемых прямых и косвенных показателей выбирается с учетом вводимых порядков Р1 и Р2 так, чтобы соблюдалось условие р (т, п) > р о. Если последнее условие не удовлетворяется, то необходимо пересматривать выбранную совокупность Bп и соответственно Bк, чтобы удовлетворить требованию правильной оценки состояния объекта по заданной вероятности р о.

После того как сформированы совокупности Bп и Bк, удовлетворяющие условию

р (т, П)> ро, необходимо определить условия работоспособности (УР) и признаки наличия дефектов (ПД) в объекте. Эти условия и признаки определяются как допустимые области изменения оцениваемых показателей Bп и Bк и, следовательно, представляют собой множества {ур,} , {уру}, {ПД,}, {пду } величин пределов допустимых изменений оцениваемых показателей. После чего данный этап разработки диагностического обеспечения заканчивается выбором методов оценки прямых и косвенных показателей, характеризующих состояние объекта. В завершение процедуры разработки диагностического обеспечения строятся алгоритмы и программы диагностирования объекта.

Алгоритмы и программы диагностирования. Алгоритмы диагностирования представляют собой последовательность действий по оценке выбранных прямых B п и косвенных Bк

диагностических показателей. Они позволяют определять последовательности: выполнения проверок отдельных конструкционных частей (блоков) объекта при поиске дефектов; диагностических показателей, характеризующих работоспособность всего объекта или его отдельного блока при обнаружении в нем дефектов; операций при обработке полученной информации. Принцип построения алгоритмов во многом зависит от вида диагностической модели. Они могут строиться на основе статистических данных, характеризующих надежность объекта и стоимость выполнения отдельных операций, или исходя из анализа структуры и особенностей функционирования объектов диагностирования.

Совокупность алгоритмов по определенному принципу объединяется в программу диагностирования. К основным принципам объединения алгоритмов относятся: последовательный, параллельный и смешанный. При этом при построении программы диагностирования по одному из указанных принципов ставится задача - определить минимальное число Nmin ветвей программы исходя из следующих условий: время ее выполнения не должно

превышать допустимого; показатель готовности объекта не должен быть ниже требуемого. Чаше всего построение программ диагностирования осуществляют двумя способами: на основе теории расписаний либо комбинаторного подхода.

В первом случае программу диагностирования рассматривают как оценку множества показателей, характеризующих состояние объекта. Для каждого из них организуется определенная последовательность операций, которые характеризуются временем выполнения. Программа диагностирования представляется в виде расписания, определяющего эту последовательность. Во втором случае задачу построения программы диагностирования рассматривают как выполнение комплекса операций с помощью определенного ограниченного объема технических средств диагностирования. Каждое из них может выполнять соответствующий набор операций. Программа диагностирования представляется в виде маршрута, определяющего последовательность использования технических средств диагностирования.

Сложные технические объекты состоят из разнородных частей (структурных единиц, блоков), которые следует диагностировать через различные промежутки времени. В подобных случаях программа диагностирования должна учитывать различные периоды проверки

структурных единиц. Программу составляют в два этапа. На первом группируют отдельные блоки по периодам их проверок, а на втором - определяют последовательность проверок. Если в качестве показателей, характеризующих безотказность отдельных частей технического объекта, использовать интенсивность отказов, а для характеристики их контролепригодности - длительность диагностирования, то можно построить программу для всего объекта, ориентируясь на обеспечение требуемой величины отсутствия в нем дефекта в заданный момент времени.

Приведенные в работе метод и алгоритм многокритериального проектирования диагностических систем и их программно-алгоритмического обеспечения обладают высокой степенью универсальности и могут быть использованы в любых областях науки и техники, где требуются надежная диагностика и контроль работоспособности социально-технических объектов, систем или изделий [4].

Библиографический список

1. Беляков, В.В. Диагностика сложных технических систем / В.В. Беляков, М.Е. Бушуева // Труды первого рабочего совещания по проекту НАТО SfP-973799 Semiconductors «Разработка радио-ционно стойких полупроводниковых приборов для систем связи и прецизионных измерений с использованием шумового анализа», апрель 2001 г. - Н.Новгород: ННГУ им. Н.И.Лобачевского, ТАЛАМ, 2002. С. 63-99.

1. Беляков, В.В. Многокритериальная оптимизация контролепригодности сложных систем / В.В. Беляков, М.Е. Бушуева // Труды второго рабочего совещания по проекту НАТО SfP-973799 Semiconductors «Разработка радиоционно стойких полупроводниковых приборов для систем связи и прецизионных измерений с использованием шумового анализа», апрель 2002 г. - Н.Новгород: ННГУ им. Н.И.Лобачевского, ТАЛАМ, 2002. С. 74-84.

3. Беляков, В.В. Многокритериальная оптимизация контролепригодности диагностических систем в условиях нечеткого состояния технических объектов / В.В. Беляков, М.Е. Бушуева // Труды третьего рабочего совещания по проекту НАТО SfP-973799 Semiconductors «Разработка радиоционно стойких полупроводниковых приборов для систем связи и прецизионных измерений с использованием шумового анализа», апрель 2003 г. - Н.Новгород: ННГУ им. Н.И.Лобачевского, ТАЛАМ, 2003. С. 102-115.

4. Беляков, В.В. Многокритериальная оптимизация в задачах подвижности, конкурентоспособности автотракторной техники и диагностики сложных технических систем / В.В. Беляков, М.Е. Бушуева, В.И. Сагунов. - Н.Новгород, НГТУ, 2001. - 271 с.