Основные принципы исследования эффективности в технике

Методологические уровни исследования эффективности те-хнических систем. Основой изучения сложных систем служат принципы усложняющегося поведения. Эти принципы позволяют установить существенные моменты, исходные положения, лежащие в основе поведения той или иной системы в зависимости от ее сложности. В системологии (теории сложных систем) установлен ряд принципов усложняющегося поведения систем. Это принципы вещественно-энергетического баланса, гомеостазиса, выбора решений, перспективной активности и рефлексии.

Опыт исследования эффективности технических систем показывает целесообразность введения четырех качественно различных методологических уровней анализа систем.Подробно материал представлен в [8].

Принципы системных исследований эффективности. Принципиальную неформализуемость метасистем можно объяснить, исходя, в первую очередь, из теоремы Геделя о неполноте формальных систем [8]. Согласно этой теореме в рамках некоторой формальной системы невозможно вывести все истинные утверждения, относящиеся к объектам, описываемым средствами этой формальной системы. Необходима другая, более широкая система, в пределах которой формируются принципиальные положения для систем более низкого уровня, т. е. необходимо внешнее дополнение для того, чтобы справиться с геделевской трудностью. Принцип внешнего дополнения [8] является фундаментальной идеей теории систем. Для теории эффективности этот принцип имеет основополагающее значение. Роль внешнего дополнения не сводится лишь к преодолению геделевской трудности, а позволяет в определенной мере ограничить изучаемую на третьем уровне систему; вычленить ее из метасистемы как некоторую целостность; выдвинуть гипотезы поведения субъектов системы и тем самым перейти к формализованному описанию систем на уровне «организация-поведение». Внешнее дополнение согласует цели организаций и их поведение с целями деятельности метасистемы. Внешние цели деятельности метасистемы и поведение входящих в нее организаций могут быть различными.

Важным принципом системного анализа эффективности в те-хнике является принцип декомпозиции систем [8]. В схеме рассматриваемых уровней исследования его главная роль видна в том, что сложную систему третьего уровня можно расчленить на ряд менее сложных подсистем, исследования которых могут быть проведены на втором уровне. Однако расчленение систем на подсистемы требует в последующем согласования дей-ствий подсистем и решаемых ими задач с целью восстановления эмерджентных свойств системы, утрачиваемых при ее декомпозиции.

Особенности исследования эффективности технических систем на этапах жизненного цикла. В процессе становления и развития техническая система проходит несколько этапов своего жизненного цикла. Пока нет единой классификации этих этапов для всего многообразия технических систем. Полагают, например, что жизненный цикл большой технической системы целесообразно разделить на последовательные этапы. Каждый из этапов может быть раз-делен на стадии или фазы. Иногда выделяют этап совершенствования системы. Этапы во времени могут частично перекрывать друг друга. Неоднозначность выделения этапов, стадий или фаз жизненного цикла обусловлена многообразием самих систем; множественностью их целевого назначения, способов их производства и т.д. Часто этапы жизненного цикла системы объединяют в периоды. Раз-личают обычно два периода: реализационный (или период создания системы) и эксплуатационный (или период полезной жизни системы). Различают этапы внешнего и внутреннего проектирования. Внешнее проектирование сложной технической системы представляет собой процесс метасистемного описания предметной области, формирования основной концепции системы, анализа условий обстановки и выработки внешнего дополнения для проведения исследований эффективности ТС, а также выработки требований к системе и разработки технического задания (ТЗ) на основе оценки эффективности ТС по обобщенным критериям эффективности.

Процесс внешнего проектирования имеет четыре стадии: определение цели проектирования; определение объекта проектирования; синтез математической модели объекта проектирования; формализация задачи проектирования. Стадии внешнего проектирования рассмотрены в [2, 8]. На первой предварительной стадии анализируют прогнозируемые изменения внешней среды и оценивают рассогласования характеристик действующих систем относительно их требуемых значений, соответствующих допустимому уровню эффективности этих систем. Решение о разработке новой системы принимают при существенном снижении эффективности системы в прогнозируемых условиях обстановки. После всестороннего обоснования и принятия решения о разработке перспективной системы формируют цели разработки и проводят их структуризацию. Цели разработки тесно увязывают с той целью, для достижения которой создается система.

Конкретное проектирование элементов, агрегатов и подсистем в системотехнике называют внутренним проектированием. Основными стадиями внутреннего проектирования являются предварительное, эскизное и рабочее проектирование. Стадии внутреннего проектирования рассмотрены в [2, 8]. Изготовление и доводка опытного образца также являются стадией внутреннего проектирования, которое заканчивается принятием решения о серийном производстве системы (или ее элементов).

Контрольные вопросы к разделу 3.2.4

1. Дайте определения терминам: система, элемент системы, оптимальная система, критерий оптимальности, дескриптивные и оптимизационные задачи.

2. Дайте сравнительную характеристику различным методам оптимизации.

3. Из каких составляющих состоит совокупность исходных данных? Что понимается под «допустимой», «строго допустимой» и « оптимальной» системой? под критерием предпочтения?

4. Сформулируйте задачу синтеза системы. Какие методы синтеза Вы знаете? Какие основные подзадачи включает в себя синтез системы?

5. Сформулируйте задачу оптимизации параметров.

6. Сформулируйте проблему выбора критериев оптимизации.

7. Сформулируйте задачу векторного синтеза.В чем сущность методов сведения векторного синтеза к скалярному?

8. Дайте определения R, I, C, A и L-качества.

9. Сформулируйте основные положения теории эффективности, понятия «операции», «эффективность операции», «управление», «цель управления», «потенциальная эффективность операции», «факторы». Область применения теории эффективности. Связь теории эффективности и теории надежности в технике.

10. Что называется «показателем эффективности», что – «критерием эффективности» и из каких составляющих складывается последний?

11. Сформулируйте методологические уровни исследования и анализа эффективности технических систем и принципы усложняющегося поведения систем.

12. Сформулируйте терему Геделя и принцип внешнего дополнения. Сформулируйте принцип декомпозиции систем.

13. Сформулируйте этапы жизненного цикла системы, стадии внешнего и внутреннего проектирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Дисциплина «Основы конструирования и надежности электронных средств» охватывает очень большой спектр подходов к проектированию электронных и радиоэлектронных средств. Поэтому в учебных пособиях приводятся базовые сведения, и при работе по соответствующему направлению Вам придется существенно дополнить их. Автор комплекса, также, надеется, что студент не ограничится изучением пособий, а для более глубокого изучения материала обратится к первоисточникам, а также будет отслеживать появляющиеся новые материалы по изучаемым направлениям. Не следует забывать о таком средстве массовой информации, как Интернет, который сегодня является наиболее крупным источником и хранилищем информации. Имеются и официальные сайты, в частности по действующим ГОСТам, которые регламентируют все виды человеческой деятельности.

Успешное изучение материала данной дисциплины позволит Вам: проводить расчеты надежности при дипломном проектировании, в котором расчет надежности является обязательной частью расчетов; освоить часть лексикона проектировщика ЭС и без труда воспринимать материал специальных дисциплин; разобраться в основных принципах проектирования современных ЭС, и понимать, из каких соображений они вводятся; получить представление о современных направлениях создания эффективных и оптимальных в смысле выбранных (заданных) критериев изделий ЭС.

ГЛОССАРИЙ (краткий словарь основных терминов и положений)

Адекватность модели – соответствие ее реальной поверхности отклика.

Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени, или некоторой наработки без вынужденного перерыва.

Вероятность безотказной работы – вероятность того, что изделие не откажет в заданном промежутке времени, или вероятность того, что наработка изделия до отказа будет больше заданного времени работы.

Вероятность отказа – вероятность того, что в интервале времени возникает хотя бы один отказ.

Включение замещением – при отказе одного элемента (узла, блока и т. п.) вместо него включается резервный, в результате чего изделие вновь про­должает нормально функционировать.

Внешнее проектирование системы представляет собой процесс метасистемного описания предметной области, формирования основной концепции системы, анализа условий обстановки и выработки внешнего дополнения для проведения исследований эффективности системы, а также выработки требований к системе и разработки ТЗ на основе оценки эффективности системы по обобщенным критериям эффективности.

Внутреннее проектирование системы – это конкретное проектирование элементов, агрегатов и подсистем.

Генерирующее соотношение – соотношение, показывающее, какое из взаимодействий факторов принято незначимым и заменено новым фактором.

Деталь – изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций.

Дефект – неисправность, которая не приводят в процессе эксплуатации ИС к отказу.

Долговечность – свойство изделия сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при условии выполнения необходимых профилактических работ и восстановления.

Дробный факторный эксперимент - такой эксперимент, в котором число опытов меньше, чем в полном факторном эксперименте.

Иерархичность системы – каждая подсистема или элемент систе­мы может рассматриваться как система.

Изделие – любой предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на предприятии.

Интенсивность отказа – вероятность отказа в единицу времени после данного момента при условии, что отказ до этого момента времени не возникал.

Исправное состояние – состояние, при котором изделие соответствует всем предъявленным к нему требованиям.

Комплекс – два и более изделий, не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями, но предназначенных для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций.

Комплект – два и более изделий, не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями и представляющих набор изделий, имеющих общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера.

Конструирование – это часть процесса проектирования, заключающаяся в выборе структуры, пространственных, энергетических и других взаимосвязей и связей с окружающей средой, операторами и объектами; в выборе физических тел и веществ, материалов, способов обработки и установлении необходимых количественных величин (норм), обеспечивающих возможность изготовления изделия, отвечающего заданным требованиям и оптимального в смысле заданных критериев.

Коэффициент готовности изделия – вероятность того, что в момент времени t изделие находится в работоспособном состоянии (при известных начальных условиях в момент t = 0).

Коэффициент оперативной готовности – вероятность того, что изделие окажется работоспособным в момент времени t и проработает безотказно в течение заданного времени, начиная с этого момента.

Коэффициент технического использования –отношение наработки N изделий за некоторый период эксплуатации к сумме этой наработки и времени всех простоев, вызванных техническим обслуживанием и ремонтами за этот же период эксплуатации.

Критерий оптимальности – это правило, на основа­нии которого одно значение вектора показателей качества следует считать лучшим (или худшим) другого его значения.

Критерий согласия – это мера расхождения статистических и теоретических данных

Критерий эффективности – правило, позволяющее сопоставлять стратегии, характеризующиеся различной степенью достижения цели, и осуществлять направленный выбор стратегий из множества допустимых.

Матрица планирования – матрица значений кодированных факторов, расположенных по номерам опытов.

Моделирование – метод научного познания, при котором исследуемый объект замещается другим, как правило, более простым, называемым моделью, изучение которой дает возможность получить новую и ранее неизвестную информацию об исходном объекте.

Надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность изделия выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования.

Наработка – продолжительность (или объем) работы изделия, измеряемая временем (циклами, периодами и т. п.).

Наработка (средняя) до отказа – математическое ожидание наработки изделия до отказа.

Наработка на отказ – среднее значение наработки ремонти­руемого изделия между отказами.

Однородность – свойство, заключающееся в том, что все колебания измеряемых параметров определяются воз­действием случайных факторов, а не какими-либо иными при­чинами.

Операция – система целенаправленных действий, объединенных общим замыслом и единой целью.

Определяющий контраст – произведение столбцов матрицы планирования, равное 1 (или -1).

Ординарность – вероятность появления двух и более отказов в единич­ном интервале времени пренебрежимо мала по сравнению с веро­ятностью появления одного отказа.

Отказ – утрата работоспособности.

Отказ оператора – полная или частичная потеря работоспособности, в результате которой человек перестает удовлетворять хотя бы одному из требований, установленных для данного вида деяте­льности, или если оператор допустил выход системы из нормального режима в зону ненормальной работы.

Параметр потока отказов – величина, характе­ризующая среднее количество отказов в единицу времени, взятое для рассматриваемого момента времени.

Планирование эксперимента – использование математических методов планирования эксперимента с целью получения математической модели технического процесса в аналитическом виде даже при отсутствии сведений о механизме его протекания.

Показатель качества k_i системы – это такая числовая характеристика сис­темы, которая связана с ее качеством строго монотонной зависи­мостью - чем больше (чем меньше) величина k_i, тем лучше сис­тема при прочих равных условиях.

Полный факторный эксперимент – совокупность опытов, в которых реализованы все возможные сочетания уровней факторов.

Проектирование – разработка основных показателей (количественных мер), характеризующих изделие, для которого она производится, и пути их практической реализации.

Простейший поток событий характеризуется ординарностью, стационарностью и отсутствием последействия.

Работоспособность – состояние изделия, при котором его основные параметры находятся в установленных пределах.

Разработка – процесс всестороннего исследования (подготовки), предназначенный для получения заданных результатов.

Рандомизация опытов – внесение случайности в последовательность проведения опытов.

Резервирование – введение в техническое устрой­ство дополнительного числа компонентов и связей по сравнению с минимально необходимым для его нормального функционирова­ния.

Ремонтопригодность – свойство изделия, заключающееся в приспособленности его к предупреждению и обнаружению отказов и восстановлению работоспособности изделия.

Решение – в широком смысле это процесс выбора одного (рационального) варианта действий или некоторого их подмножества из множества возможных; в узком смысле решение – это результат конкретного выбора варианта действий.

Сборочная единица – изделие, составные части которого подлежат соединению между собой на предприятии-изготовителе сборочными операциями.

Сбой – кратковременный самоустраняющийся отказ.

Синтез системы – это отыскание оптималь­ной системы, кото­рая удовлетворяет совокупности исходных данных и обладает при этом значением совокупности показателей качества, наилучшим в смысле заранее выбранного критерия предпочтения.

Система – упорядоченная совокупность элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, образующих единое функциональное целое, предназначенное для решения определенных задач (достижения определенных целей).

Системный анализ – методология исследования любых объектов посредством представления их в качестве систем и анализа этих систем.

Сохраняемость – свойство изделия сохранять работоспособность в течение (и после) его хранения и/или транспортирования.

Стационарность – имеет место постоянное среднее число отказов в единичном интервале времени.

Структурность системы – возможность описания системы с помощью сети связей между ее элементами.

Управление – процесс формирования рационального (обоснованного) поведения системы в операции.

Факторы – независимые переменные величины, влияющие на протекающий технический процесс.

Функции отклика – в теории планирования эксперимента выходные величины, зависимые от факторов. Геометрический образ, соответствующий функции отклика, называется поверхностью отклика. Для этого рассматривается факторное пространство, т. е. система координат с N+1 осями.

Функционально-узловой метод конструирования – суть его состоит в том, что разрабатываемая конструкция расчленяется на функциональ­но завершенные узлы, которые могут быть отдельно сконструиро­ваны, настроены и испытаны до объединения их в готовую кон­струкцию.

Цель – идеальное представление (предвосхищение) в сознании руководителя желаемого результата операции.

Целостность системы – свойства целого не мо­гут быть поняты и оценены без знания свойств частей этого це­лого, но само целое принципиально не может быть сведено к сум­ме свойств составляющих его элементов.

Эмерджентные (интегративные) свойства – специфические системные свойства, не присущие ни одному из элементов системы.

Эргономика – прикладная наука, которая изучает чело­века и его деятельность в условиях современного производства с целью оптимизации орудий, условий и процесса труда.

Эффективность оператора – свойство достигать конечной цели и обусловленные достижением цели эффект от них.

Эффективность операции – степень различия между реальным ее результатом и желаемым результатом.