Архитектура интегрированных систем обеспечения эксплуатационной надежности
В.В. Воронин, д-р техн. Наук
Анализируется в общем виде система обеспечения эксплуатационной надежности в отношении определенного ряда показателей интегрированности этой системы. В данный ряд показателей включены: неоднородность эксплуатируемых технических объектов, перечень диагностических задач, множество возможных корпоративных ситуаций, разновидности инструментальных средств, необходимые виды субъектов деятельности и уровни интеллектуальности системы. Предлагается вариант архитектуры интегрированной системы обеспечения эксплуатационной надежности как необходимый сегмент архитектуры предприятия.
Ключевые слова: эксплуатационная надежность, технический объект, система технического обслуживания, архитектура системы, субъект деятельности, диагностическая экспертная система.
Введение
Комплексное свойство «надежность» - одно из важнейших для технических систем. Оно имеет существенное значение для каждого этапа жизненного цикла, а именно: уровень надежности рассчитывается на этапе проектирования, обеспечивается производством и поддерживается при эксплуатации. Такая последовательность реализуется в определенной организационной системе, которую принято называть системой обеспечения надежности и выделять в ней в соответствии с жизненным циклом три подсистемы: проектирования надежности, технического контроля, технического обслуживания.
В данной работе акцент сделан на эксплуатационной надежности технических систем и, как следствие, основное внимание уделяется архитектуре систем технического обслуживания (СТО), а точнее, - свойству интегрированности таких систем.
Под архитектурой интегрированной системы обеспечения эксплуатационной надежности понимается общая точка зрения субъектов различных видов деятельности, оформленная в виде концептуальной схемы и описания к ней, где отражены во взаимозависимости все существенные элементы данной системы, их отношения с архитектурой предприятия и его информационными технологиями.
В данную схему закладываются фундаментальные принципы и решения, определяющие технологии, инструментальные средства разработки и реализации системы, а также возможные направления будущего ее развития. Существенной особенностью архитектуры считается положение о том, что заложенные в схему решения после их утверждения с трудом поддаются изменению на любом этапе жизненного цикла системы.
В работе [1] в качестве обобщающего варианта структуры СТО предложена четырехконтурная система, включающая следующие подсистемы: контроля и защиты, функционального диагностирования, тестового диагностирования, технического обслуживания и ремонта. Это предложение интегрировано частично в отношении диагностических задач (не предусматривается прогнозирование технического состояния), частично - в отношении обязательных субъектов деятельности предприятия (не включен субъект эксплуатационной деятельности и субъект, принимающий решение), и никак не интегрировано в отношении парка разнородных основных и обеспечивающих технических систем.
В статье [2] архитектура интегрированной системы обеспечения эксплуатационной надежности анализируется в рамках функционального подхода, без предложения какого-либо структурного решения. Основное функциональное назначение системы - минимизация численности постоянно присутствующего на объектах ремонтного персонала и оптимизация общей деятельности по ремонту и техническому обслуживанию технологического оборудования. Интеграционный аспект здесь представлен задачами мониторинга и диагностики для разнородных объектов ПАО «Газпром», в видовой деятельности не учитываются субъекты эксплуатационной деятельности и принимающий решения. Программно-аппаратное обеспечения системы характеризуется лишь перечнем необходимых корпоративных функций.
В [3] предложена общая архитектура экспериментальной программно-аппаратной системы мониторинга, диагностики и прогнозирования состояния таких уникальных объектов как космические аппараты. Корпоративная ситуация здесь обязывает принимать решения по обеспечению надежности в режиме, близком к реальному времени. Содержательно представлена функциональная схема интеллектуальной системы, в основе которой лежит единственный нейросетевой подход. Такой подход снижает интеграционный уровень системы. По материалам статьи также сложно оценить этот уровень в отношении субъектов деятельности.
Статья [4] описывает методику для оценки степени интеллектуальности сложных технических систем (интеллектуальные транспортные системы, интеллектуальные энергосистемы, «умные города» и др.) на относительно высоком уровне абстрактности. Здесь утверждается важное положение о том, что целевое состояние создаваемых «с нуля» или интеллектуализируемых систем - это взаимодополняемость высокого уровня интеллектуальности и высокого качества функциональности. В отношении системы обеспечения эксплуатационной надежности данное положение характеризует еще один показатель степени интегрированности системы.
В работе [5] исследуются особенности технологии контроля и диагностирования сложных технических систем на примере бортовых автоматизированных систем управления летательных аппаратов. Предлагается концепции «быстрого прототипа», базирующаяся на интеграции встроенных и внешних программно-аппаратных средств диагностирования с типовой интеллектуальной системой поддержки принятия решений посредством специализированных интерфейсных блоков.
Таким образом, свойство интегрированности систем обеспечения эксплуатационной надежности - это многоаспектное понятие, характеризуемое целым рядом показателей.
Постановка задачи
В большинстве архитектурных решений систем обеспечения эксплуатационной надежности различных технических объектов недостаточно полно отражаются элементы множества возможных показателей интегрированности этих систем. В работе [1] в данное множество включены не в полном объеме только два показателя.
Основная задача данной работы - исследовать и раскрыть содержание комплексного свойства интегрированности в рамках архитектуры системы обеспечения эксплуатационной надежности в отношении ряда показателей: неоднородность объектных технических систем, множество диагностических задач, множество возможных корпоративных ситуаций, множество программно-аппаратных инструментальных средств, множество необходимых видов субъектов деятельности и уровень интеллектуальности системы.
Интеграция по многообразию технических систем и корпоративных ситуаций
Любая техническая система существует в пределах ограниченного временного интервала. Для фиксации этого интервала следует различать такие объектные понятия как: экземпляр технической системы (отдельный, сегодня реально существующий технический объект); серия технических объектов (множество “подобных“ экземпляров); вид технических объектов (множество “подобных” серий); тип технических объектов (множество “подобных” видов) и т.д.
Например, автомобиль LADAGrantaс определенным идентификационным номером - экземпляр; все автомобили LADAGrantaс определенной модификацией кузова - серия; все автомобили ВАЗ - вид; совокупность всех легковых автомобилей - тип. Иерархию понятий можно продолжить (автомобильные транспортные средства, летательные аппараты, железнодорожный транспорт и т.д.), ее конечная точка в рамках анализа архитектуры интегрированных систем обеспечения эксплуатационной надежности определяется существующей корпоративной ситуацией.
Каждой корпоративной ситуации соответствует своя конкретная иерархия объектных понятий. Причем она может быть шире или уже, чем в рассмотренном выше примере.
Так, если объект уникальный, то он существует и эксплуатируется в определенной организации в единственном экземпляре (например, конкретный экземпляр атомного ледокольного флота). С другой стороны, есть предприятия, в которых эксплуатируются множества экземпляров различных видов разнородных технических систем. Такой корпоративной ситуацией характеризуются, например, предприятия автомобильного, воздушного и железнодорожного транспорта. Более того, существуют корпорации, в которых система управления производственными активами является типовой для целой совокупности предприятий (например, система технического диагностирования электросетевого оборудования группы компаний ПАО "РОССЕТИ") [6].
Очевидно, каждое объектное понятие определяет свои временные границы существования соответствующих технических объектов, взаимоотношение которых иллюстрируется на рис. 1, где представлены временные шкалы отдельно для экземпляра (рис. 1.4a), серии (рис. 1.4б) и вида (рис. 1.4в).
Отрезки [t1,t2] и [ 12, 13] для каждого экземпляра являются уникальными на универсальной шкале времени в отношении значений t1, 12 и t3и в отношении их длительности на этой шкале.
Для множественных объектных понятий (серии и вида) или уникальных экземпляров следует учитывать также момент t0- начало этапа проектирования. На этапе проектирования конструкторы и технологи обязаны обеспечить будущую возможность управления эксплуатационной надежностью (решать проблемы контролепригодности, ремонтопригодности, долговечности и др.).
Отрезок [to, t1] для экземпляра серии нет смысла учитывать. Длины отрезков [t1, t2] и [12, tз] у экземпляра и у серии различны. Для серии t1- это момент начала производства первого экземпляра серии, а t2- момент, соответствующий производству последнего экземпляра серии. Условно данная ситуация обозначена на рис. 1.4б показателем степени п, значение которого зависит от числа экземпляров в серии. Аналогичная ситуация имеет место и для этапа эксплуатации. Такое определение временного отрезка этапа ведет к пониманию того, что для серии этапы жизненного цикла взаимоувязаны в итерационный процесс, который принято называть модернизацией.
Проектные решения, реализованные на этапе производства, в процессе эксплуатации находят подтверждения степени их соответствия реальным характеристикам. При определенных отклонениях в установленном порядке (например, возврат эксплуатируемых автомобилей на завод-изготовитель) эти отклонения устраняются модернизацией текущих экземпляров данной серии. Модернизация обусловлена недостатками технологии производства или ошибками в отдельных проектных решениях. Она может быть связана также с улучшением характеристик технических средств управления дегра- дационными процессами (см. рис. 1.4б).
Конкуренция и ряд других экономических и социальных факторов являются причиной другого, более глубокого итерационного процесса. Его принято называть модификацией, и он является причиной появления новых видов технических систем. Очевидно, моменты t1для экземпляра, серии и вида совпадают. Длины временных отрезков этапов производства и эксплуатации у серии и вида различаются. На рис. 1.4в этот факт обозначен условно показателем степени т, где т >n.Значения т зависят от числа серий, числа экземпляров в каждой серии и других факторов.
Модификация обычно затрагивает важные конструкторские решения, но все-таки она не выходит за рамки существующего проекта. Она не имеет непосредственной обратной связи с этапом производства и может также охватывать технические средства управления деградационными процессами. Конечно, нельзя провести четких границ между модернизацией и модификацией, но очевидно, что итерационный возврат для модификации происходит на более ранние стадии проектирования и затрагивает более ранние стадии производства.
Объектное понятие типа технической системы рассмотрено прежде всего для того, чтобы при разработке архитектуры интегрированных систем обеспечения эксплуатационной надежности учитывать опыт проектирования, производства и эксплуатации однотипных технических систем.
Объектные понятия (экземпляр, серия, вид и др.) в конкретной корпоративной ситуации характеризуют один из важных показателей степени интегрированности системы обеспечения эксплуатационной надежности - списочный состав экземпляров в каждом классе объектов, а также распределение экземпляров в каждом классе по возрастным (деградационным) категориям.
Например, для односерийных и одновидовых экземпляров объекта архитектура системы обеспечения эксплуатационной надежности в отношении конструктивных особенностей практически будет неизменной, а в отношении текущих корпоративных особенностей может существенно варьировать.
Еще одна важная характеристика корпоративной ситуации - это состав бизнес-процессов. Она делит все технические системы предприятия на основные и обеспечивающие. Требования к уровню эксплуатационной надежности первых существенно выше, чем вторых.
Объектные понятия и корпоративная ситуация обусловливают важное положение для интегрированных систем обеспечения эксплуатационной надежности, заключающееся в том, что каждый экземпляр каждого класса объектов предприятия в этой системе - единица учета текущего уровня эксплуатационной надежности.