Содержание к диссертации
Стр.
Введение 5
1. Обоснование и постановка задачи оптимизации параметров
процессов проектирование, отработки и испытаний технических
комплексов (ТК) на надежность 13
1.1. Информационно-системная формализация процесса создания
ТК заданной надёжности 13
Методологические положения информационно-системной формализации. Информационная система координат. Информационный коэффициент адекватности 14
Информационно-системная модель процесса создания ТК заданной надёжности. Информационная динамическая модель надёжности разрабатываемого ТК 30
Стоимостное моделирование информационных средств анализа, оценки и обеспечения надёжности разрабатываемого ТК 36
Структура надёжности ТК. Принципы выбора методов оценки показателей надежности (ПН) в процессе создания ТК. Комплекс алгоритмов оценки надёжности ТК в процессе проектирования, отработки и испытаний 41
Надёжностная структура ТК. Принципы выбора методов оценки ПН в процессе создания ТК 41
Комплекс алгоритмов оценки надёжности разрабатываемого ТК на этапах отработки и испытаний 55
Анализ связи точности и достоверности оценки надёжности разрабатываемого ТК с информационным коэффициентом адекватности 61
Постановка задачи оптимизации параметров процессов проектирования, отработки и испытаний ТК на надежность 67
1.4. Пути реализации задачи оптимизации параметров процессов
проектирования, отработки и испытаний ТК на надежность 74
Выводы по разделу 1 81
2. Инструменты повышения эффективности отработки ТК на на
дежность 82
Идентификация математических моделей функционирования подсистем ТК 82
Прогнозирование параметрической надёжности в процессе отработки и испытаний ТК 87
Методы теории чувствительности в задачах отработки ТК на надежность 97
Техническое диагностирование работоспособного состояния ТК
в процессе отработки и испытаний 104
2.5. Использование экспертно-статистических методов (экспертной
системы) в процессе отработки ТК на надёжность 115
2.6. Комплексный алгоритм использования инструментов 118
Выводы по разделу 2 120
3. Реализация комплексной методики повышения эффективности
процессов проектирования, отработки и испытаний ТК заданной
надежности 122
3.1. Отработка подсистем ТК на надёжность с использованием иден
тификации математических моделей 122
Отработка гидротормоза ТК 123
Отработка досылателей ТК 128
Идентификация вероятностной модели отработки оптико-механической подсистемы (ОМП) 140
3.2. Отработка подсистем ТК с применением прогнозирования па
раметрической надёжности 142
Прогнозирование параметрической надёжности при отработке оптико-механических подсистем 142
Использование прогнозирования параметрической надёжности при отработке механизмов автоматики ТК 145
3.3. Использование методов теории чувствительности и техническо
го диагностирования при отработке на надёжность ТК и его подсистем.. 150
Отработка гидротормоза на стабильность функционирования с использованием функций чувствительности 150
Применение диагностической модели при отработке на надёжность маятникового перегружателя 154
Пример диагностирования состояния оптического прибора (ОП) с использованием информационного метода 157
Выводы по разделу 3 160
4. Решение задач оптимизации параметров процессов проектиро
вания, отработки и испытаний ТК заданной надежности 161
Оптимизация параметров процесса создания ТК заданной надежности (приближение решения оптимизационной задачи надёжности 2-ого рода) 161
Оптимизация объема контрольных испытаний ТК на надёжность на основе информационно-системного подхода 172
Выводы по разделу 4 183
Заключение 184
Литература 187
Приложение 1
Введение к работе
В настоящее время особое внимание уделяется процессам создания технических комплексов (ТК) заданной надёжности. Поскольку, процесс создания ТК состоит из многих этапов, каждый этап играет свою роль в процессе создания ТК. Отработка и испытания являются завершающими этапами процесса создания ТК и непосредственно влияют на качество создаваемых ТК. В то же время, отработка и испытания являются двумя взаимодействующими процессами. По результатам испытаний проводят отработку, и наоборот - результаты отработки могут требовать продолжения испытаний.
В традиционном создании ТК проявляются главные недостатки:
Затрата больших сил, средств и времени в процессе отработки и испытаний для получения требуемого проекта по надежности. Например, этапы создания системы летательного аппарата (ЛА) с точки зрения затрат средств и времени далеко не равноценны [3]. Так, если рассмотреть расходы, связанные с выполнением программы по созданию и эксплуатации (в течение 5-10 лет) системы ЛА, то на разработку ТЗ и эскизное проектирование расходуется не свыше нескольких процентов средств, на экспериментальную отработку - до 20-40% и на эксплуатацию - 10-20%. Для некоторых программ, связанных с созданием уникальных комплексов, длительная эксплуатация которых не предусмотрена, расходы на экспериментальную отработку составляют до 90% общих расходов. Соответственно и длительность экспериментальной отработки ЛА существенно превышает продолжительность этапа проектирования.
Отсутствие современных технологий управления и обработки данных в процессах отработки и испытаний приводит к уменьшению эффективности отработки на надежность, к увеличению сроков отработки.
Недостаточная реализация возможностей моделирования на проектных этапах создания ТК заданной надежности приводит к увеличению числа доработок.
Эти недостатки медленно устраняются. Следствием сказанного является то, что принимаются некондиционные ТК по надёжностным характеристикам, принимаются ТК без достаточного объективного подтверждения соответствия образцов требованиям ТЗ по надёжностным показателям, затягиваются сроки сдачи образцов ТК заказчику из-за вынужденной длительной отработки. Это
подтверждаются данные [8], характеризующие реальную обстановку в отрасли. В частности, то, насколько «эффективна» действующая система обеспечения надёжности образцов ТК в процессе их создания, показывает соотношение временных и стоимостных затрат между этапами разработки чертёжно-конструкторской документации (1) и этапами испытаний и отработки (2) конструкций современных технических комплексов (ТК1 и ТК2) (Рис. I). Графики демонстрируют явный «перегруз» этапов испытаний и отработки и соответственно определённую «облегчённость» начальных проектных этапов, при выполнении которых конструкторско-технические решения не получили достаточных обоснований с точки зрения обеспечения требуемого уровня надёжности ТК.
1.0 0.8
0.2 0.1
0 02 025 0,8 ЮТ
Рис. I. Графики распределения относительных временных (Т) и стоимостных
(С) затрат по этапам разработки ТК1 и ТК2. Для ТК1 полные затраты и полная
продолжительность разработки: С=1,0; Т=1,0.
Указанные недостатки обуславливают противоречие между желаемым и действительным состоянием в обеспечении требуемой надёжности современных ТК.
Причины отмеченного заключаются в том, что методология и инструментарий обеспечения надёжности, используемые на проектных этапах ТК несовершенны. Это приводит к неопределённости и отсутствию достаточной гарантии в достигнутом уровне надёжности создаваемых ТК; к затягиванию процесса отработки ТК; к трудностям, с которыми постоянно сталкивается заказчик при приёмке и разработчик при сдаче продукции, вынужденные в конечном итоге принимать субъективные решения о соответствии ТК требованиям ТЗ по надёжности. Субъективизм принятых решений, в свою очередь, приводит к нерациональному расходованию средств на обеспечение надёжности ТК при их разработке, производстве и эксплуатации.
Приведенные рассуждения подтверждают обоснованность вывода о возможности разрешения обсуждаемого противоречия лишь с разработкой нового научно-обоснованного подхода для решения задачи оптимизации параметров процессов проектирования, отработки и испытаний ТК на надежность. Этот подход связан с использованием современных информационных технологий. Исследование и совершенствование методологии и инструментария для устранения указанных противоречий и повышения эффективности процесса создания ТК заданной надежности являются актуальными задачами.
В связи с этим тема диссертации: «Оптимизация параметров процессов проектирования, отработки и испытаний ТК на надежность на основе информационно-системной формализации» является актуальной.
Для решения рассматриваемых в диссертации научных задач необходимые теоретические и прикладные предпосылки имеются. Они накоплены как в области фундаментальных наук, так и в общетехнических областях.
Задачи решаются на пересечении представлений теории информации, теории систем, теории надёжности, теории проектирования ТК. При этом теория информации, развивающая классическое понятие информации, введённое Р.Шенноном, в направлении представлений о ценности, полезности информации, представлений динамической теории информации об эволюции информации, представлений о связи информации с синергетикой (самоорганизацией), приводят к пониманию связи информационных мер с представлениями об уровне организованности, упорядоченности сложных систем, сложных процессов управления. Подобные представления во взаимосвязи с методологией теории систем приводят к рассмотрению процесса создания ТК заданной надёжности, как сложной динамической информационной системы, развивающейся во времени. При этом, основной (надёжностный) аспект проблемы исследуется на основе обобщения накопленного опыта. Учитывается, что в теории надёжности, в современных разделах математической статистики, в теории вероятностей разработаны теоретические основания и математический аппарат, обеспечивающие решение прикладных инженерных задач в статистической постановке. В последнее время разрабатываются методы, позволяющие повышать эффективность процесса отработки и испытаний ТК на надежность за счет привлечения дополнительной и априорной информации, за счет более эффективного использования экспериментальных данных.
В диссертации объектом исследования является надежность создаваемого ТК. Под техническим комплексом понимается сложная техническая система, работающая в режиме высокодинамичных циклических нагружений, имеющая высокую степень автоматизации, включающая в себя разнообразные по физической природе подсистемы (механические, гидро-, пневмо-, электро-, оптико-механические, электронные, лазерные и др.) и выполняющая разнообразные функции в широком диапазоне условий эксплуатации и режимов.
Предметом исследования в диссертационной работе являются модели, алгоритмы и методы, используемые для повышения эффективности отработки и испытаний на надежность и оптимизации параметров процессов проектирования, отработки и испытаний ТК заданной надежности.
Целью диссертационной работы является исследование и выработка моделей, алгоритмов и методик, оптимизирующих параметры процессов создания ТК заданной надежности на основе информационно-системной формализации.
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие основные задачи:
Постановка и исследование решения задачи оптимизации параметров процессов проектирования, отработки и испытаний ТК на надёжность с использованием информационно-системной формализации.
Обоснование путей реализации задачи оптимизации параметров процессов проектирования, отработки и испытаний ТК на надёжность за счёт разработки инструментов и комплексного алгоритма повышения эффективности процесса отработки на надежность подсистем ТК.
Применение разработанных инструментов для демонстрации достигаемого эффекта при их реализации в процессах отработки и испытаний конкретных подсистем ТК заданной на надёжность.
Оптимизация параметров контрольных испытаний ТК на надёжность на основе информационно-системного подхода.
Разработка программного обеспечения решаемых задач.
Для решения поставленных задач в диссертации использовались научные положения теории информации, теории систем, теории проектирования ТК, теории надёжности, а также методы теории вероятностей и математической статистики, методы теории эффективности сложных систем, методы
планирования эксперимента, идентификации, теории чувствительности, теории подобия, методы принятия оптимальных решений, экспертные методы, методы статистического моделирования. Решение конкретных задач проводилось на ЦВМ с использованием стандартных и созданных в процессе работы программных средств.
В ходе решения основных задач диссертации автором получены следующие научные результаты, характеризующиеся научной новизной и значимостью, выносимые на защиту:
1. Методологические положения информационно-системной формализа
ции процесса создания ТК заданной надёжности:
Аксиоматика, информационно-системная модель процесса создания ТК заданной надёжности, информационная динамическая модель надежности создаваемого ТК, представление об "информационной системе координат" проектного этапа ТК.
Формулировка задачи оптимизации параметров процессов проектирования, отработки и испытаний ТК на надежность.
Теоретические и экспериментальные «инструменты», направленные на повышение информативности и совершенствование технологии отработки ТК на надёжность. Инструменты реализуют методы идентификации математических моделей функционирования ТК, методы прогнозирования параметрической составляющей надежности ТК, методы диагностирования работоспособного состояния отрабатываемого ТК, методы теории чувствительности, методы байесовского анализа и экспертные методы, как взаимосвязанные факторы, обобщенные в единый комплексный алгоритм.
Реализация «инструментов» при отработке конкретных подсистем ТК на надёжность.
Моделирование задачи оптимизации надежности второго рода на основе информационно-системной методологии и приближение ее решения.
Методика определения оптимального объема контрольных испытаний на надежность на основе информационно-системного подхода
Практическая ценность работы состоит в том, что:
1. Созданный комплексный алгоритм повышения эффективности системы проектирования, отработки и испытаний ТК заданной надежности является инженерным. Использование инструментов комплексного алгоритма стимули-
руют поиск оптимальных конструкторско-технических решений в достижении требуемой надёжности создаваемого ТК, в ускорении процесса отработки ТК заданной надежности.
Полученное приближение решения оптимизационной задачи надежности второго рода устанавливает практический диапазон оптимизации варьируемых параметров процессов проектирования, отработки и испытаний ТК на надежность.
Планирование контрольных испытаний на надежность по критерию полезности информации приводит к экономии средств и сокращению объёмов испытаний.
Результаты, излученные автором при работе над диссертацией в виде методологических положений, методик, математических моделей, алгоритмов, программ расчетов на ЦВМ, рекомендаций и предложений реализованы в учебном процессе и НИР БГТУ им. Д.Ф. Устинова и технического университета им. Ле Куй Дона.
Диссертационная работа состоит из четырех разделов.
В первом разделе даны обоснование и постановка задачи оптимизации параметров процессов проектирования, отработки и испытаний ТК на надёжность на основе информационно-системной формализации, на основе представления процесса проектирования ТК как информационного управляемого процесса. Информационно-системная формализация вводит представления о цели проектирования, о критериях неорганизованности и неупорядоченности проектирующей системы, об информационной системе координат каждого проектного этапа, об информационном коэффициенте адекватности. Введённая информационно-системная аксиоматика позволила разработать информационно-системную модель процесса создания ТК заданной надёжности, информационную динамическую модель надежности ТК и комплекс алгоритмов оценки надежности разрабатываемого ТК. Эти модели определили причинно-следственные информационные связи и отношения адекватности в последовательности этапов создания ТК и установили меру соответствия и информационного согласования элементов данной последовательности друг другу с учётом динамики процесса создания ТК. В разделе проведён анализ информационных средств оценки и обеспечения надежности разрабатываемого ТК и осуществлено их стоимостное моделирование.
Исходные положения и информационно-системные модели составили методологические основания для проведения точного и достоверного анализа надежности разрабатываемого ТК и для постановки задачи оптимизации параметров процессов проектирования, отработки и испытаний ТК на надёжность.
В разделе 1 рассмотрены пути реализации задачи оптимизации параметров процессов проектирования, отработки и испытаний ТК на надёжность.
Второй раздел посвящен исследованию информативности и совершенствованию технологии анализа, оценки и обеспечения надёжности ТК в процессе отработки и испытаний.
С целью сокращения временных и стоимостных затрат на параметрическую отработку конструкции ТК при одновременном достижении требуемых точности и достоверности оценивания ПН разработан комплекс взаимосвязанных мер, совершенствующих систему проектирования, отработки и испытаний разрабатываемого ТК. При этом используются методы идентификации математических моделей функционирования подсистем ТК, методы прогнозирования параметрической надёжности ТК, методы теории чувствительности для исследования стабильности функционирования подсистем ТК, методы технического диагностирования работоспособного состояния ТК в процессе отработки и испытаний, методы байесовского анализа и методы экспертного анализа для диагностирования состояния подсистем ТК. Предложенные «инструменты» обобщены в виде комплексного алгоритма.
В третьем разделе рассматриваются вопросы, связанные с реализацией комплексного алгоритма с целью повышения эффективности процесса отработки и испытаний подсистем ТК на надёжность. Проведена отработка ряда подсистем (гидротормоз, досылатель и оптико-механическая подсистема) ТК на надежность с применением идентификации проектной модели. Проведена отработка оптико-механических подсистем, механизмов автоматики ТК с применением прогнозирования параметрической надежности. Проведена отработка гидротормоза на стабильность функционирования с применением метода теории чувствительности. Проведена отработка маятникового перегружателя на надежность с применением метода технического диагностирования.
Четвертый раздел посвящен моделированию оптимизационной задачи надежности второго рода и исследованию приближения ее решения. Кроме то-
го, в данном разделе разработан метод для определения оптимального объема контрольных испытаний ТК на надёжность на основе информационно-системного подхода.
В заключении диссертации сформулированы основные результаты работы.
В приложение к диссертации представлено программное обеспечение исследованных и решенных задач, включены акты внедрения результатов работы в учебные процессы и НИР отрасли.
Автор благодарит коллектив кафедры Е1 БГТУ, профессора Белова А.В., выражает особую признательность профессору Вященко Ю.Л. за поддержку и помощь в работе над диссертацией.
