Сложных технических систем

Процессы управления характерны для всех этапов жизненного цикла техни­ческих систем. Основными этапами этого цикла являются научно-исследова­тельские работы, опытно-конструкторские работы, серийное производство и эксплуатация. Очевидным является стремление решать все управленческие задачи на каждом из указанных этапов оптимальным образом. Но для этого необходимо иметь определенные научно обоснованные рекомендации, ме­тоды и методики, учитывающие специфику каждого из этапов жизненного цикла. Последнее означает, что должны быть созданы методологические основы и соответствующий теоретический аппарат, на которых могли бы базироваться конструктивные приемы и решения, принимаемые на этапах жизненного цикла технической системы.

Более детальный анализ жизненного цикла технической системы пока­зывает, что среди основных событий цикла важное место занимают испыта­ния. Испытания (ГОСТ 16504-81) — это экспериментальное определение количественных и (или) качественных свойств объекта испытаний как ре­зультата воздействия на него при его функционировании.

В процессе производства авиационной и ракетно-космической техни­ки проводится большое количество различных по сложности испытаний, начиная от самых простейших — контрольных, затем лабораторных, стен­довых и наконец до самых сложных — летных.

По мере повышения требований к характеристикам летательных аппа­ратов (ДА) и связанного с этим их технического усложнения роль испыта­ний в процессе изготовления объектов становится все более значительной. При разработке современных ЛА из-за невозможности получения адекват­ного теоретического описания примерно до 40% всех возникающих проблем решаются при помощи испытаний. При этом большая стоимость испыта­ний и длительность их проведения становятся определяющими в общих зат­ратах и сроках, необходимых для создания ЛА. Поэтому решение основной проблемы сокращения сроков создания и стоимости разработки авиацион­ной и ракетно-космической техники сводится в основном к рациональной организации процесса ее экспериментальной отработки. Для решения этой задачи необходимо провести оптимальное планирование испытаний.

В настоящее время можно с определенной степенью уверенности кон­статировать, что разработаны и существуют теоретические основы оптималь­ного проектирования технических систем, позволяющие выбирать наилуч­шие в определенном смысле конструктивные параметры, законы управления и другие характеристики систем. Но, к сожалению, еще отсутствует прием-

лемая теория испытаний и эксплуатации, позволяющая оптимизировать эти весьма важные этапы жизненного цикла сложной системы.

Вопрос о создании в ближайшие годы теории испытаний сложных тех­нических систем является чрезвычайно проблематичным. Испытания в це­лом представляют собой весьма сложный процесс, характеризующийся ог­ромной разнородностью решаемых задач, многоуровненностью этапов испытаний, неоднородностью информационных потоков, циркулирующих в самой системе испытаний, многообразием оцениваемых характеристик испытываемых систем, наличием ограниченного числа образцов, выделяе­мых на проведение испытаний, и т. п.

Различают испытания в широком и узком смыслах. Очевидно, что уз­кий смысл испытаний определяется теми конкретными задачами, которые решаются с использованием информации, полученной в процессе проведе­ния испытаний. Такими задачами могут быть доработка системы, уточне­ние ее математической модели, сдача системы заказчику, контроль состоя­ния системы, диагностика, оценка характеристик надежности и т. д. Поэтому можно говорить об испытаниях, связанных с доработкой системы и уточне­нием ее математической модели, о приемосдаточных испытаниях, об испы­таниях в целях контроля и т. д.

Основная цель испытаний в широком смысле заключается в получении информации о состоянии испытываемого объекта или системы. Эта инфор­мация в дальнейшем может использоваться для решения самых различных задач.

В любом испытании можно выделить следующие четыре этапа (фазы): планирование испытания, его проведение, обработка результатов испыта­ний, анализ полученных результатов и выработка решения. При испытании сложных дорогостоящих систем анализ результатов испытаний и выработка решений могут быть разбиты на два самостоятельных этапа.

Планирование является неотъемлемым важнейшим этапом выполнения любых работ, любых действий. В результате планирования необходимо по­лучить ответ на вопрос: что, когда и как делать. Планирование предшеству­ет организации и проведению работ. Оно заключается в составлении про­граммы действий в пространстве и во времени. Планирование характерно для всех целенаправленных действий и связано, по существу, с предвари­тельным принятием решений.

Планирование начинается с уяснения целей и задач, которые необхо­димо достигнуть и решить в процессе выполнения данной операции (сово­купности целенаправленных действий системы). Затем разрабатывается ком­плекс мероприятий, правило выбора способов действий, направленных на достижение и решение поставленных перед системой целей и задач. При этом предусматривается и решение вопросов, связанных с распределением и использованием материальных, временных, финансовых и людских ре­сурсов. Естественным является требование, чтобы план функционирования системы был в каком-то смысле наилучшим, оптимальным.

Система испытаний в общем случае является организационной систе­мой. Основные ее элементы — люди, испытываемые объекты, испытатель­ное оборудование с соответствующим математическим обеспечением.

На этапе планирования испытаний составляется программа, которая должна включать в себя цель и задачи испытаний, описание объекта испы­таний, порядок их проведения и обеспечения, объем, последовательность и методики испытаний, порядок обработки полученных результатов, форму и порядок отчетности.

Программа испытаний должна создаваться параллельно с созданием объекта. Более того, в конструкции объекта, в его компоновке должны быть учтены требования, выдвигаемые испытаниями. При проектировании уникальных объектов параллельно должно производиться проектирование и создание специального испытательного оборудования.

Проведение испытаний связано с реализацией во времени и простран­стве программы испытаний. При этом вследствие ряда причин возможны «возмущения» программы. Поэтому испытатели должны быть готовыми к необходимости выработки и принятия обоснованного оперативного реше­ния для коррекции программы или компенсации влияния возмущающих воздействий. Как правило, оптимальность этих мероприятий в значитель­ной мере определяется наличием временных, людских и материальных ре­зервов (испытываемые объекты, испытательное оборудование), которые должны быть предусмотрены на этапе планирования испытаний.

Между этапами обработки и анализа результатов испытаний не всегда можно провести четкую границу. Порой разделение этих этапов является весьма условным и во многом определяется характером испытаний и слож­ностью испытываемого объекта. Общим для обоих этапов является то, что на них производится преобразование информации. На этапе проведения испытаний информация получается (добывается), на двух последующих эта­пах она преобразуется (обрабатывается).

Во многих испытаниях этап обработки полученных результатов можно увязать с первичной (предварительной) их обработкой, при которой произ­водится предварительное осреднение данных, исключение из обработки аномальных измерений и т. д. В общем случае под первичной обработкой можно понимать процесс получения и представления (интерпретации) ста­тистических характеристик результатов прямых измерений, получаемых при испытаниях. Такими характеристиками могут быть математические ожида­ния, дисперсии, среднеквадратические отклонения (СКО), корреляцион­ные моменты или функции, законы распределения, показатели, отражаю­щие свойства точечных и интервальных оценок статистических характеристик и т. д. Все эти характеристики могут быть представлены в виде массивов чисел в памяти ЭВМ, таблиц, графиков.

Полученные таким образом результаты первичной обработки использу­ются на этапе анализа для решения задач вторичной обработки. При вто­ричной обработке находятся оценки интересующих испытателей характери­стик и параметров объекта или процесса его функционирования и вырабатываются решения, рекомендуемые администрации. Обычно эти ха­рактеристики и показатели связаны с измеряемыми переменными извест­ными соотношениями. При вторичной обработке эти соотношения исполь­зуются для нахождения искомых величин. Примерами таких величин могут быть показатели надежности или эффективности функционирования, струк­тура и параметры математической модели объекта и т. д.

По результатам вторичной обработки с учетом требований, предъявля­емых к характеристикам объекта, испытатели рекомендуют администрации те или иные решения.

Иногда испытательный режим объекта совмещается с рабочим. Это характерно для мелкосерийных или уникальных объектов, например для искусственных спутников Земли. В этих условиях различают оперативную (экспресс) и полную обработку информации. Как оперативная, так и пол­ная обработка включает в себя первичную и вторичную обработки. В этом случае трудно выделить во времени этапы сбора и анализа результатов испы­таний. Этап анализа завершается выработкой решения, т. е. обоснованных предложений руководителям (администрации) испытаний, которые учиты­вают эти предложения при принятии административных решений.

Теория испытаний изучает закономерности построения и функциони­рования системы испытаний. Основные научные проблемы этой теории связаны с разработкой и исследованием моделей объектов, средств и про­цесса испытаний.

В настоящее время в основу планирования любой операции, как пра­вило, закладывается принцип оптимальности. Для реализации этого прин­ципа необходимо иметь показатель эффективности функционирования сис­темы и модель. При решении задач планирования работы сложных систем, какой является система испытаний, приходится использовать математичес­кую модель. В связи с указанным выше на этапе планирования испытаний следует в первую очередь выбрать и обосновать показатели и критерии эф­фективности испытаний, а также построить математическую модель испы­таний. Данная проблема является достаточно сложной, и пока еще должно­го освещения в научно-технической литературе не получила. Кроме того, на этом этапе должна быть построена математическая модель и испытывае­мого объекта.

Модель испытываемого объекта используется для определения и обо­снования видов, объемов и последовательности испытаний, для выбора измеряемых и контролируемых переменных и параметров, для обоснования вида и характеристик тестовых (испытательных) сигналов и т. д.

Методы решения перечисленных задач в значительной мере определя­ются типом модели и объемом имеющейся априорной информации о харак­теристиках объекта.

На этапе планирования испытаний, кроме перечисленных, решается масса других научно-технических, научно-организационных проблем и за­дач, к числу которых можно отнести: сбор априорной информации и обо­снование методов ее учета в процессе проведения испытаний и обработки их результатов; определение форм отчетной документации; предварительный выбор методов обработки информации, получаемой при испытаниях; под­готовка вариантов принятия решений при типовых ситуациях.

При проведении испытаний начинается реализация их программы, осу­ществляется сбор информации об испытываемом объекте и его функциони­ровании. Вполне естественным является требование получения максимума информации при затрате ограниченных материальных и временных ресур­сов. В процессе испытаний в основном решаются организационные вопро­сы. Система испытаний при этом функционирует как некоторая система управления производственной и организационной деятельностью коллекти­вов людей. С этих позиций процесс выполнения испытаний может рассмат­риваться как система организационно-технического управления.

Научная проблематика и теория организационно-технических систем еще только формируются в рамках общей теории управления. Некоторые подси­стемы указанной системы могут быть рассмотрены и описаны как системы массового обслуживания.

Многие научные проблемы, возникающие при исследовании системы испытаний, связаны с наличием в этой системе людей. Функции людей при испытаниях могут быть весьма разнообразными (от оператора до руко­водителя испытаниями). Построение модели поведения каждого человека, каждой человеко-машинной (эргатической) подсистемы и всей организаци­онно-технической системы — весьма сложная задача, решение которой не­возможно без привлечения усилий специалистов различных научных направ­лений (теории управления, кибернетики, психологии, медицины).

Для испытаний, как правило, характерны динамичность, ограничен­ность временных ресурсов, оперативность. В то же время, как уже было отмечено выше, оптимальная запланированная программа испытаний на практике непрерывно возмущается. В этих условиях эффективной является та система испытаний, которая вовремя компенсирует влияние возмущаю­щих воздействий или корректирует программу испытаний за счет выработки оперативных управленческих решений.

Научные проблемы, решаемые на этапах обработки результатов изме­рений, связаны с выбором математических моделей объекта испытаний, тракта передачи и обработки измерительной информации, с обоснованием оптимальных методов обработки информации, соответствующего математи­ческого обеспечения вычислительной техники и средств отображения ин­формации и т. д.

На этапе анализа и выработки решения первостепенными задачами яв­ляются определение показателей и критериев оценки результатов испыта­ний, выбор методов идентификации, технической диагностики, методов прогнозирования технического состояния объекта.

Таким образом, идеальным вариантом книги был бы вариант, в кото­ром бы последовательно описывались теоретические и организационные ос­новы всех этапов испытаний. Авторы поставили перед собой более скром­ную задачу: показать роль испытаний в процессе создания изделий авиакосмического комплекса, описать две основные группы испытаний — наземные и летные, предложить математическую модель и сформулировать понятие эффективности испытаний, наметить пути повышения эффектив­ности испытаний — оптимальное планирование испытаний и повышение точности и достоверности их результатов путем комплексирования результа­тов отдельных вычислительных и физических экспериментов.

Учитывая, что объекты авиационной и ракетно-космической техники и их системы в процессе разработки проходят ряд различных по сложности взаимосвязанных испытаний, планирование их должно быть комплексным, охватывающим полный цикл испытаний, проводящихся на всех этапах из­

готовления объекта. Используя такой подход, представляется возможным определить объем каждого испытания, установить критерий его закончен­ности и готовности объекта для перехода к последующим испытаниям.

Испытания авиационной и ракетно-космической техники, проводящи­еся в процессе ее экспериментальной отработки, можно разбить на две ос­новные группы — наземные и летные. Для каждой из этих групп характерны свои специфические особенности как организации испытаний, так и мето­дики их проведения.

В результате комплексного планирования испытаний устанавливаются необходимые объемы наземной и летной отработки, обеспечивающие полу­чение требуемой оценки эффективности разрабатываемого объекта при наи­меньших затратах средств и времени.

Из-за сложности и высокой стоимости авиационной и ракетно-кос­мической техники изготавливать большие партии объектов для летных ис­пытаний нецелесообразно. Это обстоятельство ограничивает возможность определения эффективности объекта путем статистической обработки экс­периментального материала, полученного только при летных испытаниях, и требует разработки комбинированных методов, учитывающих информа­цию об объекте, накопленную в процессе предшествующих испытаний и теоретических расчетов. От полноты и достоверности этой априорной ин­формации зависит число летных испытаний, необходимое для определения требуемого показателя эффективности объекта.

Таким образом, из всего сказанного выше следует, что основной це­лью книги является изложение основ системного подхода к испытаниям изделий авиакосмического комплекса.

Данная работа была выполнена в рамках Программы «Научные исследо­вания высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» (раздел «Менеджмент качества, безопасность и конкурентоспособность про­дукции») Министерства образования Российской Федерации при финансо­вой и научной поддержке Московского института электромеханики и авто­матики.