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.