книги из ГПНТБ / Судовые системы автоматического контроля (системный подход к проектированию)

СУДОВЫЕ СИСТЕМЫ

АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ

(СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД К ПРОЕКТИРОВАНИЮ )

I КОНТРОЛЬНЫЙ

!ЭКЗЕМПЛЯР

ИЗДАТЕЛЬСТВО «СУДОСТРОЕНИЕ» ЛЕНИНГРАД • 1974

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Задачи, выполнение которых возлагается на САК судовых техни­

ческих средств, весьма разнообразны. К ним относятся преобразо­ вание первичной информации, поступающей от различных датчиков

и сигнализаторов, в обобщенную информацию о состоянии всей контролируемой системы; классификация состояний контролируе­ мой системы, т. е. соотнесение любого текущего состояния к тому или иному из стандартных состояний, определенных заранее (нор­ мальное функционирование контролируемой системы, функциони­ рование контролируемой системы, характеризуемое снижением эф­

фективности, аварийные состояния); выбор управляющих воздей­

ствий и их формирование и др.

Решение этих задач судовой САК обеспечивает поддержание

заданного уровня работоспособности технических средств судна.

Технические средства судна, являющиеся объектами контроля,

представляют собой совокупность значительно отличающихся друг от друга систем, агрегатов и устройств. Параметры, характеризу­

ющие их состояние, имеют различную физическую природу (темпе­ ратура, давление, напряжение, влажность, уровень и т. д.) и ме­ няются в широких пределах. Для определения состояний контроли­

руемой системы в состав САК должна входить специальная часть,

выполняющая сбор информации о состоянии технических средств судна, поступающей от датчиков и сигнализаторов; первичную

обработку собираемой информации (фильтрацию от помех, лине­

аризацию, аналого-цифровое- преобразование и др.); вычисление ненаблюдаемых показателей состояния технических средств (косвен­ ный контроль).

Кроме того, в состав САК должны входить классификатор собы­ тий, обеспечивающий определение уровня работоспособности, диаг­

ностику отказов контролируемых систем, прогнозирование хода технологических процессов, а также устройство выработки решения,

которое выдает информацию в систему автоматического управления и защиты, фиксирует отчетную информацию, определяет технико­ экономические показатели.

Из вышесказанного следует, что судовые САК можно отнести

к классу сложных систем, характерными признаками которых являются: многоплановость выполняемой задачи, вытекающая из

5

Средств, систем управления и контроля. Развитие методологии ком­ плексного проектирования сложных систем — системного проекти­ рования— чрезвычайно важная задача, которой в настоящее время

уделяется большое внимание [30, 69, 85].

Возникновение системного подхода дало новый толчок к иссле­

дованию методов формализации процессов принятия решений на

ранних стадиях проектирования. Методы исследования операций

позволили разработчикам применять количественные оценки во всех

практически важных случаях. Развитие теории полезности позво­ ляет внести ясность в определение таких интуитивных понятий, как «хорошее» и «плохое» решения, «достижение требуемого эффекта» и «полезный вариант».

Повышение сложности задач проектирования сделало невозмож­

ным решение их традиционными методами. В сложных проектах

разработчику трудно различить удовлетворительные и оптимальные

решения. Кроме того, существуют противоречия между сложностью

(объемом) системы, максимально эффективным объемом коллектива

разработчиков и допустимым временем проектирования системы.

В попытках разрешения этих противоречий и возник системный подход, который позволяет достичь компромисса между трудоем­

костью процесса проектирования и эффективностью получаемого

решения.

Весьма важным в системном подходе является принятие решений

на основе системы критериев. Изменение системы критериев изменяет

и полезность того или иного решения, что позволяет управлять

принятием решений как процессом.

Одна из особенностей системного подхода связана с разделением с и с т е м ы и с р е д ы . Под системой при этом понимается модель

проектируемого объекта, под средой — модель условий функциони­

рования объекта, причем понятия системы и среды на каждом этапе — относительные. Так, например, для всей САК средой можно считать систему контролируемых объектов, а для вычислительного устрой­

ция задач на подзадачи и, параллельно, разбивка системы на под­ системы. В соответствии с этим преобразуется и система критериев так, что можно говорить о декомпозиции системы критериев. Обычно такая декомпозиция критериев непосредственно невозможна. Прак­ тически для каждого этапа проектирования создается своя система критериев с одним условием: композиция критериев должна давать

оценки не ниже оценок по критериям, заданных для всей САК-

Другая особенность системного подхода состоит в том, что для создания в разумные сроки системы, удовлетворяющей некоторым требованиям, выраженным в виде технических заданий (ТЗ), отыски­

вается лучшее из возможных удовлетворительных решений, т. е. вы­ бирается ограниченное множество решений, удовлетворяющих требо-

7

ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ СУДОВЫХ САК

Проектирование сложных судовых систем — длительный и

весьма дорогостоящий процесс. Допущенные в процессе проектиро­

вания ошибочные решения ведут к значительным потерям как эко­

номического, так и морального плана. Чтобы избежать ошибочных

решений желательно параллельно разрабатывать два (или более)

варианта системы с тем, чтобы на заключительной стадии проекти­ рования отобрать лучший. Однако для сложных систем такой путь

неприемлем. В этом случае необходимо на ранних стадиях проекти­

рования уметь прогнозировать с достаточной точностью результаты разработки каждого из возможных вариантов и на основе такого прогноза выбрать оптимальный. Решение данной задачи в значитель­

ной степени связано с решением проблем информационного обеспе­

чения процесса проектирования.

Под информационным обеспечением будем понимать поиск ком­

петентных источников информации, ее получение, обработку и представление проектанту в удобном формализованном виде.

Можно выделить три группы сведений, необходимых в процессе проектирования судовых САК:

— количественные данные (условия функционирования, требо­ вания к значениям параметров, данные контролируемых систем, ограничения и т. д.);

—описание существующих технических решений (каталоги,

типовые узлы, рекламные проспекты, технические описания и т. п.);

—алгоритмы и правила принятия решений в процессе проекти­

рования (методики расчетов, критерии оценки и сравнения вариан­

тов и т. п.).

В этой главе рассматриваются вопросы получения количествен­ ных данных, т. е. методы оценки значений отдельных параметров

контролируемых систем и самих САК. Особый интерес представляет

решение этой задачи на ранних стадиях проектирования, когда она

является задачей прогнозирования. Особенности сложных судовых систем — малая серийность, изменчивость условий эксплуатации, —

часто не позволяют применить традиционные способы прогноза,

основанные на использовании экстраполяционных полиномов и статистических методов. В связи с этим возникает задача поиска новых источников информации, ее получения и оценки достоверности.

9

Одним из таких источников является опыт и интуиция высоко­

квалифицированных специалистов-экспертов по разработке и экс­ плуатации судовых автоматических систем. Получаемая путем опроса экспертов эвристическая информация может быть использо­ вана для решения различных задач проектирования.

Вопросы информационного обеспечения проектирования судовых

САК, как и других сложных судовых систем, практически в лите­ ратуре не рассматривались. В данной главе рассматриваются в основ­

ном методы прогнозирования значений технических показателей

судовых систем на ранних стадиях проектирования, которые могут

найти широкое применение в практике проектирования.

§ 1.1

ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ И ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ САК

Процесс проектирования сложной системы, какой является

судовая САК, обычно распадается на две стадии — внешнего и

внутреннего проектирования.

На первой стадии определяют цели проектирования, выполняе­ мые системой функции, формулируют основные ограничения, тре­ бующие учета. Кроме того, устанавливают взаимосвязи САК

с остальными системами судна, определяют основные принципы ее

построения, состав и распределение функций между подсистемами.

Очень важный момент внешнего проектирования — формулирование

совокупности показателей, по которым оценивается качество (эффек­

тивность) САК и определяются оптимальные характеристики си­

стемы. Разрабатываются частные технические задания для стадии

внутреннего проектирования, учитывающие всю совокупность требо­

ваний к проектируемой САК. К решению этих вопросов привлека­

ются наиболее квалифицированные специалисты, обладающие широ­ кой научно-технической эрудицией.

На второй стадии проводятся работы, связанные со структурным, логическим и монтажно-коммутационным проектированием под­ систем, устройств и блоков на базе основных требований к ним, определенных при внешнем проектировании. Внутреннее проекти­

рование осуществляется специалистами в конкретных областях

информационно-измерительной и вычислительной техники, автома­ тики и телемеханики, электроники, эргономики и т. д. Этап внеш­ него проектирования является важнейшим в разработке системы, а его результаты во многом зависят от того, какой информацией пользуются разработчики.

Каждая из двух основных стадий проектирования состоит из нескольких этапов (рис. 1.1). Так, к внешнему проектированию

относятся анализ объектов контроля, разработка основных техни­

ческих требований к САК, формулировка критериев оценки и ана­ лиз множества возможных решений (моделей систем), синтез макро­

структуры и структуры САК, определение основных характеристик

и требований к подсистемам, устройствам и узлам. Эти этапы соот­

ветствуют двум предусмотренным ЕСКД этапам проектирования —

10