Базовые сведения о надежности информационных технологий управления

Базовые сведения о надежности информационных технологий управления

Надежность как ключевой фактор развития и применения информационных технологий в управлении

Надежность автоматизированных систем управления

Основные понятия надежности

Показатели надежности АСУ

Создание надежной АСУ

Общий порядок оценки надежности АСУ

Обеспечение надежности разрабатываемой (модернизируемой) АСУ

Системная надежность компьютерных технологий управления

Информационные технологии создания надежных систем управления

Методология структурного анализа и проектирования

Сущность методологии SADT

Использование методологии IDEF при проектировании и анализе бизнес — процессов

Определение системы и модели при проектировании бизнес — процессов

Методологии IDEF

Методология IDEF и анализ стоимостных характеристик

Примеры использования надежных технологий управления

Программное обеспечение как надежная система технологий управления

Надежность программ. Разные подходы

Технологии повышения безошибочности программ

надежность информация технология управление

Надежность как ключевой фактор развития и применения информационных технологий в управлении

На протяжении всего периода применения компьютеров и компьютерных систем существует тенденция создания высоконадежных управляющих комплексов, ориентированных на получение и использование информационных ресурсов. Эта тенденция выразилась в мощном процессе создания различных видов автоматизированных систем как встроенных в уникальные объекты информационно-технологических комплексов. Это направление является важнейшим в проведении крупных мероприятий по совершенствованию технической и технологической базы систем управления, а также использовании новых методов организации управления, создания автоматизированных производств, основанных на широком применении современного программно-управляемого технологического оборудования, микропроцессорных управляющих вычислительных средств, роботов и промышленных робототехнических систем, средств автоматизации проектно-кострукторских, технологических, организационных и планово-производственных работ.

В научно-техническом отношении на этом этапе для достижения показателей надежности осуществляется синтез ряда разрозненно развивающихся направлений, таких как АСУП (системы автоматизации организационного управления предприятием), САПР (автоматизация проектирования и конструирования), СЧПУ (системы числового программного управления), АСУ ГПС (автоматизированная система управления гибкими производственными системами).

Применение вычислительной техники и средств автоматизации организационных и технологических процессов достигло такого уровня, что был поставлен вопрос о надежной крупномасштабной системной автоматизации на основе компьютерных систем. В этот период были созданы АСУП на базовых предприятиях ведущих отраслей.

При этом, поскольку проблемы надежности функционирования еще не стали основой разработки АСУ, нельзя было точно ответить, где именно и в какой степени проявится наибольший эффект от внедрения новых информационно-технологических средств — в самой технологии или в областях, связанных с организацией, технологией и управлением производства или с проектно — конструкторской и исследовательской деятельностью.

Ориентация на надежность потребовала изучения специфики автономного развития следующих направлений автоматизации: автоматизация обработки информации — автоматизированные системы управления организационными процессами (АСУП), системы автоматизированного проектирования и конструирования (САПР), автоматизация производства на базе использования технологического оборудования с компьютерным управлением (АСУ ГПС), автоматизированные системы управления технологическими процессами в дискретном производстве (АСУ ТП).

Переход к созданию интегрированных систем поставил ряд сложных проблем, связанных прежде всего с тем, что такие системы должны обеспечивать надежное согласованное функционирование территориально рассредоточенных автоматизированных систем с разными показателями надежности различного функционального назначения, базирующихся на разнородной вычислительной технике и взаимодействующих между собой средствами коммуникации.

Организационной основой информатизации управления стало развитие специализации и кооперации производства, гарантирующее надежность элементов АС и их сопряжение в новых перспективных технологиях, создание интегрированной системы управления, охватывающей все стадии жизненного цикла продукции: от формирования заказа на изделие до его поставки и обслуживания у потребителя.

Создание ИАСУ следует рассматривать как новый этап в надежной информатизации технологий управления, основанный на использовании достижений в создании надежных компонент, накопленного опыта разработки и внедрения надежных и эффективных автономных автоматизированных систем, предназначенных для различных видов производственно-хозяйственной деятельности объектов.

Анализ опыта создания надежных АСУ как этапа на пути к информационным ресурсам, формирование которых возможно лишь в рамках надежных компонентов и системных технологий, позволяет сделать вывод о том, что на их основе сложился начальный рынок относительно надежных технологий информационных компонентов (базы данных, комплексы вычислительной техники, типовые проектные решения). Однако с системных позиций теории информационных ресурсов, этот этап может быть отнесен по качественным результатам к процессам натурных исследований проблемных ситуаций. Тогда информация о состояниях параметров надежности альтернатив, которая концентрировалась и обрабатывалась в АСУ, могла рассматриваться лишь как компонент проектного и исследовательского информационного ресурса.

Принципиальные экономические ограничения деятельности фазы натурных исследований при разрешении проблемных ситуаций привели к естественному сужению этого направления информатизации технологий управления, не поддержанного своевременно экспертно-консалтинговым и модельным методами разрешения проблемных ситуаций. Кроме того, область высокой неопределенности, в которой осуществляются операции натурных исследований, надежные альтернативы, разрешение проблемных ситуаций (ПС) было с помощью АСУ возможно лишь с высоким риском, что снижало их реальную и информационную эффективность (рис. 4.1.).

Динамика развития автоматизированных систем разных классов существенно зависит от степени решения двух важнейших аспектов надежности автоматизированных систем — элементной надежности и системной надежности, включая надежность персонала АС.

Несогласованность решения этих проблем породила своеобразную динамику создания систем, отображающих общие закономерности развития надежности, включающей фазы надежной технологии, элементной и системной надежности и перехода к фазе использования нового поколения элементов.

Рис. 4.1. Схема изменения неопределенности ПС при использовании АСУ разных классов как средств информатизации Другое направление информатизации технологий управления связано с формированием экспертных информационных компонентов в целях получения информационных ресурсов. Это направление связано непосредственно с бумом развития экспертных систем (ЭС) в 80−90 гг. прошлого столетия как систем искусственного интеллекта, а также с решением проблем надежного функционирования персонала АС. Экспертные системы направлены на повышение надежности локального системного функционирования персонала АС.

Экспертные компьютерные системы-оболочки создали многомиллиардную нишу рынка средств искусственного интеллекта. Были созданы экспертные системы-оболочки (ГУРУ, Интерэксперт и др.), которые стимулировали создание авторских вариантов ЭС как интеллектуальной собственности. На рынке появились демонстрационные версии ЭС (50 — 100 решающих правил), отдельные промышленные версии.

Однако и здесь игнорирование методов надежного экономического, технологического и организационного синтеза информационных компонентов для формирования информационных ресурсов вело к неизбежному затуханию интенсивности работ этого содержательного, но локального этапа на пути к созданию и использованию информационных ресурсов

.

Рис. 4.2. Изменения неопределенности ПС в процессе локального применения компьютерных экспертных систем Локальное применение ЭС без предшествующего натурного исследования вело на начальных этапах к росту неопределенности, отсутствию области конкордации (согласия) экспертных оценок по фиксированным решающим правилам, невозможности корректного осуществления остановки экспертизы и как результат — к деградации и временному сужению ниши рынка ЭС на рынке знаний.

Третье важнейшее направление развития информационных компонентов для формирования информационных ресурсов связано с созданием алгоритмических комплексов, экономико-математических моделей. На территории СНГ это направление связано, прежде всего, с деятельностью Центрального экономико-математического института АН РФ, Института проблем управления (автоматики и телемеханики) АН РФ, ЦНИИТУ и НИИ экономико-математических методов (г. Минск) и других организаций. Активно занимались моделями информатизации ведущие зарубежные центры — практически все университеты, в том числе Гарвардский университет, Массачусетский технологический институт.

Были созданы комплексы впечатляющих, но локальных моделей без должных интерфейсов с системами натурного исследования проблем (планирование эксперимента) и экспертными системами. Созданные локальные модели на локальных примерах демонстрировали адекватность, однако их применение без соблюдения логической последовательности создания других надежных компонентов для формирования информационных ресурсов вело к возрастанию неопределенности на начальных этапах применения моделей, и, в силу естественных экономических и временных ограничений, привело к остановке модельных исследований конкретных ПС еще до их разрешения (рис. 4.3.).

Необходимо отметить, что анализ локального применения трех ненадежных основных информационных компонент для формирования и использования ИР указывает путь и позволяет прогнозировать новый этап информатизации, основанный на интеграции экономических и информационно-технологических предпосылок. Комплексно взаимосвязанное с надежными интерфейсами применение надежных технологий интегрированных информационных систем, обеспечивающих ограниченное, управляемое надежное осуществление натурного исследования ПС, ориентировано на согласованные надежные экспертно — консалтинговые процедуры, согласование и применение надежных моделей.

Рис. 4.3. Изменение неопределенности ПС в процессе локального

применения компьютерных экспертных систем В таких ИАСУ надежность достигается за счет точного плана, ограниченного натурного исследования ПС, за счет ЭС с управляемой процедурой оценки (конкордации) точки согласия и применения экспертных правил остановки экспертизы, что исключает катастрофический рост неопределенности из-за неограниченности экспертных суждений и выхода эксперта за область компетенции при разрешении ПС, за счет надежного интерфейса консалтинговой ЭС с адекватным (надежным) моделирующим комплексом. Это позволяет ограничивать начальный рост неопределенности за счет ненадежных операций, осуществляет управляемые правила остановки операций разрешения ПС, определяет точки начала и конца области информационных ресурсов. Создание партнерской системы осуществляет реальное получение и использование ИР для разрешения ПС.

При этом за счет согласованности и надежности операций взаимное влияние комплексов натурного, экспертного и модельного этапов разрешения проблемной ситуации проявляется через синергетический эффект. В этом случае экономический эффект информационных ресурсов связан с акселерацией и мультипликацией в экономических системах. Результаты согласованных взаимодействий интегрированных натурного, экспертного и модельного компонентов ведут к возникновению в результате функционирования АСУ важнейшей экономической категории — информационных ресурсов — субститута другим ресурсам для разрешения ПС.

Таким образом, для успешного разрешения проблемных ситуаций, возникающих в процессе управления, должны быть созданы надежные автоматизированные системы управления, снижающие риск принятия неверных решений до минимума. Динамика развития автоматизированных систем, объем их рынка существенно зависят от успешного решения проблем надежности компонентов и системной надежности, надежных технологий их функционирования.

Надежность автоматизированных систем управления

В данном разделе приведены основные положения по надежности АСУ, номенклатура основных показателей надежности, порядок установления требований к надежности АСУ, общие принципы оценки надежности, состав работ по обеспечению надежности АСУ. Словарь терминов по надежности, встречающихся в данном разделе, приведен в приложении.

Основные понятия надежности

Обеспечение необходимого уровня надежности требует проведения специального комплекса работ, выполняемых на разных стадиях создания и эксплуатации систем управления.

При решении вопросов, связанных с обеспечением требуемого уровня надежности АСУ, учитываются следующие особенности:

· каждая АСУ является многофункциональной системой, функции которой имеют существенно различную значимость и, соответственно, характеризуются разным уровнем требований к надежности их выполнения;

· возможно возникновение некоторых исключительных (аварийных, критических) ситуаций, представляющих сочетание отказов или ошибок функционирования системы и способных привести к значительным нарушениям функционирования объекта управления (авариям);

· в функционировании АСУ участвуют различные виды ее обеспечения и персонал, которые могут в той или иной степени влиять на уровень надежности системы управления;

· в состав каждой АСУ входит большое количество разнородных элементов: технических, программных, эргатических и др., при этом в выполнении одной функции АСУ обычно участвуют несколько различных элементов, а один и тот же элемент может участвовать в выполнении нескольких функций системы.

При решении вопросов надежности АСУ количественное описание, анализ, оценку и обеспечение надежности проводят по каждой функции АСУ в отдельности. В необходимых случаях используют также анализ возможности возникновения в системе аварийных ситуаций, ведущих к значительным техническим, экономическим или социальным потерям вследствие аварии объекта управления (или автоматизированного комплекса в целом).

Функции АСУ подразделяют на простые и составные. Для некоторых АСУ возможно построение составной функции наиболее общего вида, отображающей функционирование АСУ в целом.

Перечень функций и видов их отказов, по которым задаются требования к надежности конкретной АСУ, а также критерии этих отказов устанавливает заказчик по согласованию с разработчиком и вносит в техническое задание (ТЗ на АСУ). Для установления критериев отказов составляют перечень признаков или параметров, по которым может быть обнаружен факт возникновения каждого отказа, а при необходимости — количественных (критериальных) значений этих параметров.

Если для некоторой функции АСУ определено несколько видов отказов, существенно различающихся по причинам возникновения или по вызываемым ими последствиям, то безотказность и ремонтопригодность по этой функции задают отдельно по каждому виду отказов. При этом критерии отказов устанавливают по каждому виду отказов.

Перечень рассматриваемых аварийных ситуаций, по которым задают требования к надежности, составляет заказчик по согласованию с разработчиком и вносит в техническое задание с указанием, при каких условиях эксплуатации рассматривают возникновение каждой из приведенных аварийных ситуаций.

Уровень надежности АСУ зависит от надежности и других свойств ее технического обеспечения (комплекса технических средств), программного обеспечения и персонала, участвующего в функционировании АСУ.

Уровень надежности АСУ зависит от следующих основных факторов:

· состава и уровня надежности используемых технических средств, их взаимосвязи в надежностной структуре комплекса технических средств АСУ (КТС АСУ);

· состава и уровня надежности используемых программных средств, их содержания (возможностей) и взаимосвязи в структуре программного обеспечения АСУ (ПО АСУ);

· уровня квалификации персонала, организации работы и уровня надежности действий персонала АСУ; рациональности распределения задач, решаемых системой, между КТС АСУ, ПО АСУ и персоналом АСУ;

· режимов, параметров и организационных форм технической эксплуатации КТС АСУ;

· степени использования различных видов резервирования (структурного, информационного, временного, алгоритмического, функционального);

· степени использования методов и средств технической диагностики; реальных условий функционирования АСУ.

Совокупность технических, программных и эргатических элементов АСУ (технических и программных средств и части персонала АСУ), выделяемая из всего состава АСУ по признаку участия в выполнении некоторой (-й) функции системы, образуетю функциональную подсистему АСУ (ФП АСУ). Если для АСУ сформулирована составная функция наиболее общего вида, то соответствующая ей функциональная подсистема совпадает с системой в целом.

Анализ надежности АСУ в реализации ее функций проводят по каждой ФП АСУ в отдельности с учетом уровня надежности и других свойств входящих в нее технических, программных и эргатических элементов.

Выбор состава показателей надежности АСУ производят на основе установленных техническим заданием перечня функций системы, перечня видов их отказов и перечня аварийных ситуаций, по которым регламентируют требования к надежности.

Требуемые численные значения выбранных показателей надежности АСУ (требования к надежности) устанавливаются по определенным критериям на основе анализа влияния отказов АСУ в выполнении ее функций и аварийных ситуаций на эффективность функционирования автоматизированного комплекса (АСУ и объект управления) в целом, а также затрат, связанных с обеспечением надежности.

Оценку надежности АСУ проводят на различных стадиях создания и эксплуатации АСУ.

При разработке АСУ проводят проектную (априорную) оценку надежности системы. При опытной и промышленной эксплуатации АСУ проводят экспериментальную (апостериорную) оценку надежности системы.

Оценку надежности АСУ производят с учетом надежности КТС АСУ и, при необходимости, с учетом надежности ПО АСУ и действий персонала АСУ. Необходимость учета надежности ПО АСУ и действий персонала АСУ при оценке надежности АСУ на разных стадиях создания и эксплуатации устанавливают техническим заданием на АСУ.

Показатели надежности АСУ

В качестве показателей надежностями АСУ используют показатели, характеризующие надежность реализации функций системы и опасность возникновения в системе аварийных ситуаций.

Описание надежности АСУ по функциям (по ФП АСУ) осуществляют:

· по отдельным составляющим надежности единичным показателям;

· по нескольким составляющим надежности совместно комплексным показателям надежности.

Для описания надежности АСУ по непрерывно — выполняемым функциям (Н-функции) и по дискретно — выполняемым функциям

(Д-функции) используют различные показатели.

Описание безотказности и ремонтопригодности АСУ по

Н-функциям осуществляют с помощью единичных или комплексных показателей надежности.

Основными единичными показателями безотказности являются:

· средняя наработка системы на отказ в выполнениий функции (средняя наработка на отказй ФП АСУ) -;

· вероятность безотказного выполнения системойй функции (вероятность безотказной работый ФП АСУ) в течение заданного времени .

Допускается использовать следующие показатели:

· среднюю наработку системы до отказа в выполнениий функции (средняя наработка до отказай ФП АСУ) — ;

· параметр потока отказов системы в выполнениий функции (параметр потока отказовй ФП АСУ) — ;

· интенсивность отказов системы в выполнениий функции (интенсивность отказовй ФП АСУ) — .

Основным и единичными показателями ремонтопригодности являются:

· среднее время восстановления способности системы к выполнениюй функции после отказа (среднее время восстановленияй ФП АСУ) ;

· вероятность восстановления в течение заданного времени способности системы к выполнениюй функции после отказа (вероятность восстановленияй ФП АСУ за время) — .

Комплексными показателями безотказности и ремонтопригодности являются:

· коэффициент готовности системы к выполнениюй функции (коэффициент готовностий ФП АСУ) — ;

· коэффициент технического использования системы пой функции (коэффициент технического использованияй ФП АСУ) — K _{TC i} ;

· коэффициент сохранения эффективности системы пой функции (коэффициент сохранения эффективностий ФП АСУ) -.К _{ЭФ i}.

Описание безотказности и ремонтопригодности АСУ по

Д-функции осуществляют с помощью комплексных показателей надежности.

Основным комплексным показателем безотказности и ремонтопригодности системы в отношении выполнения еюй

Д-функции является вероятность успешного выполнения системой заданной процедуры при поступлении запроса (вероятность успешного выполнения заданной процедурый функциональной подсистемой АСУ) — .

Дополнительным комплексным показателем безотказности и ремонтопригодности системы в отношении выполнения еюй Д-функции является вероятность успешного выполнения и последовательно поступающих запросов (n).

Описание надежности АСУ по аварийным ситуациям осуществляют с помощью комплексных показателей надежности.

Показателями надежности АСУ по аварийным ситуациям являются показатели, характеризующие:

· опасность возникновения аварийной ситуации в течение некоторого заданного интервала времени нормального функционирования системы;

· опасность возникновения аварийной ситуации в результате воздействия на систему внешнего экстремального фактора.

Для описания надежности АСУ по аварийным ситуациям могут быть использованы следующие показатели:

· средняя наработка системы до возникновения в нейй аварийной ситуации при нормальных условиях функционирования АСУ — ;

· вероятность возникновения в системей аварийной ситуации в течение заданного времени при нормальных условиях функционирования АСУ — ;

· вероятность возникновения в системей аварийной ситуации в результате воздействияго экстремального воздействующего фактора .

Допускается также использование следующих показателей:

· вероятность отсутствия (невозникновения) в системей аварийной ситуации в течение заданного времени при нормальных условиях функционирования АСУ — ;

· вероятность отсутствия (невозникновения) в системей аварийной ситуации в результате воздействияго экстремального воздействующего фактора .

Описание долговечности АСУ осуществляют по АСУ в целом или, при необходимости, по отдельным ее подсистемам с помощью единичных показателей надежности.

Основными показателями долговечности являются:

· средний ресурсй подсистемы АСУ (АСУ в целом) — ;

· средний срок службый подсистемы АСУ (АСУ в целом) — .

Допускается также использовать следующие показатели:

· гамма-процентный ресурсй подсистемы АСУ (АСУ в целом) —;

o гамма-процентный срок службый подсистемы АСУ (АСУ в целом) — .

В обоснованных случаях, кроме показателей надежности АСУ, допускается использовать показатели, установленные ГОСТ 27.002 83,

ГОСТ 13 216 74, ГОСТ 21 623 76.

Создание надежной АСУ

Установление требований к надежности конкретной разрабатываемой АСУ состоит в выборе состава (номенклатуры) показателей, используемых для количественного описания надежностных свойств системы, и определении требуемых числовых значений (норм) этих показателей.

Показатели надежности вводят по каждой функции системы и по каждому виду их отказов, а также по установленным для рассматриваемой системы аварийным ситуациям.

Состав показателей надежности определяют на основе включенных в ТЗ на АСУ перечней функций, видов их отказов и тех аварийных ситуаций, для которых следует устанавливать требования к надежности.

Для каждой из указанных в ТЗ на АСУ функций и по видам их отказов вводят показатели безотказности и ремонтопригодности.

Для каждой из указанных аварийных ситуаций вводят показатели надежности.

Показатели долговечности вводят, при необходимости, для АСУ в целом либо для отдельных ее подсистем в случаях, если по условиям функционирования системы, или по иным причинам, ремонт или замена некоторых технических средств, необходимых для выполнения функций системы и отказавших или выработавших свой ресурс либо срок службы, невозможна без капитального или среднего ремонта или без реконструкции системы. Необходимость установления показателей долговечности указывают в ТЗ на АСУ.

Определение требуемых численных значений введенных показателей надежности АСУ осуществляют по заданным критериям.

Исходными данными для определения обоснованных требований к надежности АСУ являются:

· виды и критерии отказов по всем рассматриваемым функциям системы;

· уровень эффективности по всем функциям системы и величины ущербов по всем видам отказов;

· состав технических, программных и эргатических элементов, участвующих в выполнении каждой функции системы;

· возможные пути повышения надежности для каждой ФП АСУ и связанные с ними затраты;

· величины ущербов, связанных с возникновением возможных в АСУ аварийных ситуаций;

· возможные пути снижения опасности возникновения аварийных ситуаций и связанные с ними затраты.

Требования к надежности АСУ определяют в основном путем сопоставления потерь, связанных с отказами АСУ в выполнении функций и возникновением аварийных ситуаций, и затрат, связанных с обеспечением и повышением надежности АСУ (включая удорожание обслуживания).

Требования к надежности АСУ устанавливают по согласованию между разработчиком и заказчиком АСУ при разработке ТЗ на АСУ.

Общий порядок оценки надежности АСУ

Оценку надежности АСУ (по функциям и по аварийным ситуациям) проводят:

· при разработке системы с целью прогноза ожидаемого уровня надежности АСУ (проектная, априорная оценка);

· при вводе системы в эксплуатацию и в процессе ее функционирования с целью определения фактически достигнутого уровня надежности АСУ и проверки его соответствия требованиям к надежности, установленным в ТЗ на АСУ (экспериментальная, апостериорная оценка).

Проектную оценку надежности АСУ, в зависимости от особенностей системы и стадии ее создания, проводят с учетом свойств:

· только комплекса технических средств АСУ;

· КТС АСУ и программного обеспечения АСУ;

· КТС АСУ и персонала АСУ;

· КТС АСУ, ПО АСУ и персонала АСУ.

Проектная оценка надежности АСУ с учетом только КТС АСУ, проводимая на начальных этапах разработки системы, является ориентировочной и ее используют для предварительного определения состава и структуры КТС АСУ.

Проектная оценка надежности АСУ с учетом КТС АСУ и персонала, проводимая при разработке эскизного проекта системы, является ориентировочной, и ее используют для определения целесообразного уровня автоматизации управления объектом, распределения задач между техническими средствами и персоналом АСУ в выполнении функций системы.

Проектную оценку надежности АСУ с учетом КТС АСУ и ПО АСУ проводят при разработке технического проекта и используют для уточнения состава и структуры КТС АСУ, определения требований к надежности, а также выбора способов повышения надежности функционирования технического и программного обеспечения системы.

Проектная оценка надежности АСУ с учетом КТС АСУ, ПО АСУ и персонала АСУ, приводимая при разработке рабочего проекта системы, является более полной, и ее используют для уточнения состава и структуры КТС АСУ, состава и структуры ПО АСУ, состава и структуры задач персонала АСУ, а также, для уточнения взаимодействия КТС, ПО АСУ и персонала АСУ (компонентов АСУ) в реализации функций системы.

Проектную оценку надежности АСУ допускается проводить следующими методами:

· аналитическими;

· вероятностного моделирования;

· комбинированными, представляющими собой сочетание аналитических методов и методов моделирования;

· экспертными.

Экспериментальная оценка надежности АСУ учитывает совместное (результирующее) воздействие на уровень надежности системы КТС АСУ, ПО АСУ и действий персонала АСУ, а также всех реально воздействующих факторов внешней среды, режимов и параметров технической эксплуатации, режимов функционирования системы, внешних помех.

Экспериментальную оценку надежности АСУ допускается проводить:

· путем организации и проведения специальных испытаний на надежность;

· путем сбора и обработки статистических данных о надежности АСУ в условиях ее опытного и промышленного функционирования;

· комбинированными методами, использующими оба эти направления;

· расчетно-экспериментальными методами.

Необходимость проведения оценок надежности АСУ на различных стадиях ее создания и функционирования, методы получения таких оценок, а также состав оцениваемых при этом показателей надежности АСУ указывается в ТЗ на АСУ. Методы проектной и экспериментальной оценок надежности АСУ на разных стадиях создания и эксплуатации системы выбирают с учетом особенностей конкретной разрабатываемой (модернизируемой) АСУ и конкретных условий ее разработки. Учитывается наличие инженерных методик, алгоритмов и программ решения задач оценки надежности, наличие необходимых исходных данных для использования определенного метода и возможности проведения испытаний необходимого объема и пр. При проведении проектной и экспериментальной (расчетно-экспериментальными методами) оценок надежностями АСУ следует использовать данные по надежности элементов АСУ, приведенные в документации их изготовителей и разработчиков, в официальных отчетах об эксплуатации элементов АСУ, а также в справочниках.

Обеспечение надежности разрабатываемой (модернизируемой) АСУ

Необходимый уровень надежности конкретной АСУ обеспечивают специальным комплексом работ, проводимых на всех стадиях создания и функционирования АСУ.

К обязательным работам по обеспечению надежности АСУ, которые следует выполнять в процессе создания любой АСУ, относят:

· анализ состава и содержания функций разрабатываемой (модернизируемой) АСУ, определение конкретного содержания понятия «отказ» и критериев отказа по каждому виду отказов для всех функций системы; анализ, при необходимости, аварийных ситуаций в АСУ, определение конкретного содержания понятия «аварийная ситуация» для данной АСУ и критериев аварийной ситуации по каждой из рассматриваемых ситуаций;

· выбор состава показателей надежности по всем функциям АСУ, указанным в ТЗ на АСУ и, при необходимости, по всем аварийным ситуациям, и определение требований к уровню их значений;

· выбор методов оценки надежности АСУ на различных стадиях ее создания и функционирования;

· проведение проектной оценки надежности АСУ при разработке технического проекта системы;

· определение режимов и параметров технической эксплуатации АСУ.

Состав, содержание и последовательность выполнения работ по обеспечению надежности системы устанавливают в «Программе обеспечения надежности АСУ», которую составляют для каждой вновь разрабатываемой или модернизируемой АСУ с учетом специфики системы и условий ее функционирования, важности выполняемых ею функций, требуемого уровня надежности, общего объема затрат на создание, а также особенностей ее создания (наличия необходимых исходных данных, сведений о надежности систем-аналогов и применяемых элементов и пр.).

Создание компьютерных систем управления должно базироваться на точном анализе возможностей реального построения системы и достижения ее целей. Для этого используют экономико-математические методы и модели, позволяющие создать надежные автоматизированные системы управления.

Системная надежность компьютерных технологий управления

При создании интегрированных систем автоматизированного управления важна роль оптимизационных расчетов, заключающаяся в определении условий, при которых существует заданное значение целевой функции принимаемое за экстремум. Чтобы считать систему интегрированной относительно заданной функции цели, ограничения должны соответствовать реальным возможностям управления ИАСУ. Характеристикам реализуемости АСУ могут служить показатели надежности. Эти взаимосвязанные значения ограничений образуют базу интеграции.

Комплекс оптимизационных расчетов играет роль системы управления базой интеграции, которая периодически обновляется.

Характеристикой реализуемости АСУП, АСУТП и других видов АСУ могут служить показатели надежности.

База интеграции может содержать разделы, отражающие оптимизационные расчеты показателей надежности АСУП и АСУТП, при которых распределение ресурсов на разработку этих компонентов при проектировании и функционировании, обеспечивает получение заданного эффекта.

Одно из направлений комплексной автоматизации управления связано с созданием организационно-технологических АСУ, относящихся к таким разновидностям интегрированных АСУ (АСУОТ), в которой согласованно функционируют АСУ технологическими процессами (АСУТП) и АСУ организационно-экономического типа (АСУП). В процессе функционирования АСУОТ согласованно решаются объединенные в комплекс задачи АСУП и АСУТП, образующие функциональную часть АСУОТ (рис. 4.4). В этих условиях параметры надежности функционирования элементов АСУП и АСУТП, в качестве которых выступают персонал и средства обеспечивающей части, должны быть согласованы, что определяет необходимость согласованного распределения ресурсов на создание АСУП и АСУТП.

Согласованное распределение ресурсов между различными компонентами автоматизированных систем, например АСУТП и АСУП, ведет к формированию, объединенных единой базой интеграции и системной технологией, организационно-технологических АСУ.

АСУТП может быть представлена взаимодействующими элементами: «производственный персонал — средства автоматизации — технологическое оборудование». Компенсацию потока различных нарушений в технологическом процессе обеспечивает система автоматизированного организационного управления (АСУП). Параметры элементов АСУТП и АСУП связаны между собой. Оба вида систем достаточно сложные, многоэлементные с большим числом состояний. Для таких систем и их объединения в виде АСУОТ справедливы соотношения, связывающие энтропию распределения параметров надежности элементов, определяющих состояния систем, вызванных ненадежностью работы персонала и средств АСУОТ.

Анализ совместного функционирования систем технологического и организационного управления позволяет решить важный вопрос стратегии автоматизации, оптимально распределить ресурсы, затрачиваемые на автоматизацию каждой из систем.

Надежность каждого из элементов АСУП и АСУТП характеризуется произведением величины Кг (коэффициент готовности), Ро (вероятность безотказной работы) и Рs (вероятность безошибочной работы).

Те же параметры надежности могут характеризовать работу персонала АСУТП, обслуживающего технологическое оборудование, а также персонала АСУП, обслуживающего организационное управление. Низкое значение произведения величин К_г, Р_s, Р_о в неавтоматизированной системе определяется значительными информационными ошибками. Взаимодействие персонала с устройствами АСУТП и АСУП направлено на улучшение параметра

R=K_гP_oP_s.

Информационные аспекты, связанные с оценкой деятельности персонала АСУП и АСУТП, позволяют оценить составляющие параметра R=K_гP_oP_s для персонала и его изменение в условиях автоматизированного управления.

Параметр состояния R в каждой системе (АСУТП или АСУП) определяет вероятность своевременного (К_г, безотказного (P_o), безошибочного (P_s) выполнения работ по управлению оборудованием (АСУТП) или управлению организационными процессами (АСУП). Тогда его можно представить в виде:

=1,2,…, 2^m

где m — число элементов одного из типов в данной подсистеме АСУП или АСУТП (персонал, оборудование). Число состояний — 2^m. Энтропия Энтропия (от греч. entropнa — поворот, превращение), понятие, впервые введенное в термодинамике для определения меры необратимого рассеяния энергии. Энтропия широко применяется и в других областях науки: в статистической физике как мера вероятности осуществления какого-либо макроскопического состояния; в теории информации как мера неопределенности какого-либо опыта (испытания), который может иметь разные исходы. Эти трактовки энтропии имеют глубокую внутреннюю связь. Например, на основе представлений об информационной энтропии можно вывести все важнейшие положения статистической физики.

В термодинамике понятие «энтропия» было введено Р. Клаузиусом (1865), который показал, что процесс превращения теплоты в работу следует общей физической закономерности — второму началу термодинамики. Его можно сформулировать строго математически, если ввести особую функцию состояния — энтропию. распределений элементов подсистемы .

В общем случае параметры К_г, Р_s, Р_о элементов подсистемы персонала зависимы от параметров элементов подсистемы оборудования АСУТП и АСУП. Это определяет необходимость нахождения энтропии подсистемы персонала как условной энтропии при заданном распределении параметров состояния подсистемы оборудования.

Энтропия — неопределенность состояния систем управления АСУТП или АСУП равна сумме энтропии подсистем персонала и оборудования. Для АСУТП, Для АСУП Н_а=Н_у+Н_р/у Для АСУОТ Н_S=Н_А+h_Б.

Схема взаимодействия объединенных в систему управления зависимых подсистем «производственный персонал — технологическое оборудование» (Б), и подсистемы автоматизации организационного управления — управленческий персонал" (А) приведена на рис. 4.5.

Общая энтропия системы, где — условная энтропия подсистемы, А при фиксированном уровне энтропии подсистемы Б. Если h_Б увеличивается, то очевидным следствием зависимости систем является увеличение потока информации, поступающего управленческому персоналу подсистемы, А из-за возмущений в подсистеме Б, и увеличение необходимого объема данных для принятия управленческих решений. Возрастание потока информации при увеличении h_Б может быть проиллюстрировано на примере устранения управленческим персоналом средствами организационного управления таких возмущений подсистемы управления технологическими процессами, как необнаруженные нарушения в управляемом объекте. После внедрения комплекса средств автоматизации, позволяющих осуществить идеальное (в соответствии с параметрами базы интеграции) организационное и технологическое управление, управленческому и производственному персоналу, должен быть создан режим работы, свободный как от избытка информации, так и от ее недостатка. Тогда подсистемы, А и Б могут рассматриваться как независимые в предположении, что используемые средства автоматизации управления и алгоритмы их работы могут создать персоналу режим, инвариантный к возмущениям определенного вида. В этом случае обозначим энтропию подсистем Н_N, h_N соответственно. Создание промежуточных по качеству подсистем, А и Б, не обеспечивающих указанного условия, сохраняет зависимость между параметрами подсистем, А и Б.

Сравнение величины .с позволяет выбрать направление автоматизации и решить вопрос об оптимальном распределении ресурсов для создания АСУП и АСУТП в составе АСУОТ при котором обеспечивается максимальный эффект автоматизации. Рассматриваемые связи отражены на рис. 4.6.

В результате может быть найдено соотношение величин ресурсов, которые следует направить на автоматизацию технологических процессов и организационного управления.

Изложенный подход может быть положен в основу принимаемых решений на этапах технико-экономического (ТЭО) и технического задания (ТЗ) при создании АСУОТ и других классов интегрированных систем.

В рассмотренном случае база интеграции включает комплекс надежностных характеристик элементов АСУП и комплекс надежностных характеристик элементов АСУТП (К_г, Р_о, Р_s), при которых энтропия распределения параметров этих систем не превышает заданных величин. Такие характеристики отражают физическую реализуемость АСУОТ.

В случае соответствия требованиям базы интеграции организационно-технологическая АСУ будет интегрированной относительно параметров максимального эффекта _Б, превышающего сумму эффектов, которые могут быть получены при локальном функционировании АСУП и АСУТП.

Динамическое обновление допустимых значений параметров АСУП и АСУТП путем установления нормативов надежности в результате решения рассмотренной задачи оптимизации распределения ресурсов обеспечивает обновление (актуализацию) базы интеграции.

Таким образом, важнейшим разделом базы данных интегрированных АСУ (ИАСУ) должна стать база интеграции, формируемая на основе комплекса оптимизационных надежностных расчетов, выполненных на разных этапах разработки и функционирования ИАСУ, отражающих реализуемость (достижимость) целей управления.

Экономико-математические методы и модели не нашли бы широкого применения в практике, если бы не были разработаны и применены надежные методологии создания и организации функционирования прикладных систем обработки данных АСУ как их разновидности. Применение надежных методологий создания АСУ и практические их использование повлияло на повышение продуктивности производства посредством систематического внедрения надежных компьютерных технологий, которое потребовало совершенствования методов, анализа и передачи информации.

Информационные технологии создания надежных систем управления

В конкретных системах, к которым относится система человек-машина, необходимо оценить элементную надежность и надежность структурных процессов по обработке данных так, чтобы с учетом ненадежности реальных элементов можно было бы осуществлять надежную и устойчивую работу системы. Это может быть достигнуто рациональным структурированием процессов, разделением на процедуры, операции (блоки, дуги) с тем, чтобы в нужных местах проводить резервирование, синхронизировать действия и исключать влияние ненадежных элементов. При этом должен быть обеспечен непрерывный и эффективный поток (Workflow). Это создает условия для формализации процессов надежного функционирования систем управления и упреждающих воздействий менеджера на процессы в управляемых системах путем их моделирования. На основе моделирования проводится реструктуризация процесса, формируются упреждающие действия к функциональному элементу в целях повышения надежности, а элементы, не отвечающие требованиям надежности, выбывают из системы.

В данном разделе эти менеджерские проблемы обеспечения надежного функционирования рассматриваются на примерах широко распространенных технологий структурирования, моделирования основных элементов, а также технологии организации надежных информационных потоков Workflow.

Методология структурного анализа и проектирования

Под словом «система» можно понимать совокупность взаимодействующих компонент и взаимосвязей между ними. Мир, в котором мы живем, можно рассматривать как сложную взаимосвязанную совокупность естественных и искусственных систем. Это могут быть достаточно сложные системы (планеты Солнечной системы), системы средней сложности (космический корабль) или сверхсложные системы (системы молекулярных взаимодействий в живых организмах). Искусственные системы, как правило, по своей сложности занимают среднее положение. Например, всемирная телефонная сеть содержит десятки или даже сотни тысяч переключателей, однако количество взаимодействий этих переключателей не идет в сравнение с количеством взаимодействий молекул в небольшом стакане воды. С точки зрения теории систем такие системы рассматриваются как системы средней сложности.

Под термином «моделирование» понимают процесс создания точного описания системы. Особенно трудным является описание системы средней сложности, таких, как системы коммутаций в телефонных сетях, управление аэровоздушными перевозками или движением подводной лодки, сборка автомобилей, челночные космические рейсы, функционирование перерабатывающих предприятий. Эти системы описать достаточно трудно, потому что невозможно перечислить все их компоненты со своими взаимосвязями. Неспособность дать простое описание, обеспечить понимание таких систем делает их проектирование и создание дорогостоящим и трудоемким процессом и повышает степень их ненадежности. С ростом технического прогресса адекватное описание систем становится все более актуальной проблемой.

Для того, чтобы облегчить описание и понимание искусственных систем, попадающих в разряд средней сложности, в 1969 году была создана и опробована на практике методология SADT.

SADT — аббревиатура слов Structured Analysis and Design Technique (Технология структурного анализа и проектирования). С 1973 года сфера использования этой методологии существенно расширяется для решения задач, связанных с большими системами. Примерами могут служить проектирование телефонных коммуникаций реального времени, автоматизация производства, создание программного обеспечения для командных и управляющих систем, поддержка боеготовности. Она с успехом применялась для описания большого количества сложных искусственных систем из широкого спектра областей (банковское дело, очистка нефти, планирование промышленного производства, системы наведения ракет, организация материально-технического снабжения, методология планирования, технология программирования). Причина такого успеха заключается в том, что SADT является полной методологией для создания описания систем, основанной на концепциях системного моделирования.

Сущность методологии SADT

Использование экспертных систем, систем автоматизированного производства постоянно расширяется. Успех этих систем непосредственно зависит от возможности предварить их разработку и внедрение описанием всего комплекса проблем, которые необходимо разрешить, указанием того, какие функции системы должны быть автоматизированы, определением точек интерфейса человек-машина и того, как взаимодействует система со своим окружением. Иными словами, этап проектирования системы является критическим для создания высококачественных систем. Системное проектирование определяет подсистемы, компоненты и способы их соединения, задает ограничения, при которых система должна функционировать, выбирает наиболее эффективное сочетание людей, машин и программного обеспечения для реализации системы. SADT — одна из самых известных и широко используемых систем проектирования. Программное обеспечение телефонных сетей, системные поддержка и диагностика, долгосрочное и стратегическое планирование, автоматизированное производство и проектирование, конфигурация компьютерных систем, обучение персонала, встроенное программное обеспечение для оборонных систем, управление финансами и материально-техническим снабжением — вот некоторые из областей эффективного применения SADT. Широкий спектр областей указывает на универсальность и мощь методологии SADT, что привело к стандартизации и публикации ее части, называемой IDEF0.

Использование методологии IDEF при проектировании и анализе бизнес — процессов

Изменение либо нарушение привычных производственных связей, структурная перестройка экономики, ограничения в дополнительных капиталовложениях, развитие информационных технологий — все это требует совершенствования бизнес — процессов (СБП). Концепция СБП включает непрерывное совершенствование существующих бизнес — процессов, их перестройку и управление качеством (стандарт ISO 9000). Необходимо отметить как достоинства, так и недостатки упомянутой методологии: управляется большими транснациональными консалтинговыми компаниями, которые разрабатывают методологии и программные средства для совершенствования бизнес — процессов; они «сильны» в управлении проектами, имеют большой консалтинговый опыт, однако «слабы» в моделировании и анализе; большая часть поступающих на рынок программных продуктов не соответствует требованиям в области моделирования и анализа.

Основные сферы использования СБП:

· Управление информационными потоками компании;

· Программные средства поддержки закупок/поставок и материально-технического снабжения.

· Проектирование одновременно происходящих бизнес-процессов и их взаимодействий.

Принципы системного анализа применяются для реорганизации и анализа работы компании с целью оптимизации уже существующих технологий и операций, «открытия» и «изобретения» принципиально новых возможностей и подходов. Для того, чтобы создать модель компании «как она есть», используют методологию IDEF. Чтобы получить информацию о возможных путях совершенствования бизнес — процессов используется методология функционально-стоимостного анализа АВС (Activity-Based Costing), а имитационное моделирование используется для выбора наилучшего решения.

Определение системы и модели при проектировании бизнес — процессов

Система — это множество взаимодействующих компонент и связи между ними. При проектировании, модификации или проверке работы системы можно работать непосредственно с системой или моделью системы.

Модель — это символическое представление системы, позволяющее получить информацию и ответить на вопросы относительно системы. Для простых систем работа с моделью проще и дешевле, чем с самой системой, для больших и/или сложных систем — это единственный реальный подход, для некоторых систем (например, управление воздушными перевозками) — это единственная возможность.