15.2. Общая характеристика сложных систем

15.2.1.Системы управления рыболовством относятся к сложным системам и с учетом общих представлений о надежности элементов и систем, которые рассмотрены выше.

Под сложной системой в теории надежности понимают объект для выполнения заданных функций. Его можно расчленить на элементы надежности, каждый из которых также выполняет определенные функции, взаимодействует с другими элементами системы и имеет самостоятельные входные и выходные параметры.

Элементы системы, в свою очередь, могут быть системами или подсистемами, если они удовлетворяют требованиям к сложным системам.

Так, систему управления рыболовством, как показано выше, можно разбить на три подсистемы - запас (объект лова), средства управляющего воздействия на запас (например, средств лова), поля управления (место лова как часть водоема). В свою очередь, запас можно разделить, по виду, полу и размерам рыб. Он может состоять из отдельных стай, популяций, стад с различным распределением в пространстве и времени. Средства лова обычно делят на орудия лова, промысловые суда, средства механизации и автоматизации, поиска и разведки рыбы и т.д. Поле управления как средство воздействия на запас можно разделить, например, с учетом влияния условий внешней среды на процессы пополнения, роста, естественной и промысловой смертности и т.д.

15.2.2. Элемент надежности системы обладает следующими особенностями:

• элемент выделяют из системы в зависимости от поставленной задачи, он может быть достаточно сложным и состоять из составных частей;

• при исследовании надежности системы элемент не расчленяют на составные части. Соответственно, показатели безотказности и долговечности относятся к элементу в целом;

• элемент может восстанавливать работоспособность независимо от других частей и элементов системы;

• выходные параметры каждого элемента при изменении в процессе эксплуатации системы должны учитывать требования к надежности всей системы.

15.2.3. Один или несколько выходных параметров каждого элемента могут по-разному влиять на формирование выходного параметра всей системы , определяющего ее надежность. Можно выделить три основных свойства (типа) выходных параметров элемента с учетом влияния на работу системы.

1. Изменение параметра влияет на работоспособность лишь самого элемента. Отказ элемента не ведет, как правило, к отказу системы.

2. Параметр участвует в формировании одного или нескольких выходных параметров всей системы. Изменения параметра необходимо учитывать совместно с изменением параметров такой же категории для других элементов. По изменению только одного параметра нельзя судить об отказе системы.

3. Параметр влияет на работоспособность других элементов. Его изменение для остальных элементов системы аналогично изменению внешних условий работы системы.

Каждый параметр может обладать одним или несколькими из перечисленных свойств.

15.2.4. В зависимости от свойств выходных параметров элементов формируются основные характеристики и типы структур систем управления рыболовством с учетом их надежности.

Если все элементы системы имеют параметры, влияющие на работу лишь самого элемента, то надежность элемента можно определить независимо от других элементов системы. В этом случае элементы системы работают независимо, поэтому можно обеспечить безотказную работу каждого элемента отдельно с учетом выполняемых элементом функций. В системах управления рыболовством независимо в ряде случаев работает (существует) поле управления, если на показатели условий внешней среды в водоеме не влияет промысел. Однако условия внешней среды влияют на работу средств лова и состояние запасов. Функционально зависят друг от друга состояние запасов и работа технических средств лова.

Для систем управления рыболовством более характерны выходные параметры второго типа, которые участвуют в формировании выходных параметров системы в целом. В этом случае элементы нельзя считать независимыми и для каждого из них необходимо определять показатели надежности (например, вероятность безотказной работы). Соответственно, рассматривают систему целиком и учитывают участие каждого элемента в формировании выходных параметров системы.

В системах управления рыболовством распространен и третий случай, когда наблюдается взаимное влияние параметров элементов системы на работоспособность других элементов системы.

15.2.5. Таким образом, с учетом надежности могут быть следующие структуры сложных систем управления рыболовством:

• расчлененные, с заранее известной надежностью отдельных элементов, так как отказ элемента можно рассматривать как независимое событие;

• связанные, у которых отказ элементов зависит от изменения выходных параметров всей системы;

• комбинированные, состоящие из подсистем со связанной структурой и с независимым формированием показателей надежности для каждой из подсистем.

При анализе систем управления рыболовством предпочитают рассматривать комбинированные структуры.

15.2.6. В сложных системах все элементы целесообразно разделить на следующие группы.

1. Элементы, отказ которых практически не влияет на работоспособность системы. Отказы этих элементов рассматривают изолированно от всей системы. Часто говорят об отказах, а о неисправном состоянии таких элементов. К таким элементам относят, например, элементы рыболовной системы как части системы управления рыболовством.

2. Элементы, работоспособность которых за рассматриваемый промежуток времени практически не изменяется. Такими элементы в отдельных случаях могут быть любые элементы системы управления рыболовством.

3. Элементы, восстановление и замена которых возможна при работе системы или во время остановок, не влияющих на эффективность функционирования системы.

4. Элементы, отказ которых приводит к отказам системы.

5. Система управления рыболовством содержит ограниченное число элементов, которые в основном и определяют надежность. Эти элементы и подсистемы выявляют при рассмотрении так называемой структурной схемы параметрической надежности. Такая схема рассмотрена ниже.

15.2.7. Одна из особенностей работы сложных систем заключается в том, что работоспособность всех элементов системы не означает работоспособность всей системы (это справедливо лишь для расчлененных структур). Как правило, безотказность работы элементов - необходимое, но не достаточное условие для безотказной работы всей системы.

Во-первых, имеют значение взаимосвязи. С учетом взаимосвязей работоспособные элементы оказывают побочные воздействия на другие элементы и могут привести их к отказу. Например, резкое ухудшение условий внешней среды может привести к отказу запаса как части системы управления рыболовством.

Во-вторых, небольшие изменения (в пределах нормы) параметров элементов могут вызвать фактическую потерю работоспособности всей системы. Так, в системах управления рыболовством некоторые изменения элементов различных подсистем могут привести к недопустимому снижению производительности или селективности лова.

15.2.8. Следующая особенность надежности систем управления рыболовством состоит в сложности, а иногда и невозможности применения к системе в целом статистических методов анализа. Это связано не только с разнообразием условий работы и состояний системы, но и с достаточно высоким уровнем надежности, которым она должна иногда обладать. Такая проблема возникают, например, когда одновременно отказывают несколько разных последовательно соединенных элемента с различными характеристиками отказов. Решение этой проблемы хотя бы частично возможно путем анализа не только потока отказов, но и повреждений элементов системы, а также построения модели надежности сложной системы.

15.2.9. Функционирование сложной системы управления рыболовством часто связано с выполнение разных задач и удовлетворением различных требований в неодинаковых условиях эксплуатации, наличием нескольких выходных параметров. В таких условиях не всегда просто определить, является ли изменение выходных параметров отказом. В одних случаях эти изменения не повлияют на работоспособность системы, в других происходит снижение показателей эффективности работы системы (производительности, селективности, экономических показателей лова и т.д.). Система часто может работать и при возникновении параметрических отказов. Соответственно, изменение работоспособности системы в одних случаях рассматривают не как отказ системы, а как снижение эффективности в процессе эксплуатации.

В общем случае под показателем эффективности системы обычно понимают такую характеристику, которая оценивает степень способности системы к выполнению поставленных перед ней задач. Однако с учетом надежности эффективность систем управления рыболовством целесообразно рассматривать, как способность системы функционировать во всем диапазоне возможных условий и режимов, а также установленных предельных диапазонов изменения выходных параметров. Таким образом, при исследовании систем управления рыболовством необходимо, прежде всего, учитывать требования к ее выходным параметрам, принимая во внимание необходимую эффективность ее работы.

15.2.10. Как показано выше, систему управления рыболовством обычно расчленяют на отдельные элементы, для которых в общем случае можно определить вероятность безотказной работы. В теории надежности для расчета надежности таких систем строят структурные схемы. В схемах каждый -й элемент характеризуется вероятностью безотказной работыв течение заданного промежутка времени. Определение вероятности безотказной работывсей системы называют расчетом схемной надежности.

В системах управления рыболовством элементы чаще соединяются последовательно, когда отказ одного элемента (подсистемы) приводит к отказу всей системы.

Вероятность безотказной работы такой системы равна произведению вероятностей безотказной работы отдельных элементов:

. (15.1)

При одинаковой надежности элементов .

Если причина выхода из строя элементов системы связана с внезапными отказами, которые подчиняются экспоненциальному закону, то

, (15.2)

где -интенсивность отказов-го элемента.

Очевидно, вероятность безотказной работы сложной системы в этом случае также подчиняется экспоненциальному закону.

Из-за простоты подсчета надежности сложных систем экспоненциальный закон иногда пользуют и при постепенных отказах, что в общем случае недопустимо.

15.2.11. Обычно в расчетах надежности сложных систем безотказность каждого элемента считают известной. При этом иногда не учитывают, что каждого элемента формируется под влиянием внутренних процессов и внешних воздействий и является функцией времени. Время в расчетах схемной надежности обычно учитывают лишь при экспоненциальном законе. Однако именно в этом случае его нельзя использовать для прогнозирования поведения системы при других значениях.

15.2.12. Для повышения надежности сложных технических систем иногда применяют резервные элементы. При выходе из строя одного из элементов резервный элемент выполняет его функции. Резервирование может значительно повысить надежность системы.

Различают два основных вида резервирования. В первом случае при постоянном (нагруженном) резервировании резервные элементы постоянно связаны с основными элементами и находятся в одинаковых с ними условиях. Таким способом резервирования повышается надежность системы, и можно создавать надежные системы из ненадежных элементов. Такое резервирование иногда встречается в технических средствах лова. Условно резервными элементами запаса как подсистемы можно рассматривать размерно-возрастные и видовые группы рыб. Присутствие их в запасе, так или иначе, способствует повышению надежности запаса как подсистемы.

Возможно также создание ненагруженного резервирования (резервирование замещением), когда резервные цепи находятся в отключенном состоянии и включаются лишь после отказа основной цепи (или элемента). Условно ненагруженным резервированием можно считать несколько популяций запаса, которые используют не одновременно, а по мере ухудшения состояния эксплуатируемой популяции.

15.2.13. При расчете схемной надежности систему управления рыболовством целесообразно представлять в виде структурной схемы. В такой схеме элементы, отказ которых приводит к отказу всей системы, изображаются последовательно, а резервные элементы или цепи параллельно. Последовательное или параллельное соединение в реальной системе еще не означает аналогичного изображения в структурной схеме.

В технических системах обычно просчитывают аналогичным образом различные варианты соединения и резервирования и выбирают оптимальное решение. В системах управления рыболовством в некоторой степени выбор оптимального решения возможен при анализе технических средств лова. В двух других подсистемах вид структурной схемы предопределен особенностями состава, численности и распределения запаса, а также условий внешней среды в водоеме.

В системах с более сложными функциональными связями, чем последовательное или параллельное соединение элементов, можно использовать формулу полной вероятности (формулу Байеса) для оценки безотказности их работы.

При анализе надежности сложных структур также применяют метод логических схем с использованием алгебры логики (алгебры Буля). Логические схемы, внешне иногда достаточно громоздкие, применяют к более широкому кругу систем с наличием разнообразных связей и сочетаний элементов системы.

15.2.14. Иногда считают, что выбор метода расчета структурных схем для определения вероятности безотказности систем является едва ли не основной проблемой при оценке надежности системы. В действительности наибольшая трудность заключается не в методах расчета структурных схем, а в оценке и прогнозировании надежности отдельных элементов, определении изменения выходных параметров в функции времени и решении других задач, рассмотренных выше.

Применение структурных схем для систем управления рыболовством с биологическим объектом более ограничено, чем для технических систем. Соответственно, необходимо оценить область применения расчета схемной надежности для таких систем, где более характерны связанные структуры, и изменение надежности отдельных элементов нельзя считать независимым событием.

Обычно, лишь малоответственные системы, к выходным параметрам которых не предъявляют жесткие требования и возможно функционирование не всех элементов системы, иногда рассматривают в виде расчлененных структур. Чем выше требования к параметрам системы, тем в большей взаимосвязи находятся все элементы системы. Разбивать сложную систему на независимые элементы и применять методы расчета , изложенные выше, можно для систем в следующих основных случаях.

1. При рассмотрении больших систем, состоящих из отдельных подсистем, которые могут функционировать самостоятельно (например, рыболовные системы).

2. При рассмотрении нескольких независимых выходных параметров системы, если известна вероятность безотказной работы системы по отношению к каждому параметру и параметрическая надежность всей системы равна произведению вероятностей отдельных элементов.

3. При анализе надежности систем, состоящих их отдельных достаточно самостоятельных подсистем, особенно случаях, когда их принцип работы и особенности функционирования в известной степени самостоятельны.

Все перечисленные случаи условны и необходима предварительная оценка возможности расчленения системы на независимые элементы или подсистемы.

15.2.15. В общем случае для систем управления рыболовством оценка схемной надежности более пригодна для определения надежности функционирования системы, а схемы со связанными элементами служат для определения параметрической надежности. Специфика структур систем управления рыболовством, как отмечено выше, заключается также в том, что метод резервирования здесь сравнительно редко применяется в чистом виде.

Значительно важнее для систем управления рыболовством повышение надежности с применением принципа избыточности как более общего принципа, чем резервирование.

При создании надежных систем в соответствии с принципом избыточности срок службы системы устанавливают ниже среднего срока службы до отказа. Недоиспользование потенциальной долговечности дает гарантию его безотказной работы.

Избыточность позволяет непрерывно повышать надежность до необходимого уровня путем повышения работоспособности отдельных элементов. Для установления этого уровня рассматривают работу всей системы или подсистемы с учетом взаимодействий и формирования выходных параметров.