Міністерство освіти та науки України

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського

"Харківський авіаційний інститут"

МОРОЗОВ Олександр Олександрович

УДК 658.52

НАУКОВО-МЕТОДИЧНІ ОСНОВИ АВТОМАТИЗОВАНОГО УПРАВЛІННЯ

СИСТЕМАМИ ОБСЛУГОВУВАННЯ ВИМІРЮВАЛЬНОЇ ТЕХНІКИ

РОЗПОДІЛЕНИХ ТЕХНІЧНИХ КОМПЛЕКСІВ

05.13.06 – автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Академії внутрішніх військ Міністерства внутрішніх справ України, м. Харків.

Науковий консультант: | заслужений винахідник України,

доктор технічних наук, професор

Харченко В’ячеслав Сергійович,

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут",

завідуючий кафедрою комп’ютерних систем і мереж.

Офіційні опоненти : | доктор технічних наук, професор

Федорович Олег Євгенович,

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут",

завідуючий кафедрою інформаційних управляючих систем;

доктор технічних наук, професор

Камінський Віктор Юлійович,

Національна агенція з акредитації України,

голова технічного комітету з акредитації;

доктор технічних наук, професор

Скатков Олександр Володимирович,

Севастопольський національний технічний університет,

завідуючий кафедрою кібернетики та обчислювальної техніки.

Провідна установа: | Одеський національний політехнічний університет, кафедра "Комп’ютерних і інтелектуальних систем і мереж", Міністерство освіти і науки України, м. Одеса

Захист дисертації відбудеться "20" жовтня 2006 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.062.01 у Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" за адресою: Україна, 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

З дисертацією можна ознайомитися у науково-технічній бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут".

Автореферат розісланий "23" серпня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 64.062.01

кандидат технічних наук, доцент М.О. Латкін

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Ефективність функціонування сучасних розподілених технічних комплексів (РТК) істотно залежить від його технічного стану та умов експлуатації. Для контролю технічного стану та умов їх експлуатації використовуються сучасні засоби вимірювальної техніки (ЗВТ). Технічне (регламентне) обслуговування РТК та їх застосування передбачає використання значної номенклатури різноманітних ЗВТ, сукупності яких утворюють центри обслуговування.

Підтримка засобів вимірювальної техніки РТК у справному стані та забезпечення їх однаковості шляхом повірки, градуювання, юстування, регулювання або ремонту вимагають створення розподіленої системи обслуговування (РСОБ) центрів ЗВТ та ефективного управління нею. Створення РСОБ ЗВТ повинно ґрунтуватися на виважених, економічно обґрунтованих рішеннях, методологічною основою яких повинні бути моделі, методи та алгоритми автоматизованого вирішення задач управління, інформаційні технології. Ефективність управління такими системами буде визначатися обґрунтованістю, своєчасністю та оперативністю прийняття рішень, що істотно залежить від рівня автоматизації управління розподіленими системами обслуговування.

Проблемами автоматизації управління, моделювання структур систем та процесів обслуговування ЗВТ, операційних елементів РСОБ займаються як вітчизняні, так і зарубіжні вчені. Серед вітчизняних дослідників необхідно відзначити Камінського В.Ю., Короткова Б.В., Чинкова В.М.; вчених ближнього зарубіжжя – Тарбеєва Ю.В., Балабаєва В. А, Грановського В.А., Федорова І.М., Солопченка Г.М., Крещука В.В., Ігнаткіна В.У., Кривоцюка В.І., Кудрявцева О.О., Пономаренка В.О., Закашанського Л.М., Архипенка О.Г. та інших; науковців далекого зарубіжжя – Bahrs U., Blanchard B.S., Derman S., Mazur Z., Milic M., Turski W.M. Роботи цих вчених створили наукову основу, теоретичні та методичні передумови подальшого пошуку шляхів підвищення ефективності управління системами обслуговування ЗВТ. Але аналіз сучасного стану науково-методичних основ автоматизованого управління РСОБ ЗВТ показує, що він має системні недоліки, що суттєво знижує його ефективність при вирішенні складних завдань. Серед таких відсутність чіткого та обґрунтованого представлення системи обслуговування як об'єкта управління; спрощене подання цілеположення та координації метасистем, які висувають жорсткі вимоги до мети, завдань та умов її функціонування, стратегій управління; представлення РСОБ монофункціональною системою; відсутність урахування функціональних зв'язків з іншими системами забезпечення РТК. До принципових недоліків варто віднести і те, що при вирішенні задач управління центр ЗВТ не розглядається як об'єкт управління. Існуючий науково-методичний апарат (НМА) забезпечує рішення тільки часткових задач управління РСОБ, а умови та припущення щодо їх вирішення істотно знижують адекватність представлення задач та, як наслідок, достовірність прийнятих рішень.

Тобто, на сьогоднішній день немає цілісної методології управління РСОБ ЗВТ як складними системами, що не забезпечує системності та комплексності в прийнятті рішень, урахування принципу зовнішнього доповнення. Управління РСОБ ЗВТ здійснюється або на основі суб’єктивних оцінок, або з використанням інформаційних моделей, які не відповідають сучасному рівню управління. Такий стан НМА управління РСОБ ЗВТ суттєво стримує автоматизацію вирішення задач управління системою як дієвий шлях підвищення оперативності та достовірності управління.

Таким чином, існує об’єктивне протиріччя між високими вимогами до оперативності прийняття рішень щодо управління розподіленими системами обслуговування засобів вимірювальної техніки і готовності розподілених технічних комплексів та можливостями науково-методичного апарата (моделей, методів, алгоритмів) і сучасної практики автоматизованого управління РСОБ ЗВТ.

Для вирішення сформульованого протиріччя у роботі основна увага приділяється рішенню наукової проблеми, сутність якої полягає в узгоджені операційних можливостей систем обслуговування засобів вимірювальної техніки та планових і оперативних завдань сучасних розподілених технічних комплексів, що вимагає розробки науково-методичних основ автоматизованого управління цими системами.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Вибраний напрямок досліджень, основний обсяг наукових досліджень та наукові результати отримані при реалізації планів наукової роботи 32 Метрологічного центру МО СРСР (1982-1986 р.р.), Військової інженерної радіотехнічної академії ППО ім. Маршала Радянського Союзу Говорова Л.О. (1986-1993 р.р.), Наукового метрологічного центру Харківського військового університету (1993-1996 р.р.), Наукового метрологічного центру (військових еталонів) (НМЦ(ВЕ)) МО України (1996-2003 р.р.); Підпрограми розвитку засобів метрологічного забезпечення, яка є складовою частиною Державної програми розвитку ОВТ; Програми розробки технічних засобів для метрологічного забезпечення ЗС України на період 1992-1994 років; Концепції метрологічного забезпечення ЗС України. Крім того, ряд наукових результатів отримані при розробці Перспективного плану наукових досліджень НМЦ(ВЕ) на період 1998-2000 роки та Перспективного плану наукових досліджень НМЦ (ВЕ) на період 2001-2004 роки.

Базовими для підготовки та подання дисертаційної роботи є науково-дослідні роботи (НДР) "Исследование обеспеченности ВС Украины войсковыми средствами измерения, метрологической техникой и потребностей в ней", автор - виконавець; "Разработка концепции и исследование эффективности создания и применения парка перспективных ПЛИТ", автор - науковий керівник; "Дослідження напрямків розвитку та удосконалення системи метрологічного забезпечення військ (сил)", автор - науковий керівник; "Дослідження та систематизація наукових задач НМЦ(ВЕ) на 2001-2005 роки", автор - заступник наукового керівника; "Дослідження та розробка науково-методичного апарату підтримки рішень щодо управління системою метрологічного забезпечення військ (сил)", автор - науковий керівник; "Аналіз перспективних форм і способів застосування метрологічних частин та підрозділів Збройних Сил України, визначення їх ролі та місця у війнах та воєнних конфліктах, завдань і співвідношень в загальній структурі ЗС України", автор - виконавець; "Розробка науково-методичного апарату визначення та обґрунтування вимог до системи метрологічного забезпечення Збройних Сил України зразка 2010 року", автор - виконавець.

Головним замовником всіх робіт виступало Центральне управління метрології та стандартизації Міністерства оборони України.

Мета і задачі дослідження. Основна мета дисертаційних досліджень - підвищення оперативності управління РСОБ засобів вимірювальної техніки і готовності розподілених технічних комплексів шляхом розробки методичних основ, математичних моделей і методів автоматизованого управління.

Для досягнення поставленої мети у роботі необхідно вирішити наступні наукові задачі:

1. проаналізувати існуючі підходи, моделі, методи та інформаційні технології автоматизованого управління системами обслуговування ЗВТ розподілених технічних комплексів;

2. здійснити формальне представлення РСОБ ЗВТ як об'єкта управління, а також основних елементів процесу управління;

3. розробити математичні моделі і методи аналізу та синтезу РСОБ ЗВТ, їх операційних елементів;

4. розробити методи оцінювання параметрів центрів ЗВТ розподілених технічних комплексів;

5. розробити методи підтримки прийняття рішень щодо управління РСОБ ЗВТ в реальному масштабі часу;

6. розробити прикладну інформаційну технологію управління РСОБ ЗВТ;

7. впровадити результати роботи в практику автоматизованого управління системами обслуговування ЗВТ розподілених технічних комплексів.

Об'єкт дослідження - процеси автоматизованого управління системами обслуговування засобів вимірювальної техніки РТК.

Предмет дослідження - моделі, методи та інформаційна технологія автоматизованого управління розподіленими системами обслуговування засобів вимірювальної техніки РТК.

Методи дослідження. В процесі наукових досліджень, виходячи із особливостей предметної галузі, сформульованих задач, використовувалися методи системного аналізу та оптимізації для представлення та опису РСОБ, теорії ймовірностей та марківських процесів з дискретними станами і безперервним часом для представлення математичних моделей функціонування РСОБ, теорії масового обслуговування для формалізації математичної моделі повірочно-ремонтного органу (ПРО), теорії надійності при ідентифікації математичної моделі впливу заходів з обслуговування ЗВТ на показники надійності РТК, теорії матриць при оцінки структури пошкоджень центру ЗВТ та оптимізації складу їх комплектів для функціонування РТК.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у розробці науково-методичних основ автоматизованого управління розподіленими системами обслуговування засобів вимірювальної техніки, які ґрунтуються на їх поданні у вигляді складної організаційно-технічної системи, що функціонує в умовах цілеположення РТК і координації других систем забезпечення.

У рамках виконаних досліджень отримані такі наукові результати:

1) вперше одержано:

- сукупність формальних моделей РСОБ ЗВТ, яка включає структурні, функціональну і інформаційну моделі, які на відміну від існуючих ґрунтуються на системній структуризації і декомпозиції елементів, зв'язків, механізму управління, що забезпечує адекватне представлення системи для прийняття рішень по її управлінню з урахуванням цілеположення РТК;

- модель функціонування РСОБ ЗВТ у вигляді опису зміни станів засобів вимірювальної техніки з урахуванням цілеположення РТК, яка на відміну від існуючих дозволяє отримувати оцінки середніх чисельностей станів ЗВТ, що забезпечує при її використанні підвищення оперативності визначення загальносистемних параметрів управління системою обслуговування;

- модель функціонування повірочно-ремонтного органу, яка на відміну від існуючих встановлює залежність операційних можливостей і характеристик ПРО від параметрів обслуговування ЗВТ, що дозволяє вирішувати задачі його аналізу і синтезу як основного операційного елемента РСОБ;

- модель оцінювання ефективності РСОБ ЗВТ, яка на відміну від існуючих ґрунтується на визначенні зв'язку узагальнених параметрів експлуатації ЗВТ і середнього часу відновлення РТК із урахуванням всіх складових процесу обслуговування, що дозволяє оцінювати вплив заходів щодо їх обслуговування на рівень готовності технічних комплексів;

- метод визначення структури втрат ЗВТ, який на відміну від існуючих заснований на принципі консеквентності пошкоджень технічних систем РТК і ЗВТ з їх складу та математичних моделей впливу несприятливих факторів на працездатність засобів вимірювальної техніки, що забезпечує одержання диференційованих та інтегральних оцінок цих втрат по групах засобів і ступеням пошкоджень із урахуванням негативного фактора;

2) удосконалено:

- модель обслуговування ЗВТ у ПРО шляхом урахування впливу похибок повірки і ремонту на рівень вихідної дефектності партій однорідних ЗВТ, що дозволяє оцінювати частки засобів із пропущеним при повірці прихованим браком і таких, що помилково бракуються, пропущеним при ремонті прихованим браком, формулювати вимоги до точностних характеристик методів їх повірки;

- метод симпліфікації комплекту ЗВТ технічних систем РТК шляхом матричного представлення процедури скорочення номенклатури і введення процедури оптимізації кількісного складу комплекту, що дозволяє зменшити складність обчислень і визначати раціональний за обраними показниками склад комплектів засобів вимірювальної техніки;

- метод формування стратегій відновлення ЗВТ шляхом введення процедури визначення раціональних варіантів використання робочих місць по повірці і ремонту засобів вимірювальної техніки, що забезпечує оптимальну концентрацію зусиль системи обслуговування;

- метод визначення норм і стратегій розподілу запасів повірочного обладнання (ПО) шляхом використання гнучкої стратегії управління запасами, яка враховує коливання попиту на нього протягом певного часу, що гарантує безперервність і гнучкість постачання ПРО протягом заданого часу;

- метод вибору складу повірочного обладнання робочих місць по повірці ЗВТ шляхом включення процедури кон'юнктивного об'єднання функціональних надлишкових схем їх повірки (ФНСП) в інтегральні ФНСП із наступною оптимізацією його складу, що дозволяє формувати склади ПО робочих місць для декількох типів ЗВТ, а також знеособленої повірки.

У сукупності отримані моделі і методи утворюють науково-методичні основи автоматизованого управління РСОБ ЗВТ РТК, розробки інженерних методик, програмних і технічних засобів автоматизованого вирішення задач управління на основі прогресивних інформаційних технологій.

Практичне значення одержаних результатів. Усі розроблені математичні моделі та методи доведені до рівня інженерних методик, алгоритмів та програмних засобів комп’ютерної реалізації. Використання розробленого науково-методичного апарату підтримки прийняття рішень щодо управління РСОБ ЗВТ дозволяє:

- з системних позицій здійснювати розробку управляючих рішень як для умов формування розподіленої системи обслуговування, так і функціонування існуючих систем;

- формувати оптимальні за обраними показниками центри засобів вимірювальної техніки РТК з урахуванням структури їх втрат;

- здійснювати кількісне оцінювання впливу заходів щодо обслуговування центрів ЗВТ на рівень готовності РТК для основних умов їх застосування та розробляти відповідні пропозиції та рекомендації;

- створювати АСУ РСОБ ЗВТ РТК, "ядром" математичного та програмного забезпечення якої можуть бути розроблені математичні моделі, методи та алгоритми підтримки рішень.

Основні результати дисертації впроваджені у Центральному управління метрології та стандартизації ЗС України(02.02.2006 р.), Науковому метрологічному центрі (військових еталонів) Міністерства оборони (28.12.2005 р.), Державному науково-дослідному інституті "Система" (24.01.2001 р.), науково-виробничому об'єднанні "Тамерс" (14.11.2001 р.), Харківському військовому університеті (21.11.2001 р.), Національному аерокосмічному університеті ім. Жуковського "ХАІ" (20.11.2001 р.), Харківському державному технічному університеті сільського господарства (20.11.2001 р.).

Особистий внесок здобувача. Всі основні наукові результати дисертації отримані здобувачем особисто. В роботах, написаних у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає у наступному: [1] - розроблений метод визначення оптимальних планів розподілу техніки між територіально розподіленими об'єктами; [2] - структуровані напрямки розвитку метрологічного забезпечення та сформульовані шляхи автоматизації управління системами; [3] - розроблений узагальнений алгоритм та алгоритм оцінювання ефективності управління системами метрологічного забезпечення; [4] - проведений аналіз впливу пересувних лабораторій вимірювальної техніки на підвищення ефективності метрологічного забезпечення; [5] - формалізована задача техніко-економічного обґрунтування структури системи забезпечення єдності вимірювань; [6] - розроблений алгоритм рішення задачі оптимізації складу пересувних лабораторій вимірювальної техніки; [11] - розроблені організаційна структура, інформаційна модель та алгоритм підтримки рішень в АСУ системи метрологічного забезпечення; [13] - формалізована задача визначення кількості робочих місць з урахуванням їх можливих втрат та режиму функціонування; [15] - розроблений ітераційний алгоритм оптимізації планів використання рухомих метрологічних лабораторій; [17] - розроблений алгоритм мінімізації кількісного складу комплекту ЗВТ складної технічної системи; [18, 44] - розроблений метод двохетапного синтезу структури системи метрологічного обслуговування територіальних об'єднань, що дозволяє вирішувати задачі великої розмірності; [25] - розроблений метод оптимізації складу ЗВТ технічних систем, який забезпечує виконання заданих обсягів регламентних робіт та задані значення коефіцієнтів готовності (плануємого використання) технічних систем; [29] - структуровані та сформульовані групи задач оптимізації складу парку пересувних лабораторій вимірювальної техніки; [30] - сформульована задача визначення складу пересувних лабораторій вимірювальної техніки для умов формування та оновлення їх парку; [33, 48] - розроблений спосіб формування інтегрованих функціонально-надлишкових схем повірки, що забезпечує необтяжливий за обраними показниками склад повірочного (калібрувального) обладнання та проведення знеособленої повірки (калібрування) ЗВТ; [38] - формалізована постановка задачі щодо оптимального розподілу робочих місць; [41] - визначені наукові аспекти автоматизації управління та шляхи їх вирішення; [43] - запропонований спосіб оцінювання структури втрат ЗВТ; [47] - запропонований алгоритм проведення експертного оцінювання показників системи метрологічного обслуговування.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та наукові результати, що сформульовані в дисертації, доповідались та обговорювалися на науково-технічних конференціях міжнародного та державного рівнів: 1-му міжнародному молодіжному форумі Электроника и молодежь в ХХI веке (м. Харків, 1997); Науково-технічній конференції НМЦ (ВЕ) Удосконалення системи засобів метрологічного забезпечення озброєння та військової техніки (м. Харків, 1998); ІІ Міжнародній науково-технічній конференції Метрологія та вимірювальна техніка (м. Харків, 1999); Науково-технічній конференції ХВУ (м. Харків, 1999); 2-й науково-технічній конференції НМЦ (ВЕ) Удосконалення системи і засобів метрологічного забезпечення озброєння та військової техніки (м. Харків, 1999); Міжнародній науково-практичній конференції Проблеми ефективного функціонування АПК в умовах нових форм власності та господарювання (м. Харків, 2001); Міжнародній науково-практичній конференції Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України (м. Харків, 2001); Міжнародній науково-практичній конференції Проблеми технічного сервісу СГТ (м. Харків, 2001); Міжнародній науково-практичній конференції Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України (м. Харків, 2002); ІІІ Міжнародній науково-технічній конференції Метрологія та вимірювальна техніка (м. Харків, 2002); Міжнародній науково-практичній ювілейній конференції Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України (м. Харків, 2003); 4-й науково-технічній конференції НМЦ (ВЕ) Удосконалення системи і засобів метрологічного забезпечення озброєння та військової техніки (м. Харків, 2003); Міжнародній науково-практичній конференції Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України (м. Харків, 2004); науково-практичній конференції "Проблеми забезпечення внутрішньої безпеки держави" (м. Харків, 2005); Міжнародній науково-практичній конференції Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України (м. Харків, 2005).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 52 праці, у тому числі 1 монографія, 37 наукових статей, з яких 11 у науково-технічних журналах і 26 у збірниках наукових праць, що входять до переліку фахових видань, затверджених ВАК України (22 з яких - без співавторства), у матеріалах 14 доповідей та тез доповідей конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 7 розділів, висновків, списку використаних джерел, 13 додатків. Повний обсяг дисертації становить 508 сторінок, в тому числі 24 рисунки на 24 окремих сторінках, 16 таблиць на 2 окремих сторінках, список використаних літературних джерел з 264 найменувань на 26 сторінках, 13 додатків на 171 сторінці, оформлених окремим томом.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність вибраної теми досліджень, сформульовано мету і задачі досліджень; визначені об’єкт, предмет і методи досліджень; описано наукову новизну і практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі проведений аналіз особливостей організації обслуговування ЗВТ розподілених технічних комплексів, побудови та функціонування РСОБ як об’єкту управління, шляхів підвищення ефективності їх функціонування.

Аналіз визначив серед таких розосередженість центрів ЗВТ, функціонування РСОБ від впливом цілеположення та координації РТК, взаємозалежність та обумовленість інформаційних потоків, що циркулюють в системах управління (СУ) обох систем. Крім того, за своїм складом, організаційною побудовою та механізмами функціонування сучасні СОБ є складними розподіленими системами і ефективне функціонування можливе за умов ефективного управління. Ефективність управління визначається оперативністю, своєчасністю та обґрунтованістю прийняття рішень з управління. Визначено, що основним змістом управління РСОБ ЗВТ є підтримка прийняття рішень щодо управління, яка повинна ґрунтуватися на використанні відповідного науково-методичного апарату управління.

Зіставлення завдань і вимог до управління РСОБ ЗВТ показало, що НМА автоматизованого вирішення задач управління повинен бути основним інструментом рішення задач оцінювання (аналізу) параметрів центру ЗВТ, синтезу системи і її елементів, синтезу стратегій обслуговування центрів ЗВТ. Ці задачі у сукупності представляють наукову проблему, яка у повному обсязі не вирішена.

На підставі аналізу стану НМА автоматизованого управління РСОБ ЗВТ формалізована загальна наукова проблема та групи задач, що її вирішують.

Таким чином, у результаті аналізу наявних підходів до вирішення проблеми управління РСОБ в умовах розосередження центрів ЗВТ, домінуючого впливу на мету і завдання її функціонування РТК сформульовані наукова проблема та задачі досліджень, сукупність узгоджених методів досліджень.

У другому розділі розроблені методичні основи автоматизованого управління РСОБ ЗВТ розподілених технічних комплексів.

Проблема автоматизованого управління РСОБ ЗВТ - це проблема підготовки та прийняття рішення особи, що приймає рішення, математичне формулювання якої представляється у вигляді системи:

, (1)

де - множина варіантів рішень щодо управління РСОБ ЗВТ; - множини значень визначених та невизначених факторів, що впливають на прийняття рішення; G - множина наслідків прийняття рішення; Y - вектор характеристик наслідків прийняття рішення , тобто чисельні вирази результатів прийняття рішення; - модель або відображення, яке ставить у відповідність множинам варіантів рішень та факторам множину результатів ; - показник ефективності управління РСОБ ЗВТ; - оператор відповідності "результат-показник"; - критерій ефективності управління; L - модель переваг на елементах множини: ; - інша інформація.

Загальне вирішення проблеми прийняття рішення (1) ґрунтується на представленні РСОБ ЗВТ як об’єкту управління. Для цього розроблені формальні моделі системи обслуговування як складної системи (рис. 1), управління (рис. 2) та інформаційна (рис. 3).

Формальна модель РСОБ (див. рис. 1) визначає склад та системні зв’язки, механізми взаємодії її елементів, основними з яких є СУ та операційні елементи системи, а також центри ЗВТ РТК.

Модель управління РСОБ (див. рис. 2) описує механізм управління системою, представляючи його як еволюцію цілеспрямованої зміни її станів , , операторами входу та виходу , де - множина допустимих стратегій управління іншими системами забезпечення. Модель визначає формальні вимоги до моделі відповідності "результат-показник" та загальний алгоритм управління системою в умовах ціле положення та координації РТК (принцип зовнішнього доповнення).

Рис. 1. Структурна схема РСОБ ЗВТ:

- головна мета функціонування РТК;

- виконавча підсистема РСОБ

Рис. 2. Загальна схема управління РСОБ ЗВТ:

- функціональний простір вхідних змінних (- випадкові фактори впливу, - природні фактори впливу); - функціональний простір вихідних змінних

Рис. 3. Інформаційна модель РСОБ ЗВТ

Інформаційна модель (див. рис. 3) описує інформаційні зв’язки між елементами системи та "зовнішнім" середовищем, множинами внутрішніх та зовнішніх параметрів, встановлює логічну послідовність перетворення інформації при управлінні РСОБ ЗВТ.

Вхідні змінні представляються множиною:

,

де , , , та - мета та завдання функціонування РСОБ ЗВТ; склад системи за ПРО, органи окремих підприємств тощо; організаційна структура системи; парк ТС РТК та їх характеристики відповідно; , , , та - потоки ЗВТ між

ПРО; технічні характеристики ЗВТ; метрологічні характеристики ЗВТ; транспортна мережа, порядок планування, управління та взаємодії ПРО; економічні показники на всіх рівнях організаційної структури РСОБ відповідно; - коефіцієнт укомплектованості справними ТК, що вимагається; - показник (показники)ефективності РСОБ, що вимагається (вимагаються).

Процес управління пов'язаний з оцінюванням ефективності рішень, що приймаються. Для цього як показник ефективності управління запропонований показник приросту ефективності РСОБ за рахунок автоматизації управління:

, (2)

де () - ефективність РСОБ ЗВТ при наявності (відсутності) АСУ.

Як показники ефективності функціонування РСОБ ЗВТ використовується показники готовності (коефіцієнт готовності та плануємого використання ) ТС РТК , автономність та мобільність системи, вартісний показник. Для аналізу впливу заходів з обслуговування центру ЗВТ на рівень готовності ТС РТК розроблена математична модель залежності показників та від узагальнених параметрів експлуатації ЗВТ.

Отримані залежності середнього часу відновлення ТС РТК та тривалості регламентних робіт (РР) на ТС РТК від узагальнених параметрів експлуатації ЗВТ дозволили представити відомі вирази для коефіцієнтів та у вигляді:

, (3)

, (4)

де - середній час між відмовами ТС РТК; - середній час невиявленої відмови ТС РТК; - календарний час експлуатації ТС РТК; - середній час відновлення ТС РТК, не пов’язаний з використанням ЗВТ; , - параметр потоку відмов ЗВТ -го типу; - середній час невиявленої відмови ЗВТ і-го типу; - середній час початку відновлення ЗВТ -го типу; - ймовірності того, що при відмові ТК стане потрібним ЗВТ і-го типу; - середня тривалість РР при безвідмовному обслуговуванні ТС РТК; - ознака, що приймає значення 1 або 0; - параметр потоку вимог на використання ЗВТ і-го типу.

Таким чином, розроблені формальні моделі РСОБ ЗВТ як об’єкту управління, представлення часткових задач прийняття рішень, показник ефективності управління та математична модель залежності коефіцієнтів та від узагальнених параметрів експлуатації ЗВТ складають методичні основи управління РСОБ ЗВТ розподілених технічних комплексів.

Третій розділ присвячений розробці методів оцінювання параметрів (формування) центрів ЗВТ РТК, яке включає оцінку достатності (надлишку) ЗВТ технічних систем, операційних потреб щодо їх обслуговування (повірки, ремонту, замін, надолуження втрат тощо), цілеположень РТК - забезпечення необхідного рівня готовності ТС, часові вимоги та обмеження.

Зважаючи на те, що основним об’єктами обслуговування є ЗВТ, для оцінки їх достатності (надлишку) удосконалений метод симпліфікації номенклатури комплектів ЗВТ ТС РТК шляхом матричного представлення шуканої задачі та доповнення його алгоритмом скорочення кількісного складу.

Умова доцільності симпліфікації типажу комплекту ЗВТ ТС РТК математично представляється як , де або . Рішення задачі полягає у пошуку вирішального правила задовольняючого обмеженню та такого, що екстремізує функцію

,

де - вирішальне правило (5); - вектор показників доцільності симпліфікації.

Задача симпліфікації номенклатури ЗВТ представляються як

(6)

при обмеженнях - цілі та .

Отже задача (6) представляється як задача лінійного цілочисельного програмування. Рішенням задачі (6) є вектор-рядок , що забезпечує . Пошук вирішального правила, що задовольняє умові , знаходиться з виразу (5). Використання матричного представлення задачі дозволяє отримувати рішення за один цикл.

Симпліфікація кількісного складу ЗВТ здійснюється шляхом зіставлення матриць - "тип ЗВТ- параметри ТС РТК" та - "функціонально-закінчені пристрої ТС" з визначенням питомої щільності вимірювань по кожному з , , параметрів ТС РТК. При цьому типи ЗВТ відповідають отриманій номенклатурі . Загальний вираз для обґрунтування раціональної кількості -го типу ЗВТ представляється як За умови, що , кількість ЗВТ (попередній комплект ЗВТ) на -му кроці визначається як Розроблений алгоритм дозволяє визначати раціональну кількість ЗВТ кожного типу.

Масові відмови ЗВТ при впливі екстремальних факторів висувають жорсткі вимоги до операційних можливостей РСОБ, обґрунтованості стратегій використання її сил та засобів. Для цього важливо знати структуру втрат ЗВТ. Для рішення цієї задачі розроблений метод оцінювання структури втрат по групах і ступеням пошкоджень з урахуванням структури втрат та пошкоджень ТС РТК, їх укомплектованості ЗВТ, виду несприятливого фактору.

Подання структури зв'язків втрат ТС і ЗВТ у вигляді орієнтованого графа (рис. 4), теоретико-множинний опис графа системою бінарних відносин

Рис. 4. Граф залежності втрат ЗВТ та ТС

, ,,кожне з яких характеризується матрицею , де - коефіцієнт, що кількісно характеризує ребро , що з'єднує - вершину - графа на - рівні з - вершиною на (+1)-рівні; (=0)(=1); (=1) (=2); (=2)(=5); (=3)(=6); , - кількість вершин на (+1)-му рівні, дозволили

встановити співвідношення матриць вершин і ребер у вигляді добутку . Тому що для ТС РТК виконуються співвідношення , тобто ребра характеризують відносні втрати РТК та їх розподіл по ступеням пошкоджень відповідно, то елементи матриці-рядка будуть характеризувати залежність втрат ЗВТ від втрат ТС РТК, а чисельні значення - відносні втрати ЗВТ по ступенях пошкоджень . Виходячи з цього, залежності для визначення відносних втрат ЗВТ з комплекту ТС РТК у момент часу і коефіцієнти розподілу цих втрат по видах пошкоджень визначаються як , , , ,.

Структура пошкоджень ЗВТ залежить від природи екстремального фактора. Для оцінювання впливу різних факторів ураження на працездатність ЗВТ були використані відомі моделі впливу і розраховані коефіцієнти відносних втрат для груп ЗВТ і факторів . Це дозволило довести розроблений метод до рівня інженерного застосування, представивши процедуру розрахунку як процедуру матричних обчислень загальної кількості пошкоджених та непошкоджених ЗВТ -ї групи на типах (видах) ТС РТК, що отримали і-ті ступені пошкоджень , де - матриця втрат ТС РТК за ступенями пошкоджень, , , - матриця укомплектованості ТС РТК засобами вимірювань; - елемент матриці, що характеризує кількість ЗВТ - групи на типах (видах) ТС РТК, які одержали -ті ступені пошкоджень та структури пошкоджень ЗВТ -ї групи , елементи якої визначають кількість ЗВТ -ї групи, які одержали -ті ступені пошкоджень на кожному з типів (видів) ТС РТК за умови застосування певного виду екстремального фактору.

Цілеположення РТК регламентує допустимі терміни відновлення пошкоджених ЗВТ , де - термін відновлення ЗВТ, - інтенсивність відмов ЗВТ. Для визначення цих часових обмежень запропонований підхід, який передбачає визначення неубуваючої функції , яка із заданою ймовірністю обмежує зверху усі можливі реалізації функції накопичення пошкоджених ЗВТ у часі Якщо РСОБ ЗВТ забезпечить своєчасне обслуговування заявок з законом їх накопичення на вході виду , то у цьому випадку з ймовірністю гарантується обслуговування і при всіх можливих реалізаціях . Отримано кінцеве співвідношення для розрахунку значення ймовірності при заданому значенні :

(7)

де ; ; ; ;…; ; ; ; ;…;

; ; ;

; ; . (8)

Співвідношення (8) представляє собою неявний вираз для розрахунку необхідного часу відновлення одного засобу вимірювальної техніки при заданому значенні величин . Таким чином, вирішив рівняння (7) відносно , можна обґрунтувати вимоги до операційних можливостей системи обслуговування центру ЗВТ.

Таким чином, розроблені методи оцінювання параметрів центру ЗВТ відносно номенклатури та кількісного складу, структури втрат, запропонований підхід щодо регламентації допустимих термінів відновлення ЗВТ дозволяють визначати загальносистемні вимоги до РСОБ ЗВТ - операційні та часові, які є вихідною інформацією для вирішення задач синтезу розподілених систем обслуговування.

Четвертий розділ присвячений розробці математичних моделей та методів синтезу РСОБ ЗВТ. Формальне представлення моделі системи як об'єкта управління, ідентифікація її функціональної моделі є визначальною стадією процедури синтезу, зокрема, стадією загальносистемного управління (визначення інтегральних параметрів управління).

Для синтезу РСОБ ЗВТ розроблені моделі системи, що описують вплив заходів з обслуговування на стан засобів вимірювальної техніки для стаціонарних умов (рис. 5), де I - підсистема

Рис. 5. Граф станів та переходів ЗВТ для Рис. 6. Граф станів та переходів ЗВТ для

стаціонарних умов умови масових відмов

обслуговування ЗВТ у ПРО (стаціонарні умови); ІІ - підсистема капітального ремонту ЗВТ; III - підсистема обслуговування ЗВТ на місці експлуатації; стани ЗВТ: 1 - ЗВТ справні, застосовуються; 2 - поточний і середній ремонт ЗВТ у ПРО (стаціонарні умови); 3 - повірка ЗВТ у ПРО (стаціонарні умови); 4 - заміна ЗВТ з обмінного фонду (ОФ) (повірка, поточний ремонт); 4 - заміна ЗВТ з ОФ (первинна повірка, середній ремонт); 5 - ЗВТ очікує поточного ремонту у зв’язку з відсутністю ЗІП; 5 - ЗВТ очікує середнього ремонту у зв’язку з відсутністю ЗІП; 6 - середній ремонт ЗВТ у ПРО (стаціонарні умови); 7 - первинна повірка ЗВТ у ПРО (стаціонарні умови);8 - несправні ЗВТ, дефектація у ПРО (стаціонар ні умови); 9 - технічне обслуговування №1 ЗВТ; 10 - капітальний ремонт ЗВТ на ремонтних підприємствах; 11 - несправні ЗВТ, списання; 12 - несправні ЗВТ, дефектація на місці експлуатації;13 - поточний ремонт ЗВТ на місці експлуатації; 14 - первинна повірка ЗВТ на ремонтних підприємствах; 15 - повірка ЗВТ на місці експлуатації; 16 - введення ЗВТ до експлуатації, 1 - надолуження ЗВТ за рахунок запасів, та умов масового виходу їх з ладу (рис. 6), де ІV - підсистема відновлення ЗВТ безпосередньо у пунктах відновлення СП РТК (БПВС); V - підсистема відновлення ЗВТ у збірних пунктах пошкодженої техніки (ЗППТ); стани ЗВТ: 17 - ЗВТ очікує відновлення у БПВС у зв’язку з відсутністю ЗІП ; 18 - несправні ЗВТ, дефекація у БПВС; 19 - несправні ЗВТ зі слабкими пошкодженнями (СлП) з ТС із СлП, очікування дефектації; 20 - відновлювальний ремонт ЗВТ у БПВС; 21 - несправні ЗВТ із середніми пошкодженнями (СП) з ТС із СлП, очікування дефектації; 22 - повірка ЗВТ у БПВС; 23 - заміна ЗВТ з обмінного фонду у БПВС; 24 - несправні ЗВТ із СлП з ТС із СП, очікування дефектації; 25 - відновлювальний ремонт ЗВТ у ЗППТ; 26 - несправні ЗВТ, дефекація у ЗППТ; 27 - несправні ЗВТ зі СП з ТС із СП, очікування дефектації; 28 - несправні ЗВТ зі СлП з ТС з беззворотними втратами (БВ), очікування дефектації; 29 - несправні ЗВТ зі СП з ТС з БВ, очікування дефектації; 30 - ЗВТ очікує відновлення у ЗППТ у зв’язку з відсутністю ЗІП; 31 - несправні ЗВТ із ТП, БВ з ТС зі СлП та СП, списання; 32 - несправні ЗВТ з ТС із ТП; 33 - заміна ЗВТ з обмінного фонду у ЗППТ; 34 - повірка ЗВТ у ЗППТ; 2 - надолуження втрат за рахунок надходження ЗВТ із запасів та інших джерел.

Система обслуговування ЗВТ представляється розімкнутою. При опису системи враховані прийнята система експлуатації ЗВТ, стратегії їх обслуговування та відновлення, цілеположення РТК.

З огляду на те, що РСОБ оперує сукупностями ЗВТ, для аналітичного подання моделей був використаний метод динаміки середніх. У загальному виді математичні моделі являють собою системи рівнянь динаміки середніх (СРДС), яка для стаціонарних умов представляється як:

; ;

; ;

; ;

; ;

; ; ;

; ;

; ; ; ,

а для умов масових відмов ЗВТ має вид:

; ; ; ; ; ; ; ; ;

; ; ; ;

; ; ;

,

де , - середні чисельності ЗВТ, що у момент часу t належать і-му стану ();, - інтенсивності потоку подій.

Розімкнення системи враховується шляхом поповнення чисельностей станів ЗВТ, що математично реалізується додаванням до правих частин СРДС (9) і (10) доданків та , що компенсують втрати чисельності ЗВТ РТК за рахунок списання та беззворотних втрат ЗВТ. Для одержання рішень СРДС сформульовані умови, що дозволяють уточнювати подання математичних моделей функціонування РСОБ та вибирати методи рішення. Для стаціонарного режиму система (9) вироджується у систему лінійних алгебраїчних рівнянь (СЛАР) (граничний стаціонарний режим). Матричне представлення СЛАР, розрідженість матриці (коефіцієнт розрідження не перевищує 0,1) дозволяє як ефективний метод рішення використовувати метод Крамера та одержувати аналітичні рішення:

Рішення системи (10) як системи диференційних рівнянь (СДР) здійснюється методом Рунне-Кута. Наявність аналітичних рішень дозволяє вирішувати завдання оптимізації параметрів обслуговування ЗВТ РТК, яка формулюються як задача мінімізації витрат на експлуатацію засобів вимірювальної техніки при виконані обмежень:

(11)

де

,..., - ймовірності станів ЗВТ (, ), які є функціями оптимізуємих параметрів та таких, що не змінюються , для моделі функціонування РСОБ ЗВТ.

Нелінійність цільової функції та функції обмеження, обмеження у формі нерівностей відносять цю задачу до класу задач нелінійного програмування. Матричне представлення задачі (11) та використання операції псевдообертання гарантує рішення не тільки у випадку, коли матриця стає погано обумовленою, але і навіть виродженою.

Задача синтезу функціональної структури системи формулюється як визначення множини ПРО , вирішуваних ними завдань , і порядку обслуговування розподіленого ТК , при яких час відновлення ЗВТ є мінімальним, а витрати не перевищать встановлені. Зважаючи на розмірність задач синтезу РСОБ ЗВТ, був запропонований метод синтезу функціональної структури системи, алгоритм рішення якого передбачає послідовне вирішення задачі синтезу при припущені про ідеальну транспортну мережу

(12)

при обмеженнях

;

; ;

з наступним корегуванням складу системи, враховуючи характеристики транспортної мережі (задача мінімізації тривалості переїздів):

, (13)

при , де , - вартості виконання f-го рейса комплектами повірочного (ремонтного) обладнання П(Р)О (об'єктом обслуговування), і на кількість рейсів, тобто кожний рейс повинен виконуватися хоча б один раз

Цільові функції (12) і (13) є нелінійними залежностями, частина яких змінюється дискретно, а частина – безперервно. Рішення задач такого класу можливо з використанням методів нелінійного програмування. Урахування допустимих стратегій надходження заявок на обслуговування істотно збільшує розмірність задачі. У цьому випадку її рішення відомими методами нелінійного програмування істотно ускладнюється. Для вирішення цієї ситуації сформульоване спрощене подання шуканої задачі і її рішення здійснюється за допомогою алгоритму оптимізації, заснованого на формальних точних методах дискретної оптимізації.

Таким чином, розроблені математичні моделі РСОБ ЗВТ, які забезпечують рішення задач визначення та оптимізації параметрів обслуговування ЗВТ РТК, що є інтегрованими параметрам управління, та методи синтезу функціональної структури системи з урахуванням розосередження засобів вимірювальної техніки та цілеположення та координації РТК.

П’ятий розділ присвячений розробці математичних моделей обслуговування ЗВТ у повірочно-ремонтних органах РСОБ та рішенню задач їх синтезу та аналізу.

Синтез функціональної структури РСОБ ЗВТ дає диференційовані операційні характеристики системи для кожного пункту відновлення (ПВ) об'єктів обслуговування або ПРО. Реалізація таких вимог можлива за умови, що орган має канали повірки і ремонту ЗВТ та має доцільну кількість робочих місць (РМ), забезпечуючи необхідну якість, своєчасність і ритмічність обслуговування заявок. За цих умов та з урахуванням прийнятих стратегій обслуговування ЗВТ, ПРО представляється багатоканальною системою масового обслуговування замкнутого типу з очікуванням, що забезпечує одержання "зовнішніх" і "внутрішніх" параметрів органу. Задача визначення "внутрішніх" характеристик (задача синтезу) ПРО вирішується як задача визначення кількість РМ з повірки і ремонту ЗВТ на основі заданих