ДЕТЕРМИНИРОВАННЫЕ РАЗДЕЛЫ ОБЩЕГО ЛОГИКО-ВЕРОЯТНОСТНОГО МЕТОДА
Аннотация. Приведены результаты систематизации данных о существующих и новых научных разработках вопросов детерминированного моделирования в общем логико-вероятностном методе (ОЛВМ), теории и технологии автоматизированного структурно-логического моделирования (АСМ).
Ключевые слова . Общий логико-вероятностный метод, схема функциональной целостности, вероятностные модели, детерминированное моделирование.
Введение. Исторически сложилось так, что все логико-вероятностные методы разрабатывались и использовались в целях моделирования и расчета вероятностных показателей различных свойств системных объектов (надежность, стойкость, живучесть, устойчивость, безопасность, технический риск, ожидаемый ущерб, эффективность). Однако в последние годы, наряду с дальнейшим расширением круга задач вероятностного анализа, все более востребованными становятся вопросы разработки методов и программных средств детерминированного моделирования структурно сложных систем различных видов, классов и назначения. В настоящем сообщении приведены результаты систематизации данных о существующих и новых научных и технологических разработках вопросов детерминированного моделирования в рамках общего логико-вероятностного метода (ОЛВМ) , теории и технологии автоматизированного структурно-логического моделирования (АСМ) .
1. Детерминированные методы аналитического ОЛВМ.
Следует отметить, что все логико-вероятностные методы системного анализа имеют четко выраженные детерминированные составляющие на всех основных этапах моделирования. На этапе постановки задач к детерминированным относятся все виды графических средств и методики построения структурных моделей исследуемых свойств – деревья отказов, деревья событий, блок-схемы, графы связности, схемы функциональной целостности и др. На следующих этапах логико-вероятностного моделирования детерминированными являются методы, алгоритмы и программы построения на основе заданной структурной схемы логических и вероятностных (точных или приближенных) математических моделей исследуемых свойств системы. На завершающем этапе ОЛВМ детерминированными выступают методы и процедуры вычислений вероятностных показателей свойств систем, на основе построенных точных или приближенных аналитических вероятностных функциях.
В рамках существующих отечественных и зарубежных типовых монотонных логико-вероятностных методов системного анализа были разработаны и успешно применяются различные точные и приближенные средства (методы, алгоритмы и программы) построения на основе деревьев отказов, блок-схем или графов связности детерминированных логических функций работоспособности систем (ФРС) и многочленов вероятностных функций (ВФ).
В ОЛВМ эти виды аналитических моделей строятся на основе логически универсального графического аппарата структурных схем функциональной целостности (СФЦ) . Детерминированные ФРС и ВФ определяются в ОЛВМ для всех видов монотонных и немонотонных моделей исследуемых свойств систем большой размерности и высокой структурной сложности . Для построения логических ФРС в ОЛВМ был разработан универсальный графоаналитический метод (УГМ) , а для построения многочленов ВФ – комбинированный метод . Эти методы доведены до программной реализации и используются в промышленных образцах программных комплексов автоматизированного структурно-логического моделирования систем .
Для иллюстрации детерминированного аналитического ОЛВМ рассматривается простой тестовый пример анализа типовой мостиковой системы . В левой части рис.1 изображена СФЦ мостиковой системы, введенная в программный комплекс (ПК) АСМ 2001, и соответствующая ей полная система логических уравнений. В примере решены три детерминированные задачи – построения логической ФРС, построения многочлена ВФ и аналитического расчета вероятности реализации критерия частичного отказа (частичной работоспособности) мостиковой системы (выходной элемент 3 выполнил, а выходной элемент 4 не выполнил свою функцию).
Рис.1 Тестовый пример применения детерминированного аналитического ОЛВМ
В правой части рис.1 приведены результаты применения
УГМ для получения логической ФРС и комбинированного метода для построения
многочлена ВФ. Аналитический расчет вероятности частичной работоспособности
мостиковой системы выполнен
для случая, когда вероятности всех элементарных событий равны 
.
В настоящее время продолжаются работы по дальнейшему совершенствованию методов детерминированного аналитического ОЛВМ. Вместе с тем, в последние годы произошло становление и развитие ряда новых специальных направлений детерминированного ОЛВМ анализа систем.
2. Детерминированные методы статистического ОЛВМ.
В статистическом логико-вероятностном моделировании детерминированными являются средства построения имитационных моделей исследуемых свойств структурно-сложных систем. На основе сформированных имитационных моделей методами статистических испытаний определяются количественные оценки вероятностных показателей исследуемых свойств системы. Первый логико-статистический метод (ЛСМ), разработанный И.А.Рябининым , в качестве имитационной модели использует логическую ФРС исследуемой системы. В ОЛВМ и ПК АСМ реализован другой – итерационный логико-статистический метод (ИЛСМ), разработанный Алексеевым А.О . ИЛСМ в качестве детерминированной имитационной модели использует непосредственно СФЦ исследуемой системы, которая представляется в форме монотонной или немонотонной системы логических уравнений. Это позволяет в статистическом ОЛВМ вообще не выполнять построения детерминированных аналитических моделей (ни ФРС, ни ВФ).
На рис.2 приведено окно автоматизированного моделирования ПК АСМ 2001 с результатами расчетов разными способами вероятностных показателей частичной работоспособности рассмотренной выше мостиковой системы (см. рис.1).
Рис.2 Результаты применения детерминированного метода статистического ОЛВМ
Из рис.2 следует, что с помощью детерминированного ОЛВМ автоматического формирования имитационной модели и выполнения на ее основе статистических расчетов вероятности частичной работоспособности мостиковой системы получен результат
Этот результат статистического ОЛВМ вполне согласуется с полученным
электроснабжения с помощью дерева отказов
Логико-вероятностный метод с использованием дерева отказов является дедуктивным (от общего к частному) и применяется в тех случаях, когда число различных отказов системы относительно невелико. Применение дерева отказов для описания причин отказа системы облегчает переход от общего определения отказа к частным определениям отказов и режимов работы её элементов, понятным специалистам-разработчикам как самой системы, так и элементов. Переход от дерева отказов к логической функции отказа открывает возможности для анализа причин отказа системы на формальной основе. Логическая функция отказа позволяет получить формулы для аналитического расчёта частоты и вероятности отказов системы по известной частоте и вероятностям отказов элементов. Использование аналитических выражений при расчёте показателей надёжности даёт основание к применению формул теории точности для оценки среднеквадратической погрешности результатов.
Отказ функционирования
объекта как сложное событие является
суммой события отказа работоспособности
и события
,
состоящего в появлении критических
внешних воздействий. Условие отказа
функционирования системы формулируется
специалистами в области конкретных
систем на основе технического проекта
системы и анализа её функционирования
при возникновении различных событий
при помощи высказываний
.
Высказывания могут быть конечными, промежуточными, первичными, простыми, сложными. Простое высказывание относится к событию или состоянию, которые сами не рассматриваются ни как логическая сумма «ИЛИ», ни как логическое произведение «И» других событии или состояний. Сложное высказывание, представляющее собой дизъюнкцию нескольких высказываний (простых или сложных), обозначается оператором «ИЛИ», связывающим высказывания низшего уровня с высказываниями высшего уровня (рис.3.15,а). Сложное высказывание, представляющее собой конъюнкцию нескольких высказываний (простых или сложных), обозначается оператором «И», связывающим высказывания низшего уровня с высказываниями высшего уровня (рис.3.15,б).
Рис.3.15.
Элементы
представления логических схем
Высказывания удобно кодировать так, чтобы по коду можно было судить о том, простое оно или сложное, на каком уровне от конечного расположено и что собой представляет (событие, состояние, отказ срабатывания, тип элемента).
В теории графов деревом называется связный граф, не содержащий замкнутых контуров. Деревом отказов называют логическое дерево (рис. 3.16), в котором дуги представляют события отказа на уровне системы, подсистем или элементов, а вершины – логические операции, связывающие исходные и результирующие события отказов.
Рис. 3.16. Пример построения дерева отказов
Построение дерева отказов начинается с формулировки конечного высказывания об отказе системы. Для характеристики безотказности системы конечное высказывание относят к событию, которое приводит к нарушению функционирования в рассматриваемом интервале времени, при заданных условиях. То же для характеристики готовности.
Пример 8 . Построим дерево отказов для схемы сети, приведенной на рис.3.17.
Рис.3.17. Схема сети
Подстанции В и С питаются от подстанции А . Конечным событием дерева отказов является отказ системы в целом. Этот отказ определяется как событие, заключающееся в том, что
1) либо подстанция В , либо подстанция С полностью теряют питание;
2) мощность для питания суммарной нагрузки подстанций В и С приходится передавать по одной-единственной линии.
Исходя из определения конечного события и принципиальной схемы системы, строим дерево отказов (вниз от конечного события) (рис. 3.18). Цель анализа дерева отказов состоит в том, чтобы определить вероятность конечного события. Поскольку конечное событие есть отказ системы, анализ дает вероятность Р (F ).
Метод анализа основан на нахождении и расчете множеств минимальных сечений. Сечением называют такое множество элементов, суммарный отказ которых приводит к отказу системы. Минимальное сечение – такое множество элементов, из которого нельзя удалить ни одного элемента, иначе оно перестаёт быть сечением.
Передвигаясь на один уровень ниже от вершинного (конечного) события, проходим через узел «ИЛИ», который указывает на существование трёх сечений: {P }, {Q }, {R } (Р, Q , R – события отказов). Каждое из этих сечений может быть разделено далее на большее число сечений, но может выясниться, что отказ сечений обуславливается несколькими событиями, в зависимости от того, какой тип логического узла встречается на пути следования.
Рис.3.18. Дерево отказов системы по схеме рис. 3.17:
–отказы подсистем, которые можно анализировать далее;
Например, {Q} сначала превращается в сечение {3,Т }, затем Т разделяется на сечения {Х,У }, в результате вместо одного сечения {3,Т } появляются два: {3,X }, {3,У }.
На каждом из последующих шагов выявляются множества сечений:
Минимальными сечениями являются выделенные сечения {3,4,5}, {2,3}, {1,3}, {1,2}. Сечение {1,2,3} не минимальное, поскольку {1,2} – тоже сечение. На последнем шаге множества сечений состоят исключительно из элементов.
Классические методы расчета надежности систем
К классическим методам относятся модели надежности с последовательным, параллельным, параллельно-последовательным соединениями элементов, их различные модификации.
Модель с последовательным соединением элементов. При расчетах надежности последовательным называется такое соединение элементов, при котором отказ хотя бы одного из них приводит к отказу всего соединения в целом. Последовательное соединение в указанном выше смысле не всегда совпадает с физическим последовательным соединением элементов. Отказы элементов предполагаются независимыми, то есть отказ любой группы элементов никак не влияет на вероятностные характеристики остальных элементов. Элемент понимается как один из самостоятельных участков последовательного соединения.
Последовательное соединение элементов
В данном случае вероятность безотказной работы системы можно рассчитать по формуле:
где Р с – вероятность безотказной работы системы; Р i (t) – вероятность безотказной работы i- го элемента системы
Модель с параллельным соединением элементов (рис. 2.2). При расчетах надежности параллельным (резервным) называется такое соединение элементов, при котором отказ всего соединения происходит при отказе всех элементов системы (элементы дублируют друг друга).
Параллельное соединение элементов
В этом случае показатель надежности системы P c определяется через вероятности отказа элементов q 1 , q 2 , …, q n , которые связаны с вероятностью безотказной работы соотношениями вида q i (t) = 1 – P i (t)
Вероятность отказа всей системы равна:
Тогда вероятность безотказной работы системы с параллельным соединением элементов q 1 , q 2 , …, q n имеет вид
Модель с параллельно-последовательным соединением элементов . При расчетах надежности параллельно-последовательным называется такое соединение элементов, при котором можно составить структурные схемы участков как с последовательным, так и с паралелльным соединением элементов
Параллельно-последовательное соединение элементов
Для системы вначале рассчитывается вероятность безотказной работы участка 23:
P 23 = 1 - (1 - P 2 (t))×(1 – P 3 (t)),
затем – участка 123: P 123 (t) = P 1 (t)×P 23 (t) = P 1 (t)×(1 – (1 – P 2 (t))×(1 – P 3 (t))).
Итоговая расчетная формула имеет вид P с (t) = 1 – (1 – P 123 (t))×(1 – P 4 (t)).
Модели несводимые к параллельно-последовательным соединениям . К данному классу относятся системы с мостовыми и еще более сложными соединениями элементов (рис. 2.4).
Пример мостового соединения элементов
Система является работоспособной, если работоспособны элементы:
Надежность систем данного класса целесообразно оценивать по логико-вероятностному методу, используя аппарат алгебры логики.
Модель с использованием марковских процессов. Модель задается в виде состояний, в которых система может находиться, и возможных переходов из одного состояния в другое (рис. 2.5).
При представлении ИС с помощью данной модели используется теория марковских процессов в том случае, если нахождение системы не зависит от того, в каком состоянии находилась ИС в прошлом.
Вероятностный граф состояний системы имеет следующие состояния:
1. Работают оба элемента системы.
2. Отказ одного из элементов.
3. Отказ двух элементов.
Вероятностный граф состояний системы
Если заданы вероятности перехода системы из состояния iв состояние j b ij , то можно определить вероятности нахождения системы в i- м состоянии P i (t), а значит и показатели надежности, составляя и решая уравнение Колмогорова – Смирнова.
Производная от вероятности нахождения системы в i-том состоянии равна алгебраической сумме произведений интенсивностей перехода на вероятности соответствующих состояний. Тем произведениям, которым соответствуют уходящие из данного состояния стрелки, приписывают знак "-", а входящим – "+".
Таким образом, для данного примера системы имеем:
Решив систему уравнений мы определим вероятности нахождения системы в i-м состоянии P i (t).
Функция вероятности безотказной работы системы в данном случае равна вероятности нахождения системы в 1-м состоянии: P c (t) = P 1 (t).
Метод основан на математическом аппарате алгебры логики. Расчет надежности системы управления предполагает определение связи между сложным событием (отказ системы) и событиями, от которых оно зависит (отказы элементов системы). Следовательно, расчеты на надежность основаны на проведении операций с событиями и высказываниями, в качестве которых принимаются утверждения о работоспособности или отказе элемента (системы). Каждый элемент системы представляется логической переменной, принимающей значение 1 или 0.
События и высказывания при помощи операций дизъюнкции, конъюнкции и отрицания объединяются в логические уравнения, соответствующие условию работоспособности системы. Составляется логическая функция работоспособности. Расчет, основанный на непосредственном использовании логических уравнений, называется логико-вероятностным и выполняется в семь этапов:
1. Словесная формулировка условий работоспособности объекта. Описывается зависимость работоспособности информационной системы от состояния ее отдельных элементов.
2. Составление логической функции работоспособности. Представляет собой логическое уравнение, соответствующее условию работоспособности системы управления
которое выражено в дизъюнктивной форме, например:
где x i – условие работоспособности i- го элемента Fл; X i = 1 – работоспособное состояние, X i = 0 – неработоспособное состояние.
3. Приведение логической функции работоспособности F Л к ортогональной бесповторной форме F ЛО. Сложную логическую функцию работоспособности необходимо привести к ортогональной бесповторной форме.
Функция вида (2.2) называется ортогональной, если все ее члены D i попарно ортогональны (то есть, их произведение равно нулю), и бесповторной, если каждый ее член D i состоит из букв х i , с разными номерами (то есть отсутствуют повторяющиеся аргументы), например: произведение элементарных конъюнкций х 1 , х 2 , x 4 и х 3 , x 2 равно нулю, так как одна из них содержит x 2 , а другая – x 2 , следовательно, они ортогональны; D 1 = x 1 ×x 2 ×x 2 , где x 2 и x 2 имеют один и тот же номер, поэтому член D 1 не является бесповторным.
– ортогональная бесповторная форма;
– ортогональная, но не бесповторная форма.
Функцию F л можно преобразовать к ортогональной бесповторной форме F ло, используя законы и правила преобразования сложных высказываний. При расчетах наиболее употребительны правила:
4. Арифметизация F ло. По найденной ортогональной бесповторной логической функции работоспособности F ЛО определяется арифметическая функция F a (2.3).
где A i – арифметическая форма членов D i функции F ло.
Арифметизация членов D i , в общем виде содержащих операции дизъюнкции, конъюнкции и отрицания, осуществляется заменой логических операций арифметическими по правилам:
5. Определение вероятности безотказной работы системы.
Вероятность безотказной работы системы устанавливается как вероятность истинности логической функции работоспособности, представленной в ортогональной бесповторной форме, и вычисляется как сумма вероятностей истинности всех ортогональных членов этой функции алгебры логики. Все события (высказывания) заменяются их вероятностями (вероятностями безотказной работы соответствующих элементов).
6. Вычисление требуемых показателей надежности системы управления по найденному показателю P c (t):
Вероятность безотказной работы P c (t);
Вероятность отказа Q c (t) = 1 – P c (t);
Интенсивность отказов
Средняя наработка до отказа
7. Анализ соответствия полученных показателей надежности заданным техническим требованиям системы.
Допущения, принимаемые при логико-вероятностном методе: для элементов системы возможны только два состояния; метод применим для невосстанавливаемых систем; отказы элементов системы должны быть независимы.
Метод основан на математическом аппарате алгебры логики. Расчет надежности системы управления предполагает определение связи между сложным событием (отказ системы) и событиями, от которых оно зависит (отказы элементов системы). Следовательно, расчеты на надежность основаны на проведении операций с событиями и высказываниями, в качестве которых принимаются утверждения о работоспособности или отказе элемента (системы). Каждый элемент системы представляется логической переменной, принимающей значение 1 или 0.
События и высказывания при помощи операций дизъюнкции, конъюнкции и отрицания объединяются в логические уравнения, соответствующие условию работоспособности системы. Составляется логическая функция работоспособности. Расчет, основанный на непосредственном использовании логических уравнений, называется логико-вероятностным и выполняется в семь этапов:
1. Словесная формулировка условий работоспособности объекта. Описывается зависимость работоспособности информационной системы от состояния ее отдельных элементов.
2. Составление логической функции работоспособности. Представляет собой логическое уравнение, соответствующее условию работоспособности системы управления
которое выражено в дизъюнктивной форме, например:
где x i – условие работоспособности i- го элемента Fл; X i = 1 – работоспособное состояние, X i = 0 – неработоспособное состояние.
3. Приведение логической функции работоспособности F Л к ортогональной бесповторной форме F ЛО. Сложную логическую функцию работоспособности необходимо привести к ортогональной бесповторной форме.
Функция вида (2.2) называется ортогональной, если все ее члены D i попарно ортогональны (то есть, их произведение равно нулю), и бесповторной, если каждый ее член D i состоит из букв х i , с разными номерами (то есть отсутствуют повторяющиеся аргументы), например: произведение элементарных конъюнкций х 1 , х 2 , x 4 и х 3 , x 2 равно нулю, так как одна из них содержит x 2 , а другая – x 2 , следовательно, они ортогональны; D 1 = x 1 ×x 2 ×x 2 , где x 2 и x 2 имеют один и тот же номер, поэтому член D 1 не является бесповторным.
– ортогональная бесповторная форма;
– ортогональная, но не бесповторная форма.
Функцию F л можно преобразовать к ортогональной бесповторной форме F ло, используя законы и правила преобразования сложных высказываний. При расчетах наиболее употребительны правила:
1) x 1 ×x 2 = x 2 ×x 1 ;
4. Арифметизация F ло. По найденной ортогональной бесповторной логической функции работоспособности F ЛО определяется арифметическая функция F a (2.3).
где A i – арифметическая форма членов D i функции F ло.
Арифметизация членов D i , в общем виде содержащих операции дизъюнкции, конъюнкции и отрицания, осуществляется заменой логических операций арифметическими по правилам:
5. Определение вероятности безотказной работы системы.
Вероятность безотказной работы системы устанавливается как вероятность истинности логической функции работоспособности, представленной в ортогональной бесповторной форме, и вычисляется как сумма вероятностей истинности всех ортогональных членов этой функции алгебры логики. Все события (высказывания) заменяются их вероятностями (вероятностями безотказной работы соответствующих элементов).
