Статья: Методика оценки живучести сложных систем военного назначения

Теоретическая база метода определения весовых коэффициентов , дуг орграфа боеспособности подробно изложена в [10] и практически реализована при решении многих задач, например в [11].

Построенные взвешенные орграфы боеспособности элементов в дальнейшем будут использованы для построения орграфа взаимосвязи системы и определения значимости действующих в ней взаимосвязей. Полученная информация может быть использована при декомпозиции целей и задач функционирования системы и определении исходных состояний ее элементов в ходе моделирования влияния внешних воздействий на систему.

Декомпозиции целей и задач функционирования системы является основой для реализации структурно-функционального анализа живучести исследуемой системы. Подходы к решению подобных задач рассматривалось выше, при построении орграфов боеспособности элементов системы [10, 11]. Особенностью можно считать лишь то, что декомпозиция осуществляется не для элементов в отдельности, а для системы в целом. При этом возможно использование информации, полученной в ходе построения орграфов боеспособности, при условии соответствия требуемой степени необходимой и достаточной детализации.

Построенную иерархию можно называть единый граф целей и задач. Для определения значимости элементов в системе и их вклада в решение каких-либо задач можно использовать метод анализа иерархий [10] или просто маркировать (цветом, цифрой, буквой) принадлежность составляющих граф вершин к какому-либо элементу системы.

В общем случае, вершина единого орграфа целей и задач будет соответствовать основной цели функционирования системы, степень реализации которой характеризует ее живучесть и боеспособность. Показатель можно назвать коэффициентом живучести системы, числовое значение которого будет отражать боевые возможности системы. Чем в большей степени сохранились боевые возможности системы после внешнего воздействия на нее, тем в более лучшем состоянии боеспособности она находится, а, значит, обладает наилучшим свойством живучести.

Реализуя предлагаемую методику на примере системы (рисунок 1), строится декомпозиция целей и задач ее функционирования, структура которой аналогична изображенной на рисунке 2. Нижний уровень функциональной декомпозиции маркирован буквенными символами, соответствующими элементам, задействованным в решении соответствующих задач (элемент С – подзадачи ; О – ; В – ; совместно С и О – ; О, В – ; С, В – ).

Будем считать, что определенные экспертами весовые коэффициенты , , дуг единого орграфа целей и задачимеют следующие значения: .

Вероятность достижения исследуемой системой основной цели ее функционирования в установленные сроки характеризуется коэффициентом .

Проделав процедуру декомпозиции основной цели, представляется возможность получить единый n уровневый граф целей и задач с логикой «И». С его помощью можно определить степень влияния частных целей, задач на достижение основной цели функционирования системы, выражающееся в изменении значения коэффициента живучести.

Зная принадлежность вершин единого графа целей и задач к структурным элементам системы, можно установить элементы, наиболее значимые для живучести системы, а так же определить, как изменится значение коэффициента живучести в результате изменения боеспособности ее элементов. Коэффициент живучести, полученный после некоторого количества внешних воздействий на структуру системы, будет отражать способность системы функционировать в соответствии с предназначением с учетом структурной уязвимости ее элементов.

Схематизацию существующих взаимосвязей между элементами системы предлагается осуществлять на основе детального изучения и глубокого анализа их взаимодействия, путем построения орграфа взаимосвязи.

Построенные ранее орграфы боеспособности элементов системы будем рассматривать как связные компоненты орграфа взаимосвязи. Изоморфные орграфы боеспособности однотипных элементов можно отображать одной компонентой, если существующие взаимосвязи с другими элементами системы так же будут идентичными.

В дальнейшем, соединяя дугами вершины различных связных компонент орграфа взаимосвязи таким образом, чтобы дуга была направлена только от вершины одной компоненты к вершине другой, и эти вершины принадлежали низшему из рассматриваемых уровней иерархии, можно получить орграф взаимосвязи, характеризующий, в общем случае, связность системы и значимость существующих в ней взаимосвязей.

Наличие дуги и ее направление отражает существование реальной взаимосвязи между элементами (компонентами) системы (орграфа), выражающееся в конкретных действиях, мероприятиях, материальном или информационном обмене между элементами в ходе решения конкретных задач (соединяемых вершин орграфов боеспособности).

Степень детализации, используемой при построении орграфа взаимосвязи, необходимо выбирать исходя из размерности возникающей задачи. Если размерность возникающей задачи затрудняет ее решение, следует отказаться от низшего уровня иерархии (ослабление условий) и использовать для построения орграфа взаимосвязи уровень иерархии, предшествующий низшему уровню [5].

На примере рассматриваемой системы (рисунок 1) построение орграфа взаимосвязи осуществляется путем установления взаимосвязей между вершинами нижних уровней взвешенных орграфов боеспособности элементов системы (рисунок 3).

Рисунок 3 – Орграф взаимосвязи исследуемой системы

При необходимости детального анализа динамически сложных систем каждой дуге в орграфе взаимосвязи можно придавать определенный тип (цвет), в зависимости от того, какого типа возмущение она способна передавать (информационное, энергетическое и т.п.). Подобное усложнение позволит детализировать анализ, хотя, по сути, не повлияет на адекватность модели. Поэтому, в дальнейшем, при рассмотрении примера, будем считать дуги орграфа однотипными.

Помимо достижения основной цели, построение орграфа взаимосвязи позволит путем выявления на нем висячих и тупиковых вершин выявить неопределенности в распределении задач между элементами системы, уточнить корректность их формулировок при декомпозиции. Орграф взаимосвязи будет являться основой для вычисления коэффициентов значимости существующих взаимосвязей между структурными элементами системы и построении взвешенного орграфа системы.

Построение взвешенного орграфа системы и моделирование внешних воздействий на систему с использованием предлагаемой методики позволяют учитывать при оценке живучести системы влияние изменения возможностей элементов выполнять стоящие перед ними задачи на показатели качественного состояния других элементов, не подвергнувшихся воздействию непосредственно, и способность системы достигать основной цели ее функционирования.

Определение значимости взаимосвязи между элементами системы (связными компонентами орграфа) возможно осуществить исходя из значений весовых коэффициентов дуг , , орграфов боеспособности элементов, используемых при построении орграфа взаимосвязи. При этом, предлагается вычисление коэффициента значимости взаимосвязи элементов и производить по формуле

Значимой для k-го элемента считается взаимосвязь с элементом , если из подмножества вершин k-й компоненты орграфа взаимосвязи, принадлежащих низшему уровню иерархии графа боеспособности элемента, выходят n дуг к подмножеству вершин низшего уровня иерархии k-й компоненты орграфа взаимосвязи. Вычисление весового коэффициента значимости, взаимосвязи k-го элемента с m-м элементом осуществляется по формуле (1) для тех вершин k-й компоненты, которые являются окончанием n дуг. При этом

Подобный подход к определению значимости существующих в системе взаимосвязей позволит определить их численное выражение. Из (1) очевидно, что , т.е. так как в (1) используются весовые коэффициенты орграфа боеспособности структурного элемента системы, являющегося окончанием дуг взаимосвязи двух элементов, то сумма всех взаимосвязей k-го элемента не превысит 1. При этом значение 1 для суммы всех взаимосвязей k-го элемента означает, что его боеспособность целиком зависит от наличия действующих между элементами системы взаимосвязей и качественного состояния взаимосвязанных элементов. Значение 0 – говорит об автономности элемента при решении стоящих перед ним задач или, что одно и то же, об отсутствии взаимосвязи между элементами. В случае, отличном от рассмотренных выше, значение суммы всех взаимосвязей k-го элемента примет вид:

Таким образом, взаимосвязи структурных элементов системы могут быть формализованы при помощи дуг орграфа взаимосвязи, а их значимость определена по правилу (1).

В результате реализации предложенного подхода предоставляется возможность преобразовать орграф взаимосвязи во взвешенный орграф системы. При этом следует считать тождественными понятия: граф (орграф) системы и структура системы, вершина графа и элемент системы, ребро (дуга) графа и связь меду элементами системы, вес вершины и боеспособность элемента.

Для этого связные компоненты орграфа взаимосвязи необходимо стянуть в вершины. Их численность должна соответствовать количеству действующих структурных элементов системы, даже если какой-то из них в орграфе взаимосвязи представлял несколько изоморфных орграфов боеспособности.

Для всякого конечного графа примем обозначение , где – множество вершин, а – множество его ребер. Орграф моделируемой системы не должен иметь петель.

Построение взвешенного орграфа системы (рисунок 4), рассматриваемой на примере, следует осуществлять с учетом организационной структуры системы (рисунок 1), построенного орграфа взаимосвязи (рисунок 3) и полученных экспертным путем весовых коэффициентов на всех предыдущих этапах реализации методики. Боеспособность всех элементов в начальный момент времени будем считать идеальной, т.е. равной 1.