Проектирование, оценка и обеспечение надежности систем "человек - машина"

Свойства и показатели эффективности, качества и надежности эргатических систем (А. И. Губинский)

Взаимосвязь понятий эффективности, качества и надежности функционирования эргатических систем

Как отмечалось, эргатические системы (ЭС) относятся к классу целенаправленных систем, т. е. систем, которые благодаря присущему им свойству активности стремятся к достижению некоторой цели (целей). Насколько результативна эта активность, можно судить по конечному результату - степени достижения цели - или более ограниченно - по характеру процесса функционирования, ведущего к достижению цели. В связи с этим необходимо различать свойства и показатели эффективности, качества и надежности функционирования.

Эффективность ЭС - свойство ЭС достигать конечной цели, т. е. получать продукт труда с заданным качеством в заданных условиях и обусловленные достижением цели результаты или эффект от них.

Качество функционирования ЭС - совокупное свойство, определяемое характеристиками процесса функционирования, ведущего к достижению конечной цели в заданных условиях.

Надежность функционирования ЭС - свойство ЭС сохранить устойчивость процесса функционирования, заключающуюся в отсутствии вынужденных прекращений процесса (срывов функционирования) и неправильных действий (ошибок).

Другими словами, надежность и качество функционирования ЭС - это процессуальные свойства, а эффективность - это результирующее свойство.

Надежность функционирования обусловливается двумя факторами: качеством функционирования (практически величиной разброса характеристик, описывающих качество функционирования) и внешними требованиями к качеству функционирования (практически величиной ограничений на предельно допустимые отклонения характеристик качества функционирования).

Эффективность ЭС обусловливается надежностью функционирования (степенью бесперебойности процесса функционирования) и качеством процесса функционирования (уровнем характеристик процесса функционирования на интервалах бесперебойного функционирования ЭС)

Взаимосвязь этих понятий представлена на рис. 1.

Рис. 1. Взаимосвязь качества, надежности и эффективности

В зависимости от задач исследования или применения могут использоваться различные градации эффективности [1]:

- прагматическая эффективность - когда в качестве оценки принимается степень достижения поставленной перед системой цели (оценка по достигаемому результату);

- специфическая (техническая, военная и т. д. ) эффективность - когда в качестве оценки принимается эффект, получаемый благодаря достижению цели системой (оценка по эффекту);

- специфически-экономическая (технико-экономическая, военно-экономическая и т. д.) эффективность - когда при оценке учитывается не только достигаемый системой материальный эффект, но и материальные заслуги, которые необходимы для достижения этого эффекта (оценка по комплексу "эффект - затраты").

Дальнейшим развитием будет социально-экономическая эффективность, если ввести в учет духовные затраты и духовное обогащение человека, получаемое им в результате достижения цели. Но проработка этих понятий только начинается.

Как видно, каждая следующая градация является более общей степени учета влияющих факторов, но оценка любой из них зиждется на оценке прагматической эффективности. Поэтому принципиально важно и необходимо в первую очередь иметь методы оценки именно прагматической эффективности (результативности) эргатических систем. Однако так как это выходит за рамки данной публикации, то ограничимся лишь указанием ряда показателей эффективности.

В общей формулировке для любого вида эффективности эргатических систем предложен [1] единый основной показатель - вероятность достижения цели.

Применительно к конкретным видам (градациям) эффективности этот единый показатель получает следующие более конкретные формы:

- для прагматической эффективности - вероятность достижения определенного результата;

- для специфической эффективности - вероятность достижения определенного эффекта, получаемого от достижения цели;

- для специфически-экономической эффективности - вероятность достижения определенного соотношения "экономический эффект - затраты";

- для социально-экономической эффективности - вероятность достижения определенного соотношения "социально-экономический эффект - затраты".

Конкретная номенклатура видов эффективности для ЭС должна выбираться в зависимости от масштаба" оцениваемой эргатической системы. Для малых эргатических систем преимущественно применимы показатели прагматической и специфической эффективности, для "больших" систем - прагматической, специфической и специфически-экономической, а для социальных систем - специфически-экономической и социально-экономической.

Особо нужно отметить, что показатели прагматической и специфической эффективности могут иметь некоторые различия в зависимости от того, рассматривается однократное или многократное повторение процесса функционирования ЭС. Так, - показателем прагматической эффективности для одноразового выполнения процесса функционирования будет вероятность получения продукта труда заданного качества, а для многоразового - вероятность получения некоторого количества продуктов труда с заданным качеством. При этом в последнем случае, кроме основного показателя эффективности, могут вводиться и производные от него (например, математическое ожидание количества продуктов с заданным качеством и др.).

Аналогичным показателем специфической эффективности будет вероятность достижения эффекта от получения продукта труда заданного качества, или математическое ожидание эффекта.

В заключение поясним на примере возникающий иногда вопрос: чем различаются понятия "результат" и "эффект"? При рассмотрении эргатической системы во взаимосвязи с другими (например, с системой более высокого уровня интеграции или иерархии) один и тот же результат может привести к различным эффектам, т. е. "эффект" - это проявление воздействия результата, полученного в данной системе, на соседнюю систему.

При обстреле самолета эргатической системой ПВО показателями прагматической эффективности являются для одноразового выполнения (одиночного выстрела) - вероятность попадания снаряда в самолет, а для многоразового выполнения - вероятность числа попаданий в самолет (или математическое ожидание числа попаданий). Соответствующими показателями специфической эффективности будут вероятность уничтожения самолета, вероятность числа сбитых самолетов (математическое ожидание числа сбитых самолетов).

В эргатической производственной системе изготавливаются детали, поступающие в следующую производственную систему, например на сборочный конвейер. Показателем прагматической эффективности будет вероятность изготовления детали (партии деталей) заданного качества, а соответствующим показателем специфической эффективности - вероятность обеспечения конвейера данной деталью (партией деталей), что приводит к неостановке конвейера.

Из последнего примера видно, что показатели эффективности данной эргатической системы для следующей эргатической системы могут трансформироваться в показатели надежности (неостановка конвейера - это событие, характеризующее уже устойчивость процесса функционирования следующей ЭС). Поэтому при оценке эффективности ЭС нужно предварительно уточнить границы самой ЭС и вид эффективности, подлежащий оценке.

Перейдем теперь к рассмотрению понятия "качество функционирования ЭС" и "надежность функционирования ЭС".

Для того чтобы достичь цели (и, следовательно, получить результат и эффект от него), необходимо знать эту цель, иметь способы достижения цели и средства для реализации этих способов. Для целефиксированных ЭС цель задана извне и, Следовательно, известна заранее. В случае же целеавтономных (интерактивных) ЭС она формируется в процессе функционирования ЭС. Именно этот общий случай и будем рассматривать далее.

В процессе функционирования ЭС необходимо различать три этапа планирование, подготовку и исполнение.

На этапе планирования формулируется цель и способы ее достижения. При этом, в соответствии с [2] , при принятии (задании) срока и количественных характеристик желаемого результата цель становится задачей (совокупностью задач).

На основании изложенных соображений можно раскрыть структуру свойства "качество функционирования" в виде схемы, представленной на рис. 2.

Рис. 2. Структура свойств, определяющих эффективность и качество функционирования

Качество функционирования в идеальном случае, когда процесс функционирования правильно запланирован и обеспечен необходимыми ресурсами, а также не происходит при его выполнении отказов и ошибок, определяется единственным и главным свойством эргатическои системы - её производительностью.

Однако в общем случае, кроме производительности, нужно учитывать еще два свойства:

- функциональность (функциональная обеспеченность) - так нами названо свойство, состоящее в обеспеченности процесса функционирования ЭС планами функционирования и необходимым для их выполнения соответствующим материально-организационным обеспечением (это свойство можно также назвать надежностью планирования и обеспечения),

- надежность функционирования - способность сохранять устойчивость запланированного процесса функционирования, заключающуюся в отсутствии вынужденных прекращений процесса и неправильного его исполнения по отношению к запланированному.

Функциональность можно представить состоящей из двух групповых свойств - плановости и реализуемости (подготовленности).

Плановость - совокупное свойство, включающее наличие реальной цели, планируемой к достижению (свойство целеопределенности функционирования ЭС), и совокупность документов или правил, обусловливающих принципы, порядок или последовательность решаемых задач (выполняемых действий), которые могут привести к достижению запланированной цели (свойство технологичности).

Реализуемость (подготовленность) ЭС - совокупное свойство, включающее наличие системы документов или правил, обусловливающих план взаимосвязанных действий субъектов, орудий и предметов труда (свойство организованности), а также фактическое наличие всех элементов, минимально необходимых для осуществления процесса функционирования (свойство обеспеченности).

Надежность функционирования ЭС представляется состоящей из структурной надежности (S-надежности) и функциональной надежности (F-надежности). S-надежность включает все временные устойчивые и окончательные отказы всех элементов ЭС: субъекта, орудия и предмета труда. К этой составляющей практически применимы все результаты, полученные в теории надежности технических средств. F-надежность включает только временные неустойчивые отказы - ошибки человека и сбои техники. Оценку этой составляющей требуется проводить по методам, отличным от S-надежности (в частности, можно это делать с помощью обобщенного структурного метода).

Как видно из схемы рис. 2, функциональность и надежность функционирования двояко влияют на эффективность: во-первых, эффективность прямо зависит от функциональности и надежности функционирования ЭС, а, во-вторых, функциональность и надежность функционирования влияют на уровень производительности.

Изложенная выше структура свойств, составляющих качество функционирования, будет положена в основу принципа выбора номенклатуры показателей качества функционирования.

Необходимо отметить, что в отличие от традиционных взглядов, идущих от классической теории надежности, где понятие "отказа" соотносится только с надежностью, в данной работе это понятие будет рассматриваться и в других составляющих качества функционирования - в функциональности. Это вызвано тем, что в ЭС в отличие от технических систем, которые только исполняют процесс функционирования (в связи с этим для них естественно появление составляющей "надежность функционирования"), могут осуществляться также и предшествующие процессы планирования и подготовки, при которых возможно также появление функциональных отказов планирования (функционально-целевых, функционально-алгоритмических и других отказов), организационных отказов (отсутствия требуемой организации или отдельных ее элементов - трудовых или материальных ресурсов - к требуемому моменту начала функционирования). В связи с этим функциональность может также трактоваться как надежность планирования и обеспечения и как следствие могут привлекаться методы, применяемые и разрабатываемые для оценки надежности функционирования.

Номенклатура показателей эффективности, качества и надежности функционирования эргатических систем

При рассмотрении показателей эффективности функционирования в соответствии с целями данной работы ограничимся рассмотрением только прагматической эффективности.

Основным показателем прагматической эффективности является вероятность достижения поставленной цели в виде однократного получения запланированного результата Р_n. Этот показатель зависит от функциональности, производительности и надежности функционирования.

Для систем многократного действия может быть вычислен показатель прагматической эффективности в виде вероятности многократного получения запланированного результата.

В ряде случаев возникает необходимость учитывать не только надежность функционирования ЭС, но также и надежность планирования и обеспечения этой ЭС. Таким показателем будет показатель полной надежности ЭС, определяемый через совокупность показателей надежности планирования, обеспечения и функционирования.

Осталось рассмотреть последнюю группу показателей качества функционирования - показателя производительности. Для них нужно различать четыре вида ЭС:

1) с единичным выполнением функции:

1а) в свободном режиме,

1б) с заданным ограничением времени τ_f;

2) с многократным выполнением функции:

2а) в свободном режиме,

2б) с заданным ограничением времени τ_f.

В случае 1а производительность измеряется быстродействием, исчисляемым временем выполнения функции Т_f. Показателем быстродействия является закон распределения этого времени F_Tf(x)= Р{T_f≤x} или его моменты, математическое ожидание М(Т_f) и дисперсия D(T_f).

В случае 1б производительность определяется через своевременность. Показателем своевременности является вероятность, что фактическое время выполнения функции Т_f меньше предельно допустимого τ_f: F_Tf(τ_f)=P{T_f≤τ_f}

В случае 2а производительность определяется быстродействием выполнения отдельных реализаций. Показателями быстродействия являются: такт выполнения функции, определяемый средним временем однократного выполнения функции M(T_f) и дисперсией D(T_f), или средний ритм выпуска определяемый как количество выполненных реализации функций за некоторую единицу времени t (час, смену, сутки и т. д. ): W=t/M(T_f), например, число выпущенных изделий за смену, число решенных задач за час и т. п. Ритмичность процесса тем выше, чем меньше дисперсия D(T_f) или другими словами, чем ближе такт к детерминированному по времени.

В случае 2б производительность определяется через своевременность. Показателем своевременности является вероятность того, что выполнение функции будет закончено за время, меньшее заданного такта τ_f, не менее чем в n тактах из N заданных:

В приведенных показателях производительности подставлялось чистое" время выполнения функции - рабочее время.

В ряде случаев необходимо учитывать не только рабочее время, но и время, затрачиваемое на планирование, подготовку и восстановление отказов и ошибок. В общем случае это время равно

где Т_пл - время планирования; Т_п - время подготовки; ΔT_f - увеличение времени выполнения функции за счет задержек от ошибок и отказов.

Если в приведенные выше показатели производительности вместо T_f подставить Т_Σ, то получим систему комплексных показателей производительности, учитывающих и другие свойства качества функционирования.

Для практического использования введенной системы показателей эффективности и качества функционирования необходима разработка методов, позволяющих вычислять единичные и комплексные показатели, приведенные выше.

Литература

1. Методические рекомендации по оценке надежности и эффективности систем "человек - техника"/Под ред. А. И. Губинского. М., 1971.

2. Поспелов Г. С., Ириков В. А. Программно-целевое планирование и управление. М., 1976.

Губинский А. И. Надежность и качество функционирования эргатических систем. М., 1982.