Жизнеспособность как обобщѐнная характеристика свойств технической системы

Техника, как искусственная среда обитания, исторически развивалась и продолжает развиваться путём заимствования свойств живых организмов. Вначале это касалось физических и энергетических свойств живого. Затем наступила эра информатики, реализующей умственные способности живых организмов вплоть до попыток моделирования интеллекта человека. В практическом плане она ознаменовалась включением процессоров в исполнительные устройства [1]. Итогом симбиоза физических, энергетических и информационных свойств в рамках одной системы стали киберфизические системы (КФС) [2].

Приобретение современной технической системой (ТС) всё новых свойств, присущих живым организмам, например самообучение, придаёт ей новые возможности приспособления к изменениям внешней среды. Такие свойства, как адаптация и самоорганизация, не только продлевают жизненный цикл (ЖЦ) ТС, но и создают предпосылки к её автономному функционированию, что можно трактовать как искусственную жизнь. Поддержание искусственной жизни уместно рассматривать как жизнеспособность (ЖС) ТС. Подобно термину КФС термин ЖС носит обобщающий характер применительно к следующим свойствам: устойчивость (Уст), сопротивляемость воздействиям среды (Сопр), безопасность (Безоп), исправность (Испр), работоспособность (Раб), надёжность (Над), восстанавливаемость (Восст), живучесть (Жив), адаптируемость (Ад). В этом смысле представляет интерес установление связи между понятием ЖС и перечисленными свойствами ТС, что и является предметом исследования данной работы.

1    Обзор трактовок понятия «жизнеспособность»

Понятие ЖС не ново в научной литературе и применяется во многих областях научного знания. В каждой области знания от естественных до общественных наук даётся своё определение этому понятию [3]. В [4] проведён анализ понимания ЖС в философии, кибернетике, истории, экономике и социальных науках и сделана попытка доказать, что английский термин resilience наиболее полно отражает понятие ЖС. Это слово переводится как гибкость, упругость, эластичность, устойчивость (к внешним воздействиям) и как способность быстро восстанавливать здоровое физическое и душевное состояние. Оно происходит от латинского resili , что означает «вернуться», «прийти в исходное состояние». Эта трактовка понятия ЖС развита в [5] применительно к ЖС человека и семьи, а также нашла применение в промышленности и экономике, например, в словосочетании «устойчивое развитие» [6]. Согласно [7] всякая ЖС относительна; она существует только по отношению к той или иной данной среде, и рассматривается как форма проявления активности и адаптивности системы.

В [8] предложена модель ЖС системы, основанная на принципах функционирования мозга, а в [9] – подход, базирующийся на концепции [8], где ЖС рассматривается с позиции устойчивости проекта и системы. В [10] предложены концептуальная модель ЖС критической инфраструктуры на базе функционально-целевого подхода и теории управления, формализация понятий «критическая инфраструктура» и «ЖС», конкретизирующая содержание предметной области (ПрО) исследования с помощью новых формальных конструкций.

Работа [11] посвящена выбору программных средств обработки многомерных данных для использования в задачах исследования ЖС региональных социально-экономических систем. Предложена схема программного решения моделирования ЖС. В [12] в качестве объекта ЖС рассматривается управление социально-экономической системой с позиции её экономического, социального эффекта и долговечности, где ЖС система должна удовлетворять условиям сложности и разнообразия.

В [13] ЖС определена как способность к восстановлению – способность системы восстанавливать рабочее состояние после его нарушения, что отражает частный характер этого определения ЖС.

Учитывая общность отличительных признаков, присущих понятию ЖС, в [14] отмечено, что «наука нуждается в междисциплинарной обобщающей теории ЖС любых систем». Для создания онтологической модели (ОМ) понятия ЖС, включающей отличительные признаки (далее существенные признаки – СП), востребован логико-лингвистический анализ [15].

2  Логико-лингвистический анализ понятия «жизнеспособность»

Логико-лингвистический анализ понятий выполняется с применением логических операций над их содержанием и объёмом. Совокупность признаков, выделяющих понятие среди других (содержание понятия), и характеризуемых ими сущностей (объём понятия) представляют собой множества. Изоморфизм булевой алгебры и теории множеств устанавливает связь между логическими ( v , л , ) и теоретико-множественными операциями ( о , п , \) [16].

В силу конечного числа известных СП содержание понятия а задаётся в перечислительной форме:

С( а ) ={С 1 ( а ),^,С _; ( а ),^,С i ( а )},                                     (1)

а его объём, представляющий собой открытое множество (класс), - в описательной форме:

V( а ) ={ a i IV С j ( а ) е С( а )}.                                                (2)

Согласно этим формулам содержание понятия ЖС ТС представляется перечислением присущих ему свойств из списка, сформированного при постановке задачи:

С(ЖС ТС) = {Уст, Сопр, Безоп, Испр, Раб, Над, Восст, Жив, Ад}.

Количественно содержание понятия ЖС ТС оценивается числом характеризующих его СП: l с(жс тс ) = | С(ЖС ТС) 1 = 9.

Объём понятия ЖС ТС представляется множеством сущностей x е X , СП которых соответствуют содержанию понятия ЖС: V(ЖС ТС( x )) ={ x I С(ЖС ТС( x )) = С(ЖС ТС)}.

Список свойств ЖС ТС не содержит такое свойства, присущее живым системам (ЖивС), как воспроизводство (Впр). ЖС ЖивС является видовым по отношению к родовому для него понятию ЖС ТС. Через содержания этих понятий отношение наследования выражается отношением включения множеств: С(ЖС ТС) с С(ЖС ЖивС). Это означает, что понятие ЖС ТС обладает большей обобщающей способностью, чем понятие ЖС ЖивС, поскольку характеризуется меньшим количеством СП.

Согласно закону двойственности содержания и объёма между объёмами понятий ЖС ТС и ЖС ЖивС имеет место обратное отношение включения:

V(ЖС ТС) d V(ЖС ЖивС).                                   (3)

Чем обширнее набор признаков, составляющих содержание понятия, тем уже класс объектов, удовлетворяющих им, и, наоборот, чем уже содержание понятия, тем шире его объём: N ЖС ТС ( x ) >  N ЖС ЖивС ( x ) .

В соответствии с этим понятие ЖС ТС является более общим по отношению к понятию ЖС ЖивС. На этом основании оно и считается родовым по отношению к понятию ЖС ЖивС, получаемым из содержания понятия ЖС ТС по формуле наследования.

Аналогично определяется отношение между понятием ЖС ТС и частичной ЖС ТС (ЧЖС ТС), если под понятием ЖС ТС понимать полную ЖС ТС. Тогда для любого набора СП ЖС ТС, меньшего числа 9, имеет место С(ЖС ЧТС) с С(ЖС ТС) и V(ЖС ЧТС) d V(ЖС ТС).

3    Определение понятия «жизнеспособность»

Понятие ЖС по способу словообразования относится к классу межвидовых понятий. Его родителями являются понятия «жизнь» и «способность». Способность сущности к чему-либо отражает наличие у неё некоторого присущего ей свойства. Анализ лингвистической структуры 123-х определений жизни позволил обнаружить в них базовое ядро [17], которое включено в минимальное определение жизни, как «самовоспроизводство с изменчивостью».

В [18] «жизнь - это активная форма существования материи от рождения до смерти, которая в обязательном порядке содержит в себе свойства живого». К свойствам живого относятся клеточный состав и строение (структура) материи [19]. Важнейшим свойством живого является воспроизведение себе подобных, обеспечивающее непрерывность и преемственность жизни. Применительно к живой природе процесс развития, сопровождающийся изменением генетического состава популяций, формированием адаптаций, видообразованием и вымиранием видов, преобразованием экосистем и биосферы в целом, назван эволюцией [20].

Содержание понятия ЖС можно обобщить следующим определением: ЖС - это способность системы оставаться живой с различным уровнем качества жизни (КЖ) при некритичных для неё воздействиях внутренней и/или внешней среды.

В медицине под КЖ понимается интегральная характеристика физического, психологического, эмоционального и социального функционирования человека, основанная на его субъективном восприятии [21]. С точки зрения ЖС человека под КЖ понимается «уровень удовлетворения материальных, духовных и социальных потребностей, уровень интеллектуального, культурного и физического развития, а также степень обеспечения безопасности жизни» [22]. Под различным уровнем КЖ понимается сохранение, ухудшение, улучшение характеристик функционирования и ЖС системы. Под критичными для жизни понимаются воздействия внутренней и/или внешней среды, влекущие утраты системой свойств живого.

Предложенное определение понятия ЖС сформулировано для популяции организмов на основе свойств всего живого. Если рассматривать ЖС отдельного представителя популяции (индивидуума), то такие СП, как репродукция и эволюция, становятся невостребованными. Согласно (3) исключение их из определения ЖС влечёт увеличение общности этого понятия, т.е. ЖС индивидуума играет роль родового понятия по отношению к ЖС популяции.

Поскольку в определении ЖС не указывается назначение системы, оно применимо к системам любой, в т.ч. и искусственной природы, в которых воспроизводятся свойства живого без дополнительных свойств популяции. В определении ЖС конкретной ПрО уточняется, что понимается под КЖ конкретной системы.

Исследование взаимосвязи СП в рамках ОМ ЖС ТС предполагает изоляцию ТС от среды её обслуживания. Речь идёт об исключении участия человека в функционировании ТС. Рассматривается одиночная ТС, чтобы исключить свойства популяции и коллективной работы.

4    Метод построения онтологической модели понятия«жизнеспособность технической системы»

ОМ понятия ЖС ТС должна связывать обобщающее понятие ЖС с девятью СП. ОМ обобщающего понятия может быть представлена ориентированным графом с корневой вершиной ЖС ТС и висячими (терминальными) вершинами СП [23]. Задача заключается в нахождении признаков ветвления дерева (оснований деления свойств или СП), применение которых позволяет связать корневую вершину ЖС с каждой терминальной вершиной дерева.

Связывание терминальной вершины графа с предыдущей означает потерю одной из степеней свободы соответствующего понятия. Эта потеря требует обоснования. Её источником является классификационный СП, выбор которого неоднозначен. Он зависит от способа разбиения исходного множества свойств ТС, вошедших в С(ЖС ТС) понятия ЖС ТС. Наиболее простым способом разбиения исходного множества свойств ТС является последовательное выделение одного из них на каждом шаге разбиения. Этот способ характеризуется максимальным числом шагов разбиения: l _max = N - 1, где N - множество СП. Минимальное число шагов дихотомического разбиения исходного множества (число уровней дерева) оценивается формулой: l _min = log₂ N . В задаче с N = 9 берётся наибольшее значение log₂9, т.е. l _mm=4. Способ дихотомического деления свойств ТС удобен не только минимальным числом шагов, но и противоположными значениями классификационных признаков типа Да / Нет. Граф ЖС

ТС, построенный дихотомическим разбиением исходного множества свойств ТС, изображён на рисунке 1. Нижний уровень вершин графа связан с учётом человеческого фактора.

ЖС – жизнеспособность

Испр – исправность

Над – надёжность

Сопр – сопротивляемость Безоп – безопасность

Уст – устойчивость

Восст – восстанавливаемость

Раб – работоспособность Жив – живучесть

Ад – адаптивность

АдВн – Ад внутренняя ет АдВш – Ад внешняя

НС – Нормативное состояние

Нет

Стойкость ость

Тек

Улучшение

Способ сохранения НС

ЖС

Возврат в НС

Противодействие

ЖЦ

Испр

Над

Безоп

Сопр

Уст

Восст

Ад

Прис нно

Вш

БПас

БАкт

СВн

Раб

Жив

Вш

УВн

УВш

АдВн

АдВш

С амоВ осо сре

Опор

Вш

Мера

Незначительно

Сущес

Вн

Нет

Защита от воздействий

Да

ВшВ

Вш

Рисунок 1 - Граф понятия «жизнеспособность технической системы»

Сохранение НС

Да

Средст

Да

Изоляци системы Нет

Функцио

Средство Сопр

Вш

Да

Ухудшение

ление е

ель

Вн

КЖ ТС может быть представлено двумя обобщёнными свойствами – стабильностью и развитием [24]. Они различаются нормативным состоянием (НС) ТС. Стабильность характеризуется сохранением НС ТС. Оно выражается соответствием фактических значений показателей, характеризующих терминальные свойства ТС, нормативным значениям. Фактические значения показателей ТС могут отклоняться от нормы как в нежелательную, так и в желательную стороны. Причиной первого случая является воздействие внешней или внутренней среды ТС. Причиной второго случая является улучшение КЖ ТС, например, за счёт самообучения. На верхнем уровне графа свойства ТС делятся на две группы: свойства, способствующие сохранению НС ТС, и свойства, подверженные изменениям. В качестве основания деления на эти группы используется признак «Сохранение НС» со значениями Да и Нет. Первая группа свойств отражает стабильность системы, а вторая – ухудшение или улучшение КЖ ТС. На втором уровне левой ветви графа рассматриваются способы сохранения НС системы. К ним относятся стойкость системы по отношениям к воздействиям и противодействие им. Стойкость можно охарактеризовать свойствами ТС исправность и надёжность .

Эти свойства можно разделить относительно времени сохранения НС ТС. Система находится в исправном состоянии (Испр), если значения всех показателей (параметров) соответствуют значениям, заданным в нормативной документации. Временные параметры пребывания системы в исправном (работоспособном) состоянии оцениваются показателями надёжности (Над) [25].

Вторым способом сохранения НС ТС является противодействие оказываемым на неё воздействиям, которое характеризуется свойствами сопротивляемости ТС и обеспечения её безопасности. Противодействие ТС воздействиям за счёт задействования внутренних (Вн) или привлечения внешних (Вш) ресурсов отражает меру её сопротивляемости (Сопр). Под внешним ресурсом понимается участие человека или другой внешней системы для поддержания соответствующего свойства.

Меры, предпринимаемые для защиты ТС от воздействий, относятся к обеспечению её безопасности (Безоп). Безопасность обеспечивается как пассивными (БПас) средствами, так и активными (БАкт). Для разделения этих свойств используется классификационный признак «Средство обеспечения безопасности (ОБ)». Примерами пассивных средств ОБ могут быть маскировка и пр., активным средством ОБ является воздействие на источник опасности с целью её устранения.

В правой ветви графа рассматриваются свойства системы, связанные с изменением её состояния, которые делятся на две группы и отражают возврат и невозврат в НС. Возврат системы к НС осуществляется за счёт таких её свойств как устойчивость (Уст) и восстанавливаемость (Восст). Различие между ними состоит в том, что на время восстановления система выходит на определённый промежуток времени из рабочего режима, что соответствует неработоспособности ТС вследствие нарушения НС (см., например, [26, п.4.2.5.4]).

Устойчивость и восстанавливаемость ТС достигаются за счёт её внутренних (УВн и СамоВ) и внешних (УВш и ВшВ) ресурсов. Устойчивость с опорой на внутренние ресурсы называется отказоустойчивостью [26, п.4.2.5.3]. Процесс восстановления работоспособности ТС с применением внешних ресурсов называется ремонтом .

Новое состояние ТС может характеризоваться как ухудшением, так и улучшением её КЖ. Незначительное отклонение от НС ТС при сохранении её функциональности рассматривается как состояние работоспособности (Раб).

Ухудшение состояния ТС, связанное с частичной потерей работоспособности, характеризуется таким её свойством, как живучесть (Жив). Улучшение состояния ТС связывается с её развитием путём приспособления к существенным изменениям среды. Переход ТС в новое состояние осуществляется за счёт её обучения при взаимодействии со средой. Гармонизация отношения с внутренней средой отражает внутреннюю адаптивность (АдВн) ТС, а с внешней средой – внешнюю адаптивность ТС (АдВш).

Все терминальные свойства (вершины графа) могут быть конкретизированы применительно к любой ПрО. Общий верхний уровень для всех ПрО позволяет сопоставлять оценки их ЖС между собой с учётом меры полноты ЖС ТС. Под мерой полноты ЖС ТС понимается подмножество свойств ЖС, присущее конкретной ТС [27-29].

5    Оценивание меры жизнеспособности системы

Оценивание меры ЖС ТС осуществляется способом обобщённых оценок альтернатив в иерархической модели многомерного оценивания в задаче многоцелевой оптимизации [30]. Каждое из терминальных свойств ТС оценивается по крайней мере одним измеряемым или расчётным показателем. Первичной задачей является выбор измеряемых показателей, харак- теризующих конкретную ТС. Свойство ТС может рассматриваться в вещественном, энергетическом и информационном аспектах.

На выбор показателя влияет назначение ТС. Показатели различных свойств ТС измеряются в разных шкалах. Способом получения обобщённой оценки по всем показателям является их нормализация. Выбор единой шкалы зависит от способа измерения показателей. Простейший способ - это указание на наличие / отсутствие свойства, т.е. применение двоичной системы. Наличие хотя бы одного нуля в двоичной оценке свойств ТС означает её не полную ЖС. Другим способом являются экспертное оценивание по качеству: высокое, среднее, низкое. Результирующая оценка качества ЖС ТС определяется по большинству голосов, отданных за каждую из оценок качества [28].

Наиболее информативной является численная оценка свойства ТС. Для этого можно использовать балльную шкалу, например {1, 10}. Если все показатели имеют численное значение, то они приводятся к единой шкале {0, 1}. В качестве обобщающей функции численных показателей может быть выбрана аддитивная или мультипликативная средневзвешенная свёртка показателей [29], которая предполагает задание весовых коэффициентов.

Многомерная оценка позволяет выполнять количественное сравнение ЖС систем различного применения, оценённых на одинаковом наборе первичных свойств ЖС.

6    Пример

Близким примером одиночной ТС является беспилотный летательный аппарат (БПЛА), обладающий достаточной автономностью полёта. Такие БПЛА оснащаются средствами управления и искусственного интеллекта [31]. Для автономного полёта БПЛА должен обладать свойствами адаптивности и обучаемости. Обучаемость необходима для приспособления БПЛА к изменениям внутренней и внешней среды, позволяя прогнозировать будущие ситуации. БПЛА должен содержать следующие системы: навигации; реагирования и адаптации к событиям; контроля технического состояния; связи с оператором.

Каждую из перечисленных систем можно охарактеризовать терминальными свойствами и оценить численно соответствующими показателями. Система навигации характеризуется точностью определения места нахождения БПЛА. Система реагирования на события оценивается типом и числом событий, на которые она способна реагировать по отношению к заданному списку возможных событий. Качество системы адаптации оценивается числом новых (нештатных) событий. Система контроля технического состояния оценивается отношением числа обнаруживаемых отказов и сбоев к количеству возможных отказов и сбоев. Система связи с оператором характеризуется коэффициентом готовности связи.

Имея численные оценки соответствующих показателей, можно рассчитать многомерную оценку ЖС БПЛА. Для получения численных оценок ЖС БПЛА, как комплексной оценки его качества, требуется более детальное изучение его свойств по всем составляющим - вещественной, энергетической и информационной.

Заключение

Понятие «жизнеспособность» востребовано в различных отраслях знания. В настоящей статье предпринята попытка обобщить понятие ЖС ТС. Любое свойство ТС может быть измерено качественным или количественным показателем, что позволяет получать обобщённые оценки ЖС ТС и сопоставлять ТС по единому показателю независимо от их назначения и сложности. Полнота оценки зависит от состава используемых свойств ЖС, присущих оцениваемой ТС.

Предложенная ОМ представляет в основном теоретический интерес и может быть принята за основу в дальнейших исследованиях ЖС ТС.