Разработка методов оценки эффективности жизненного цикла технических средств УВД на этапе эксплуатации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.13, кандидат технических наук Леонов, Фёдор Егорович

• Леонов, Фёдор Егорович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Леонов, Фёдор Егорович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ РАЗВИТИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УВД И ПРОБЛЕМЫ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ.

1.1. Технологии CNS/ATM как стратегия развития системы ОВД.

1.2. Общая характеристика и структура современных АС УВД.

1.2.1 Задачи, решаемые АС УВД.

1.2.2 Функциональная схема типовой АС УВД.

1.2.3 Структура и состав типовой АС УВД.

1.3. Технические средства УВД.

1.3.1 Программно-аппаратное обеспечение технических средств.

1.3.2 Оценка эффективности и качества технических средств УВД.

1.3.3 Проблемы эксплуатации технических средств.

1.4. Пути повышения технико-экономической эффективности АС УВД.

1.4.1 Особенности жизненного цикла технических средств УВД.

1.4.2 Общая характеристика интегрированных систем управления.

1.4.3 Концепция и принципы непрерывной информационной поддержки жизненного цикла изделия.

1.5. Формулировка цели и постановка задач исследования.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА, ТРУДОЕМКОСТИ РАЗРАБОТКИ И СОПРОВОЖДЕНИЯ ПРИКЛАДНОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ.

2.1. Стратегии и этапы разработки программного обеспечения.

2.1.1 Модели жизненного цикла программного обеспечения.

2.1.2 Стандартизация стадий и этапов разработки программного обеспечения

2.1.3 Процессы жизненного цикла программного обеспечения.

2.2. Стандарты и методы оценки качества программного обеспечения.

2.2.1 Показатели качества программного обеспечения.

2.2.2 Метрики качества программного обеспечения.

2.3. Оценка стоимости программного обеспечения.

2.3.1 Модели и методы оценки трудозатрат.

2.3.2 Оценка трудозатрат на разработку программного обеспечения АС УВД

2.3.3 Метод оценки трудозатрат на сопровождение программного обеспечения.

2.3.4 Расчет стоимости сопровождения программного обеспечения.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА ТС УВД

НА ЭТАПЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ.

3.1. Структура жизненного цикла ТС УВД.

3.2. Оценка надежности системы из ненадежных элементов с восстановлением.

3.2.1 Коэффициент готовности восстанавливаемого элемента без резервирования.

3.2.2 Коэффициент готовности системы с резервированием и восстановлением.

3.3. Оценка эффективности процессов жизненного цикла ТС УВД.

3.3.1 Оценка надежности программного обеспечения.

3.3.2 Оценка надежности аппаратного обеспечения.

3.3.3 Оценка надежности вспомогательных процессов.

3.3.4 Критерии оценки эффективности ТС УВД на этапе эксплуатации.

3.3.5 Влияние эффективности программно-аппаратного обеспечения на жизненный цикл ТС УВД.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. СИСТЕМА ИНФОРМАЦИОННО-ЛОГИСТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ УВД.

4.1. Информационное обеспечение эксплуатации ТС УВД.

4.1.1 Интерактивные электронные технические руководства.

4.1.2 Эксплуатационная документация программного обеспечения.

4.2. Задачи и функции системы диагностики и контроля.

4.3. Задачи и функции системы логистической поддержки.

4.4. Задачи и функции системы планирования технического обслуживания и ремонта

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов оценки эффективности жизненного цикла технических средств УВД на этапе эксплуатации»

В настоящее время все многообразие проводимых работ по развитию и модернизации системы ОВД направлено на достижение стратегической цели -переходу к организации воздушного движения с использованием концепции CNS/ATM ИКАО [35, 44, 45, 51, 54, 58, 59, 60, 72, 105]. Её внедрение по мнению некоторых специалистов [105, 51, 72] должно привести к:

• повышению безопасности воздушного движения (уменьшению риска столкновений на 1 час полета до 6*10"8 к 2010 году и до 1,5*10"8 после 2010 года),

• росту интенсивности воздушного движения на внутренних линиях на 3%-5% в год и на международных - на 4%-6%,

• снижению тарифа на аэронавигационное обслуживание на 20-30%.

Создание даже сравнительно небольшого фрагмента такой системы является сложнейшей технической проблемой, для решения которой необходимо провести комплекс исследований и разработок. В связи с этим до 2010 года [35], исходя в первую очередь из экономических соображений, система ОВД будет основываться на традиционных технических средствах, которые будут определенное время работать параллельно со средствами CNS/ATM.

Очевидно, что при разработке и внедрении новых технических средств УВД (ТС УВД) это будет накладывать определенные ограничения на выбор используемого аппаратного и программного обеспечения. Кроме того, в процессе эксплуатации ТС УВД требуется модернизация системы ОВД по следующим причинам:

• изменение структуры воздушного пространства и аэронавигационных данных;

• подключение новых источников и потребителей информации, а также информационных потоков данных, требующих специальной обработки;

• изменение нормативной базы, определяющей технологию работы обслуживающего персонала.

Таким образом, наблюдается эволюционное развитие системы ОВД, которое можно описать спиральной моделью жизненного цикла - внедрению каждого нового технического средства или нового источника информации соответствует свой виток спирали, заканчивающийся внедрением новой версии программного обеспечения.

Поэтому требуется качественно новый подход к организации проектирования, сертификации и внедрения ТС УВД, который бы учитывал особенности жизненного цикла системы УВД.

Научно-технический прогресс в области информационных технологий [93] приводит к тому, что моральное старение ТС УВД, функциональность которых обеспечивается в основном за счет программного обеспечения, наступает раньше физического износа его аппаратного обеспечения. Таким образом, одной из главных задач становится задача выбора стратегии развития системы ОВД:

• эксплуатация ТС УВД до достижения допустимого физического износа с последующей их полной заменой;

• поэтапная замена программного и аппаратного обеспечения ТС УВД с целью постоянного поддержания системы ОВД на современном технологическом уровне.

Очевидно, что задача выбора стратегии сводится в первую очередь к разработке показателей технико-экономической эффективности жизненного цикла ТС УВД, а затем к прогнозированию состояния ТС УВД на этапе эксплуатации.

Математические методы прогнозирования состояния авиационной техники развиваются в работах Барзиловича Е.Ю. и его учеников [5-8], а также в работах других авторов [17, 18].

Методология оценки эффективности АС УВД развивается в работах Т. Г. Анодиной, В. И. Мокшанова, В. И. Савицкого и В. А. Василенко [1, 4, 72]. Так, например, в [4] АС УВД рассматривается как эргатическая система, в [96] - как организационно-техническая система, а в [1] - как информационно-техническая система с различными вариантами дублирования и резервирования.

В работах Г. А. Крыжановского и М. В. Чернякова [55, 99-101] рассматриваются вопросы эффективности работы авиационных систем передачи данных, к которым бесспорно относятся технические средства УВД.

Вместе с тем отсутствуют работы, в которых исследовалось бы влияние на технико-экономическую эффективность жизненного цикла АС УВД характеристик современных ТС УВД, отличительными особенностями которых являются: высокий уровень унификации аппаратного и системного программного обеспечения, сложность эксплуатации и сопровождения прикладного программного обеспечения.

В работах [2, 38, 68, 74, 90] на примерах эксплуатации различных технических средств показано, что повышение технико-экономической эффективности жизненного цикла возможно при снижении затрат на эксплуатацию. При этом выявлена характерная особенность: для получения в конечном итоге положительного эффекта порой требуется увеличение затрат на этапах проектирования и производства технических средств, что приводит к повышению их закупочной стоимости. В результате возникает противоположность интересов разработчика и эксплуатанта, которая обостряется еще и тем, что отсутствуют общепризнанные методики оценки стоимости объектов с высокой долей интеллектуального труда [89, 90].

Интенсивно возрастающая сложность современного оборудования, обусловленная внедрением компьютерных технологий, настоятельно требует разрешения указанных выше противоречий. В связи с этим для повышения эффективности эксплуатации ТС УВД требуются совершенно новые принципы и технологии взаимодействия разработчика и эксплуатанта. В некоторых случаях целесообразно создание специального подразделения в структуре организации разработчика, которое обеспечивало бы научно-техническое сопровождение эксплуатации. Технологической основой для совершенствования взаимодействия разработчика и эксплуатанта может служить CALS-технология [12, 13].

При этом, как отмечается в [39, 42, 76], эффективность эксплуатации во многом зависит от состояния документации. В настоящее время для подготовки технической и эксплуатационной документации [22, 24, 26, 84, 85] используются, как правило, текстовые редакторы или издательские системы. Но такой подход содержит в себе ряд недостатков, основным из которых является то, что такая система подготовки документации не интегрирована с используемой на предприятии разработчика системой управления данными об изделии. Таким образом, для обеспечения преемственности и непротиворечивости информации представляется актуальной задача разработки единого информационного пр^транства^ для разработчика и эксплуатанта [12, 13] и электронных технических руководств [80, 81].

Целью работы является разработка модели жизненного цикла для оценки технико-экономической эффективности эксплуатации ТС УВД. Для реализации этой цели были поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Анализ функций и характеристик АС УВД с целью определения структуры её жизненного цикла.

2. Сбор, обработка и анализ статистических данных о характерных отказах и неисправностях аппаратных и программных средств АС УВД.

3. Анализ и разработка методов оценки трудоемкости разработки и сопровождения прикладного программного обеспечения.

4. Разработка методов оценки технико-экономической эффективности жизненного цикла АС УВД на этапе эксплуатации.

5. Определение структуры и функций системы информационно-логистической поддержки жизненного цикла АС УВД.

Для решения указанных задач в работе использовались элементы теории сложных систем, методы теории надежности, методы математического анализа и статистики, метрики оценки качества программного обеспечения и алгоритмические модели оценки его стоимости, а также методы квалиметрии и микроэкономической теории.

Основные научные результаты, выдвигаемые на защиту, состоят в следующем:

1. Предложена и обоснована структура модели жизненного цикла ТС УВД, отличие которой состоит в том, что она учитывает

• надёжность аппаратного обеспечения, вспомогательных и организационных процессов жизненного цикла;

• практику эксплуатации и сопровождения прикладного программного обеспечения.

2. Для оптимизации жизненного цикла ТС УВД предлагается использовать интегральный критерий технико-экономической эффективности, учитывающий косвенные затраты на сопровождение программного обеспечения.

3. Предложена методика назначения ресурса аппаратного обеспечения ТС УВД с учетом волны эффективности.

4. Разработана методика оценки затрат на сопровождение прикладного программного обеспечения ТС УВД.

5. Разработана обладающая необходимой общностью и универсальностью структура системы информационно-логистической поддержки жизненного цикла ТС УВД и обоснованы ее функции.

Научная новизна состоит в следующем:

1. Впервые показано, что трудоемкость сопровождения прикладного программного обеспечения АС УВД зависит от стратегии модернизации аппаратного обеспечения.

2. Предложена стратегия технического обслуживания АС УВД по методу скользящей модернизации.

3. Предложен универсальный критерий оценки технико-экономической эффективности жизненного цикла ТС УВД, который не зависит от законов распределения отказов как аппаратного, так и программного обеспечения. Практическая ценность работы заключается в обоснованных рекомендациях по

• выбору метрик оценки качества программного обеспечения АС УВД;

• оценке номинальных трудозатрат на разработку программного обеспечения АС УВД;

• оценке затрат на содержание рабочего места программиста, обеспечивающего сопровождение прикладного программного обеспечения;

• выбору значений коэффициентов факторов затрат для расчета трудоёмкости сопровождения программного обеспечения АС УВД;

• организации взаимодействия эксплуатанта с производителем при модернизации ТС УВД.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным использованием известных методов математики, логического вывода и подтверждается практической реализацией фрагментов системы, построенной по предложенным принципам.

Реализация и внедрение результатов работы

Предложенный в работе метод оценки трудоемкости разработки программного обеспечения используются в работе ЗАО "ПРИОР", что подтверждается актом внедрения.

Апробация работы

Результаты и отдельные вопросы, вошедшие в её содержание, обсуждались на

• IV Международной научно-технической конференции "Кибернетика и технологии XXI века", Воронеж, 13-14 мая 2003 г.;

• I Международной научно-технической конференции ИПИ (CALS) -"Информационные технологии в управлении жизненным циклом изделий", Санкт-Петербург, 25-26 ноября 2003 г.;

• совещании командно-руководящего состава в Уфимском центре

УВД ГУДП "Башаэронавигация" ФУП "Госкорпорация по ОВД" 10 - 11 октября 2003 г.

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликованы 4 печатные работы.

Объем и структура работы. Предлагаемая работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 141 страница текста, содержит 29 рисунков, 8 таблиц. Список литературы включает в себя 113 наименований. Приложения имеют объём 20 листов.

Первая глава "Особенности развития автоматизированных систем УВД и проблемы их эксплуатации" посвящена проблеме внедрения и эксплуатации современных ТС УВД, реализующих концепцию ИКАО CNS/ATM. На основе сравнительного анализа функциональности современных ТС УВД, их архитектуры и аппаратного обеспечения показано, что автоматизация функций обеспечивается в основном прикладным программным обеспечением. При этом более 37% неисправностей происходят из-за ошибок в системном и прикладном программном обеспечении. Вместе с тем при оценке технико-экономической эффективности ТС УВД не учитываются взаимное влияние различных этапов жизненного цикла как аппаратного, так и прикладного программного обеспечения. Формулируются задачи исследования по информационно-логистической поддержке жизненного цикла ТС УВД, базирующейся на концепции CALS-технологий.

Во второй главе "Методы оценки трудоёмкости сопровождения программного обеспечения технических средств УВД" определены функции персонала сопровождения и разработан алгоритм этапа сопровождения ПО. В общей проблеме оценки эффективности сопровождения ПО на первый план выступают задачи выбора модели жизненного цикла и метрик качества ПО, а также задача формирования рационального профиля требований к качеству, так как многие положения стандартов устарели и не могут быть использованы применительно к современным технологиям разработки ПО.

Для оценки трудозатрат разработки ПО предложена модель, использующая метод IFPUG и конструктивную стоимостную модель СОСОМО 2.0. Эта модель позволяет оценить трудозатраты разработки ПО, не имея в наличии исходного текста программы. Здесь же приводятся значения факторов затрат и коэффициентов регулировки сложности проекта АС УВД, определённых по рейтинговым таблицам путём экспертного опроса ведущих программистов предприятий-разработчиков.

При анализе стоимостной модели процесса сопровождения ПО выявлено, что некоторые факторы затрат, характеризующие непосредственно ПО АС УВД, можно считать постоянными, а те, которые характеризуют коллектив разработчиков и системное программное обеспечение, необходимо рассматривать с учетом их изменений во времени. Используя полуэмпирические формулы изменения этих факторов затрат от времени, получены оценочные расчеты изменения трудозатрат на сопровождение ПО.

Третья глава "Методы оценки эффективности жизненного цикла ТС УВД на этапе эксплуатации» посвящена разработке математической модели жизненного цикла на этапе эксплуатации и критериев оценки его эффективности. Жизненный цикл ТС УВД представляется состоящим из процессов, оценка надежности которых производится с учетом их структурных схем. Сформулированы количественное оценки надежности с учетом структуры и характеристик современных ТС УВД.

Проведен анализ влияния кратности резервирования, времени наработки на отказ и времени восстановления на коэффициент готовности.

Предложенные критерии оценки эффективности ТС УВД учитывают характеристики надежности процессов и стоимости ЖЦ на этапе эксплуатации, что позволяет ставить и численно решать задачи оптимизации.

Обосновывается новая технологии технического обслуживания аппаратного и программного обеспечения ТС УВД, которая получила название «скользящая модернизация».

Четвёртая глава "Система информационно-логистической поддержки жизненного цикла технических средств УВД" посвящена разработке структуры интерактивного электронного технического руководства (ИЭТР) и определения функций его подсистем:

•диагностики и контроля; •логистической поддержки;

• планирования технического обслуживания и ремонта.

При разработке ИЭТР АС УВД особое внимание уделено анализу требований ГОСТов к эксплуатационной документации программного обеспечения.

Заключение диссертации по теме «Навигация и управление воздушным движением», Леонов, Фёдор Егорович

Выводы по главе 4

1. Для повышения эффективности процесса эксплуатации ТС УВД рекомендуется использовать ИЭТР 4-го класса.

2. Проведённые исследования являются базой для разработки технического задания на ИЭТР ТС УВД.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Современные АС УВД должны рассматриваться как интегрированные информационные системы, обеспечивающие функционирование единого информационного пространства для разработчика и эксплуатанта.

2. Проблема обеспечения надёжности современных ТС УВД является в первую очередь проблемой качества программного обеспечения. /t^roe^uy

3. При прогнозировании технико-экономической эффективности жизненного цикла О) ТС УВД рекомендуется использовать коэффициент готовности, так как его расчет * не требует сбора большого количества статистических данных для определения законов распределения отказов.

4. Предложенная методика оценки затрат на разработку и сопровождение прикладного программного обеспечения позволяет определить их^долю в общих затратах на обеспечение жизненного цикла ТС УВД. Ujl.ilOi

5. Предложенный коэффициент технико-экономической эффективности жизненного цикла позволяет оценить влияние разнородных процессов, представляющих собой жизненный цикл ТС УВД, и обоснованно назначить срок службы для аппаратного и системного программного.

6. При укрупнении центров УВД следует предусмотреть создание отделов по сопровождению программного обеспечения АС УВД и подготовку для них персонала соответствующей квалификации.

7. Для обеспечения информационной поддержки жизненного цикла ТС УВД на этапе эксплуатации рекомендуется использовать ИЭТР 4-го класса. ?

8. Жизненный цикл программно-аппаратного обеспечения ТС УВД на этапе (Ш эксплуатации следует представлять в виде последовательности этапов сопровождения версий ПО с различными вычислительными платформами, срок службы которых назначается с учетом интервала эффективности.

9. Проведённые исследования содержат, по существу, обоснование стратегии технического обслуживания АС УВД по методу скользящей модернизации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Леонов, Фёдор Егорович, 2004 год

1. Барзилович Е.Ю., Мезенцев В.Г., Савенков М.В. Надежность авиационных систем. М.: Транспорт, 1982.- 182 с.

2. Барзилович Е.Ю., Савенков М.В. Статистические методы оценки состояния авиационной техники. М.: Транспорт, 1987.- 240 с.• 9. Белявский Л.С., Крыжановский Г.А., Харченко В.П., Ткаченко В.П.

3. Радиоконтроль траекторий движения летательных аппаратов / Под ред. Белявского Л.С. и Крыжановского Г.А. М.: Воздушный транспорт, 1996.312 с.

4. Бетелев С.Д., Гурвич Ф.Г. Математико-статистические методы экспертныхоценок. М.: Статистика, 1974,- 160 с. .11. Большие вещи маленького размера! // Новости аэронавигации. - 2000.-№5,-С. 18-19.

5. А .12. Братухин А.Г. CALS выходит на федеральный уровень // Вестник авиациии космонавтики. 2001.- №5,- С. 26-27.•13. Братухин А.Г. Научные основы и принципы развития CALS-технологий //

6. Герасимова Е.Д., Полякова И.Ф. Метод корректировки режимов технического обслуживания при эксплуатации летательных аппаратов // Научный вестник МГТУГА. 2001,- №40,- С. 79-84.

7. Гордеев М.Е. Структура оценки эксплуатационной эффективности авиационного оборудования // Научный вестник МГТУГА. 2002.- №48,-С. 41-47.

8. ГОСТ 28806-90. Качество программных средств. Термины и определения. М.: Издательство стандартов, 2001.

9. ГОСТ 34.003-90 Информационная технология. Комплекс стандартов и руководящих документов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения М.: -Издательство стандартов, 1992.

10. Деркач О.Я. Какой ресурс нужен коммерческому самолету? //Авиаглобус. -2001,- №8.- С. 30-32.

11. Дубовский В.И. Эксплуатация средств навигации и УВД.- 2-е изд. перераб. и доп. М.: Воздушный транспорт,1995.- 384 с.

12. Емельянов В.Е., Аксёнов К.В. Оптимальные политики обслуживания, максимизирующие коэффициент готовности // Научный вестник МГТУГА.2000.- №32,-С. 83-87.

13. Зубков Б.В., Волков А.В. Проблема обеспечения предприятий эксплуатантов воздушных судов изменениями и дополнениями в эксплуатационно-техническую документацию и пути её решения // Научный вестник МГТУГА. 2001,- №40,-С. 34-36.

14. Запчасти про запас: мало опасно, много - накладно // Авиаглобус.2001.-№11.-С. 34-35.

15. Зобов Н. Информационное обеспечение основа высокого качества обслуживания воздушного движения // Новости аэронавигации. - 2001,-№2.- С. 10-11.

16. Иан Соммервилл Инженерия программного обеспечения, 6-е изд.: Пер.с англ. М.: Издательский дом «Вильяме», 2002.-624 с.

17. Информационные технологии ускоряют техобслуживание. // Авиаглобус.-2000. №1. -с.26-27

18. Интеграция глобальной системы организации воздушного движения, фирма «Интернэшнл системз энд коммюникейшнз лимитед» (ИСК) совместно с Международной организацией гражданской авиации (ИКАО), 1998.

19. Карпов В., Антипов В. Организация воздушного движения в воздушном пространстве России // Новости аэронавигации. 2001.- №2.- С. 4-5.

20. Колесников С.Н. Стратегии бизнеса: управление ресурсами и запасами. -М.: Статус-Кво 97, 2000.

21. Комплекс "ЛАДОГА". Техническая документация. Книга 1. Техническое описание СПб.: НИТА, 2000

22. Комплекс средств автоматизации планирования воздушного движения "Планета" (КСА ПВД "Планета"). Книга 1. Техническое описание.- СПб.: НИТА, 2000

23. Константинов В.Д. Оценка эффективности технической эксплуатации авиационной техники // Научный вестник МГТУГА. 2002,- №48,- С. 36-40.

24. Компьютер Prise. 2003. - №№13-53

25. Копцев А. А. Модернизация Единой системы УВД России условие прогресса отрасли // Авиаглобус. - 2001.- №8.- С. 18-20.

26. Козаченко В. Е. Управление общей стоимостью владения КИС. // Корпоративные системы, 2003 - №353. Котов С.Л. Нормирование жизненного цикла программной продукции. - М.:1. ЮНИТИ-ДАНА, 2002.-143С.

27. Кривоносое В. М. CNS/ATM реальность и отдаленная перспектива // Новости аэронавигации. - 2001,- №2.- С. 12-13.

28. Крыжановский Г.А., Черняков М.В. Оптимизация авиационных систем передачи информации. М.: Транспорт, 1986. -294 с.

29. Кулибанова В.В. Маркетинг: сервисная деятельность. СПб.: Питер, 2000. - 240 с.

30. КСА УВД "Альфа" Техническая документация. Книга 1. Техническое описание СПб.: НИТА, 2000

31. Кушнерук Б. В России создана и эффективно работает уникальная59