CC BY
61ВОЕННАЯ ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА
Методологические аспекты модернизации вооружения, военной и специальной техники. Технология решения задач модернизации образцов
вооружения, военной и специальной техники'
Полковник в отставке В.В, ЛИТВИНЕНКО, доктор технических наук
Полковник в отставке В.Н УРЮПИН, кандидат военных наук
Полковник в отставке А. Н. СОЛДАТОВ, кандидат технических наук
АННОТАЦИЯ. Рассмотрены методы решения трех основных задач модернизации образцов вооружения, военной и специальной техники: синтеза множества «желаемых» (требуемых) свойств, оценки целесообразности модернизации и поиска рациональных технических решений доя модернизации образцов вооружения, военной и специальной техники.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: образец вооружения, военной и специальной техники, модернизация, требования к модернизации, граф создания системы, граф модернизации системы, рациональное техническое решение, поисковое конструирование, последовательный синтез решений.
SUMMARY. The authors consider methods for solving the three main tasks of upgrading armaments, military and special equipment: synthesising the set of "desired" (required) properties, evaluating the feasibility of upgrading and searching for rational technical solutions for modernising armaments, military and special equipment.
KEYWORDS: sample of armaments, military and special equipment, modernisation, requirements for modernisation, system creation graph, system modernisation graph, rational technical solution, search design, sequential synthesis of solutions.
ИЗ ВСЕХ задач, решаемых при модернизации образцов вооружения, военной и специальной техники (ВВСТ), с методологической точки зрения интерес представляют три задачи: синтез множества «желаемых» (требуемых) свойств образца ВВСТ, оценка целесообразности модернизации образца ВВСТ, поиск рациональных технических решений для модернизации образцов ВВСТ
Структура требований к модернизации образца ВВСТ
Решение первой задачи модернизации ВВСТ — синтеза множества «желаемых» свойств системы связано с определением к ней требований. Требование к модернизации конкретного образца ВВСТ может содержать большое число элементов, но во всех требованиях присутству-
* Продолжение. Начало в № 10, 11. 2018.
ют обязательно указание изменяемых свойства, элемента и отношения исходного образца ВВСТ, а также указание действия, которое должно изменить свойство, условия и ограничения в проведении модернизации. Выбор свойства и действия однозначно диктуется причинами модернизации. Изменения элемента и отношения определяется глубиной модернизации исходного образца ВВСТ. Наконец, условия и ограничения характеризуют конкретные среды проектирования, производства и эксплуатации модернизируемого образца ВВСТ.
Таким образом, система задания требований к модернизации образца ВВСТ может быть представлена тремя множествами: множеством причин модернизации; множеством уровней глубины модернизации и множеством характеристик внешней среды процесса модернизации.
Содержание указанных множеств при модернизации конкретного образца ВВСТ определяет логику задания требований. Множество причин модернизации позволяет выделить восемь видов требований, объединенных в три группы, отличающихся процедурами их задания. Структура требований к модернизации образца ВВСТ представлена на рисунке 1.
Рис. 1. Структура требований к модернизации образца ВВСТ
Множество уровней глубины модернизаций делит все требования на две группы: требования, относящиеся ко всему модернизируемому образцу ВВСТ, и требования, вносящиеся к отдельным элементам или отношениям модернизируемого образца ВВСТ. В свою очередь, множество характеристик внешней среды делит группу требований, относящихся ко всему модернизируемому образцу ВВСТ, на две подгруппы: подгруппу требований, распределяемых по элементам и отношениям, и подгруппу требований, не подвергаемых дальнейшему расчленению. В соответствии с изложенным задание требований в общем случае ком-
плексной модернизации образца ВВСТ может быть представлено в виде семи неаддитивных этапов:
систематизации причин модернизации; прогнозирования «желаемых» свойств образца ВВСТ; определения объекта задания требований; анализа исходного образца ВВСТ; составления предварительного списка требований; распределения требований по элементам и отношениям образца ВВСТ;
составления окончательного списка требований.
Оценка целесообразности модернизации образца ВВСТ
Задача оценки целесообразности модернизации образца ВВСТ сводится к проблеме выбора направлений совершенствования образца ВВСТ: его модернизации или замены новым. Важно отметить, что решение вопроса о целесообразности модернизации образца ВВСТ неразрывно связано с определением необходимости и сроков начала разработки нового образца ВВСТ. Это обстоятельство обусловливает рассмотрение проблемы выбора направлений совершенствования образца ВВСТ на всю глубину прогнозирования.
Для дальнейших рассуждений разделим весь горизонт прогнозирования на три периода: краткосрочного прогнозирования (0—5 лет), среднесрочного прогнозирования (5—10 лет) и долгосрочного прогнозирования (10—15 лет). Введем в рассмотрение понятия «треугольный граф создания образца ВВСТ» и «треугольный граф модернизации образца ВВСТ». Под «треугольным графом создания Ос (модернизации Ом) образца ВВСТ» будем понимать граф, вершинами которого являются качество Кс (Км) функционирования, затраты ресурсов на создание (модернизацию) Зс (Зм) и время создания (модернизации) Вс (Вм) образца ВВСТ, а дугами — количественные значения показателей качества функционирования Же (Жм), стоимости Сс (См) и сроков 7с, (7м) создания (модернизации) образца ВВСТ. Треугольные графы создания Сгс (а) и модернизации (Ум (б) показаны на рисунке 2.
Кс Км
Рис. 2. Треугольные графы создания Сс (а) и модернизации См (б)
Обозначим через ЖТР1, ЖТРЗ требуемые значения показателя качества функционирования образца ВВСТ, определенные с помощью прогностических моделей для периодов краткосрочного, среднесрочного и долгосрочного прогнозирования. Отметим, что к начальному моменту решения задачи целесообразности модернизации образца ВВСТ не велись работы ни по созданию нового образца ВВСТ, ни по модернизации исходного образца ВВСТ. При указанном допущении на первый период горизонта прогнозирования (0—5 лет) безуслов-
но принимается решение на модернизацию образца ВВСТ, поскольку срок создания Тс нового образца ВВСТ по опыту его разработки превышает 5 лет. Принятие решения о начале разработки нового образца ВВСТ может быть осуществлено по результатам оценки целесообразности модернизации образца ВВСТ на периоды среднесрочного и долгосрочного прогнозирования.
Схемы оценки целесообразности модернизации образца ВВСТ ддя указанных периодов аналогичны и содержат несколько этапов. Прежде всего сравниваются величины Ж^ (ЖТРЗ) требуемых значений показателя качества функционирования образца ВВСТ с предельным значением Ж ах показателя качества функционирования исходного образца ВВСТ. Йсли Жтах > ЖТР2(ЖТРЗ), то на следующем шаге принятия решения сравниваются треугольные графы (Тс и См создания нового образца ВВСТ и модернизации исходного образца ВВСТ. Если при этом сравнении граф <7м будет вписан в граф 6Ь, то безусловно принимается решение о модернизации образца ВВСТ, а решение о начале разработки образца ВВСТ принимается на основе результатов рассмотрения последующего периода прогнозирования, либо по дополнительной информации, которая поступает лицу, принимающему решение (ЛПР).
Если же граф Ом не вписывается в граф Сс, то вначале производится попарное сравнение дуг Сс и См; 7с и 7м. При этом возможны три варианта. В случаях, когда 7м > 7с, но См < Сс и когда 7м < 7с, но См > Сс, решение о целесообразности модернизации образца ВВСТ принимает ЛПР на основе дополнительной информации или субъективных суждений о приоритетности рассматриваемых неравенств. Если ЛПР приходит к выводу, что неравенство См < Сс важнее неравенства 7м > 7с, а неравенство 7м < 7с важнее неравенства См > Сс, то принимается решение о модернизации образца ВВСТ, а решение о начале создания нового образца ВВСТ принимается на основе результатов рассмотрения последующего периода прогнозирования. В случаях противоположных приоритетов ЛПР, а также для варианта, в котором 7м < 7с и См > Сс, производится переход к следующему шагу принятия решения. На этом шаге оценивается достаточность производственных возможностей по выпуску необходимого количества образцов ВВСТ.
Пусть на основе анализа общественных и производственных потребностей к концу рассматриваемого периода прогнозирования необходимо произвести «требуемое» число новых образцов ВВСТ. Реальное же количество образцов ВВСТ, которое может быть произведено к концу рассматриваемого периода прогнозирования, зависит от производственных возможностей предприятий.
Если производственные возможности предприятий не могут к концу рассматриваемого периода обеспечить требуемое количество новых образцов ВВСТ, то безусловно принимается решение о модернизации существующего образца ВВСТ. Одновременно с этим ведутся разработка, а затем и производство нового образца ВВСТ с характеристиками, соответствующими требуемым для следующих периодов прогнозирования.
Если производственные возможности предприятий смогут к концу рассматриваемого периода обеспечить выпуск требуемого количества новых образцов ВВСТ, то принимается решение о разработке и производстве нового образца ВВСТ, а модернизация образца ВВСТ может осуществляться, если у лица, принимающего решение, существует дополнительная информация в ее пользу.
Когда на первом шаге оценки целесообразности модернизации образца ВВСТ величина Ж > IV (IV \ то следующий шаг — оцен-
ка достаточности производственных возможностей по выпуску нового образца ВВСТ. При недостаточности производственных возможностей по выпуску нового образца ВВСТ принимается решение о безусловной модернизации существующего образца ВВСТ до уровня показателя качества, близкого к Жтах. При достаточности производственных возможностей по выпуску нового образца ВВСТ решение о модернизации образца ВВСТ может быть принято на основе дополнительных соображений (например, по причинам экономии затрат).
Анализ методов поиска рациональных технических решений при модернизации образцов ВВСТ
Построение области возможных технических решений позволяет представить задачу выбора рациональных технических решений для модернизации образца ВВСТ в виде задачи отыскания варианта, имеющего минимальную стоимость и удовлетворяющего заданным требованиям по модернизируемому свойству (свойствам).
В задаче поиска рационального технического решения можно выделить два основных аспекта, связанных с ее решением.
Первый аспект характеризует организацию процесса поиска. Принципиально возможны три вида организации поиска рационального технического решения: полностью формализованный поиск; эвристический поиск; интерактивный поиск.
Первые два вида организации поиска рационального технического решения в «чистом виде» имеют ограниченное применение. Третий вид, являясь конструктивным симбиозом первых двух, рассматривается в настоящее время как наиболее продуктивный вид организации процесса поиска рациональных технических решений. Интерактивный поиск объединяет в единую процедуру формальные методы оптимизации структур и параметров отдельных элементов решения с эвристическими методами, обеспечивающими логически обоснованную целенаправленность поиска рациональных технических решений. Интерактивный поиск использует достоинства как формальных, так и эвристических методов поиска, что обеспечивает гибкость и быстроту поиска рационального технического решения.
Второй аспект связан с собственно методами поиска рациональных технических решений. Выбор метода поиска опирается как на специфику проектируемой или модернизируемой системы, так и на особенности процесса проектирования. Исследования в области проектирования различных технических систем1 показывают, что на выбор метода поиска рационального технического решения влияют следующие свойства модернизируемой системы и характеристики процесса проектирования:
степень дискретности показателей рациональности технических решений;
возможность и необходимость декомпозиции системы по оптимизируемому свойству, элементам и отношениям;
размерность пространства поиска технических решений;
степень определенности и вычислимости показателей оценки вариантов технических решений, в том числе и на промежуточных этапах поиска;
наличие и характер конструктивных, технологических и других ограничений на выбор технического решения.
1 Методология синтеза новых решений. Н. Новгород: Изд-во ННГУ, 2001; Половин-кин А.И. Основы инженерного творчества. СПб; М.; Краснодар: Лань, 2007.
С точки зрения перечисленных свойств и характеристик задача выбора рациональных технических решений при модернизации образца ВВСТ в общем случае характеризуется необходимостью и возможностью иерархической декомпозиции образца ВВСТ по модернизируемому свойству, элементам и отношениям, дискретным характером изменения стоимости образца ВВСТ при различных вариантах технических решений его модернизации, большой размерностью пространства поиска технических решений, определяющей многоэтапность процесса выбора рационального технического решения, возможностью вычисления показателей оценки вариантов технических решений, в том числе и на промежуточных этапах, и, наконец, обязательным наличием ограничений конструктивного и технологического характера (как минимум ограничений на изменение системоопределяющего элемента образца ВВСТ).
Приведенная характеристика задачи выбора рациональных технических решений при модернизации образца ВВСТ дает основание отнести ее к классу задач поискового конструирования2. Множество методов решения задач поискового конструирования может быть разбито на две группы: методы перебора вариантов и методы последовательного синтеза решения.
Методы перебора вариантов из некоторого множества с выбором наилучшего варианта из просмотренных делятся на методы полного перебора и методы сокращенного (направленного) перебора. Для реализации полного перебора необходимо, чтобы был известен полный перечень вариантов исследуемой системы. Полный перебор при выборе вариантов принципиально возможен с условием, что мощность множества невелика с точки зрения возможностей просмотра и оценки всех вариантов с приемлемыми затратами времени и ресурсов. К методам полного перебора относится, например, метод морфологического ящика3.
Для большинства задач выбора технических решений, к которым относится и задача выбора решений при модернизации образца ВВСТ, условия применимости полного перебора не выполняются. В частности, мощность множества возможных вариантов модернизации образца ВВСТ, как правило, настолько велика, что реализация идеи полного перебора вариантов приведет к неприемлемым затратам времени и ресурсов.
Большинство методов сокращенного (направленного) перебора представляет собой различные модификации комбинаторного метода ветвей и границ. Основная идея метода ветвей и границ заключается в том, что на каждом шаге поиска вместо оценки отдельного варианта оценивается группа вариантов. Если результат такой оценки отрицательный, то из дальнейшего рассмотрения исключается не один вариант, как в методах полного перебора, а целиком группа вариантов, что существенно уменьшает число шагов поиска. В других методах сокращенного перебора вместо анализа готовых вариантов исследуемой системы используются генерация варианта структуры и его анализ на каждом шаге поиска.
Общим недостатком методов сокращенного перебора является оценка на каждом шаге варианта или группы вариантов исследуемой системы. И в данном случае мощность множества вариантов модернизации образца ВВСТ является большой (хотя и меньше, чем при полном переборе), что существенно сужает круг задач, для решения которых
2 Половинкин А.И. Основы инженерного творчества. С. 10—11.
3 Потемкин И.С. Методы поиска технических решений. М.: МЭИ, 1989. С. 15—41.
пригодны методы сокращенного перебора. В частности, вид графов свойств и отношений исходного образца ВВСТ и их расширение за счет альтернативных технических решений позволяют утверждать, что в большинстве случает мощность сформированного на их основе множества возможных вариантов модернизированного образца ВВСТ будет настолько велика, что применение методов сокращенного перебора не приведет к выбору рационального варианта модернизации в приемлемые сроки и при приемлемых затратах.
Более перспективной по отношению к задачам с большой мощностью множества технических решений является группа методов последовательного синтеза4. В отличие от переборных методов, где оцениваются законченные структуры, при последовательном синтезе выбор рационального технического решения заключается в постепенном включении новых элементов и связей с оценкой промежуточных решений. При этом существуют два подхода к организации последовательного синтеза.
Первый характерен конструированием рационального варианта исследуемой системы путем постепенного (пошагового) выбора элементов и отношений системы, начиная с элементов и отношений нижнего уровня. Такой подход используется для получения рациональных проектных решений различных технических систем, в частности, элементов ЭВМ.
Второй основан на последовательном исключении элементов из некоторой избыточной обобщенной структуры. Обычно обобщенная структура представляется в виде «И-ИЛИ» графа, в котором вершины «И» обозначают элементы исследуемой системы, а вершины «ИЛИ» характеризуют возможные варианты (альтернативы) соответствующего элемента. Синтез выполняется путем исключения части ребер или подграфов графа обобщенной структуры с немощью некоторых решающих правил.
Процедура выбора решений с использованием рассмотренных подходов показывает, что первый подход менее приемлем для решения задачи выбора технических решений при модернизации образца ВВСТ. Он больше ориентирован на проектирование новых технических систем. Второй подход более универсален и может быть использован для создания логической процедуры поиска рационального варианта модернизации образца ВВСТ.
Рассмотренные в трех статьях методологические аспекты модернизации образцов ВВСТ позволяют сформировать для конкретного образца ВВСТ логическую схему выбора технических решений, реализующую целенаправленный поиск рационального варианта модернизации, обеспечивающего при минимуме затрат и в заданный срок требуемый уровень качества модернизированного образца ВВСТ.
4Вязгин В.А., Федоров В.В. Математические методы автоматизированного проектирования. М.: Высшая школа, 1989. С. 64—110.
