CC BY
35Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 8 (2013 6) 867-875
УДК 623.6
Методологический подход
к решению проблемы обоснования требований к системе инженерно-аэродромного обеспечения боевых действий авиации ВВС
А.А. Бородин*", В.Н. Самусенкоб, В.В. Лазукина
аВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» Россия 394064, Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54а бВоенная академия воздушно-космической обороны
имени Г.К. Жукова Россия 170022, Тверь, ул. Жигарева, 50
Received 10.06.2013, received in revised form 26.07.2013, accepted 30.08.2013
Представлен методологический подход к решению научной проблемы обоснования требований к системе инженерно-аэродромного обеспечения боевых действий авиации на постоянных аэродромах ВВС, представляющий собой оптимизационную задачу структурно-параметрического синтеза исследуемой системы, решение которой позволит определить оптимальные, в рамках принятых ограничений, наборы значений характеристик системы инженерно-аэродромного обеспечения боевых действий авиации.
Ключевые слова: методология, аэродром, факторное пространство, вектор, оптимизация.
К настоящему времени в ВВС возникла проблемная ситуация в практической области. С одной стороны, боевые возможности средств воздушного нападения потенциального противника непрерывно возрастают, что позволяет в динамике боевых действий усложнить обстановку до такой степени, что решение задач инженерно-аэродромного обеспечения (ИАэО) боевых действий авиации на постоянных аэродромах ВВС становится подчас невозможным.
С другой стороны, крайне низкая защищенность базирования авиации (не более 12 %) и объектов аэродромной сети, отсутствие нормативной базы в отношении требований, обеспечивающих проектирование и строительство современных защитных укрытий на аэродромах, непрерывное снижение возможностей инженерно-аэродромных частей и подразделений, способных выполнить только около 20 % требуемого объема инженерно-технических работ по маскировке войск и имитации объектов на аэродромах, сокращение инженерно-маскировочных частей в ВВС. Кроме того, отсутствие на сегодняшний день единых нормативных требований к
© Siberian Federal University. All rights reserved
* Corresponding author E-mail address: [email protected]
функционированию подсистемы маскировки основных элементов постоянных аэродромов, неудовлетворительное состояние существующей системы скоростного восстановления аэродромов и несовершенство нормативных способов производства аэродромно-восстановительных работ, не соответствующих современным требованиям, спад промышленного производства инженерно-аэродромной техники и основных ремонтно-восстановительных материалов (РВМ) приводят не только к ухудшению качественных характеристик инженерно-аэродромного обеспечения, но и выступают фактором, ограничивающим степень реализации потенциальных боевых возможностей авиации объединений ВВС.
В этих условиях возникает проблема прагматического характера, заключающаяся в необходимости приведения характеристик системы инженерно-аэродромного обеспечения боевых действий авиации ВВС к прогнозируемым потребностям при подготовке и ведении боевых действий с учетом развития средств воздушного нападения противника и авиации ВВС РФ. Одним из возможных направлений разрешения этой проблемы является создание системы инженерно-аэродромного обеспечения боевых действий авиации ВВС на основе научно обоснованных требований к значениям ее характеристик.
Инженерно-аэродромные мероприятия по маскировке аэродромов, обеспечению живучести базирования авиации и скоростному восстановлению постоянных аэродромов государственной авиации включают: строительство зон рассредоточения; совершенствование фортификационной защиты авиационной техники; рассредоточение авиационной техники и аэродромных сооружений; разукрупнение и дублирование элементов аэродрома; увеличение прочности несущих и ограждающих конструкций сооружений; проведение инженерно-маскировочных мероприятий и мероприятий по созданию ложных позиций, внедрение в практику скоростного восстановления аэродромов перспективных способов, основанных на применении быстротвердеющих РВМ и требующих комплексного применения и соответствующего оперативно-тактического и военно-экономического обоснования. Поэтому обоснование требований к характеристикам системы ИАэО боевых действий авиации на постоянных аэродромах ВВС целесообразно осуществлять с учетом результативности инженерно-аэродромных мероприятий и их стоимости.
Проведенный анализ состояния методологии обоснования требований к системе ИАэО боевых действий авиации указывает на отсутствие к настоящему времени единого методологического аппарата, позволяющего с точки зрения системного подхода разрешить объективно существующие противоречия и учесть все многообразие взаимодействующих и воздействующих на систему ИАэО значимых факторов. Это обстоятельство порождает противоречие в научном плане между объективной необходимостью разработки нового научно-методологического аппарата и отсутствием единой методологии обоснования требований к системе ИАэО боевых действий авиации с системных позиций.
Наличие прагматической проблемы, порожденной противоречиями в практике, и противоречия в научном плане порождают научную проблему, состоящую в разработке методологии обоснования требований к системе инженерно-аэродромного обеспечения, позволяющей обеспечить требуемый уровень потенциальных боевых возможностей авиации ВВС в ходе боевых действий при минимизации суммарных экономических затрат, связанных с созданием и функционированием этой системы за время, не превышающее располагаемое.
Разработка методологии обоснования требований к системе инженерно-аэродромного обеспечения боевых действий авиации (ИАэО) на постоянных аэродромах ВВС состоит в разработке методов и их последовательном применении для обоснования требований к системе ИАэО, которая должна обеспечить необходимую эффективность боевых действий авиации. Для это го нужно соотватствовать необходимым требованиям некоторого векторного показателя качества F = (^,0,,...,^,...,^), гдд .К е 1,т) - частные показатели качества.
Значения каждого частного показатедя ^(Ы е1,т) определяются некоторыми факторами (х^...^,...^), описывающими параметры объеута исследований - системы инжеоерно-аэродрвмноео обеспечения боевых действий авиации на ностоянных аэродромах ВВС, пераметры прндмета исследований - взаимасвязь и взаимовлияние пераметров системы инженерно-амродромаого обемпечения боевых действий авиации ВВ С, а также параметры внешней по отношению х ним среды, т. е. F1 (x1,...,xj,...,xn ). Значения факторов выбираются с учетом рерльно сущиствующих ограничений, у этом смысле (существует Ох - область допустимых знсчении фалтором о= (х^..^,.. .,хп)т рз п-мерного хакторуого проскранства Е п(Ох с Еп). Каждый ф)аисто;р ххо ь в области допуститых знаиений имеет минимальное х^ и максимальное Хитм значения и в оСщеа случае мужет иметь чиккретные или непрерывные зночения. Для наглядности на рис. С показено формирование области доеустимых значений для трех фемтооов в трехмернкм пространства.
Каждая точка факторного пространства х = (х1,х2,х3) имеет вполне определенное значение каждого фактора. Так, на рис. 1 значение первого фактора равно - х1, второго - х2, третьего - х3.
Принцип формирооания долл=стимых зночаний для любчго п чесла фапторов в п - мерном факторном пространстве остается таким же.
При изменении вектора факторов х в области вектор частных показателей качества р,(к) = т1(х1.....Хз.....хп) будет изменмться в некоторой области О. г т-мерного пространства
Рис;. 1. Формирование области допустимых значений для п = 3 факторов в трехмерном пространстве Бз(Пх <= Е)
Em (Q F с Em) векторного показателя качества F, являющегося отображением области допустимых значений факторов x = (x1,...,xj,...,xn)T в пространстве Em(Q F с Em) частных показателей качества Fi (x) = Fj (x1,..., x;,..., xn).
Область представляет собой область Парето, или область возможных значений частных показателей качества F (i е 1, m). На рис. 2 для наглядности показано формирование области для трехмерного векторного показателя качества, т. е. когда i е 1, m при m = 3.
На рис. 2 векторная оценка F* = (F1" ,F2 ,F3), являясь элементом множества векторных оценок, соответствует возможным в данных условиях показателям F(x) v i е1,3, рассчитанным для одних и тех же значений факторов из области x е QX. Принцип формирования области для любого числа m векторных показателей качества в m-мерном пространстве остается таким же.
Задача оптимизации со сравнением альтернативных решений x е по предпочтительности при помощи заданных на скалярных показателей в виде функций F;(x) для V i е 1,m приводит к задаче векторной оптимизации [1, 2].
Задачи векторной оптимизации можно свести либо к задаче векторной максимизации (когда все показатели качества F;(x), необходимо увеличивать), либо к задаче векторной минимизации (когда все показатели качества F;(x) необходимо уменьшать). На практике чистые задачи векто рной макс имизации (минимизации) встречаются редко, при этом часть векторных показате лей качества необходимо увеличивать, а часть уменьшать. В этом случае пользуются искусственным приемом, который заключается в том, что в задаче векторной максимизации (минимизации) тот векторный показатель качества F;(x), который надо уменьшить (увеличить), заменяют показателем [-F;(x)], и его уже надо увеличивать (уменьшать)[13].
Наиболее представительным является векторный показатель качества вида F = (F1,F2,F3), где F1 = C(x1,...,xj,...,xn) - частный показатель, хар актеризующий стоимость создания и функционирования системы ИАэО боевых действий авиации; F2 = Э^,...^,...^) - частный показатель степени выполнения системой ИАэО своего функционального назначения, характеризующий полезный целевой эффект от ее применения; F3 = T(x1,...,xj,...,xn) - частный
Рис. 2. Формирование области трехмерного пространства E3(flF С E3) для Fi, i е 1,3
показатель, отражающий временные характеристики функционирования системы инженерно-аэродромного обеспечения боевых действий авиации при достижении полезного целевого эффекта.
К настоящему времени эффективных методов решения задач векторной оптимизации не разработано. Приемлемый метод при их решении может состоять в выборе компромисса. Одной из часто применяемых схем компромисса является определение главного показателя, заключающееся в том, что из векторного показателя выделяется один показатель, называемый главным, а на остальные частные показатели накладываются ограничения.
В решаемой научной проблеме в качестве главного показателя целесообразно выбрать частный показатель F1 = С^,...^,...^), характеризующий стоимость создания и функционирования системы ИАэО боевых действий авиации, поскольку априорно нельзя, даже приблизительно, определить диапазон изменения его значений. Показатели F2 = Э^,...^,...^) и Р3 = Т^,...^,...^) могут выступить в качестве показателей, на которые накладываются критерии пригодности. При этом показатель Р2 = Э(хи...,х^...,хп), характеризующий полезный целевой эффект и отражающий степень выполнения системой ИАэО всего объема задач, имеет диапазон изменения от 0 до 1. Значения показателя Р3 = Т(х1,...,х^,...,хп), характеризующего временные характеристики функционирования системы ИАэО при достижении полезного целевого эффекта, могут быть заданы исходя из рассмотрения процессов ее функционирования во временной области.
Важным при разработке и постановке проблемы обоснования требований к системе ИАэО боевых действий авиации является выбор из области Ох допустимых значений факторов х = (хи...,х;,...,хп)т в п-мерном векторном пространстве Еп(Ох с Еп) совокупности факторов (аргументов), значения которых оптимизируются в совокупности факторов, только учитываемых в рамках поставленной научной проблемы. Для этого разобьем область О х допустимых значений факторов х = (хи...,хг...,хп)т на три непересекающиеся области так, что
3
Ох = Пх,и Ох2 и Охз = и Ох,. (1)
В выражении (1): Ох - область допустимых значений оптимизируемых факторов (аргументов)
х1 = (х1,...,х1)т е х = (х1,...,х)-,...,хп)т, (2)
характеризующих параметры системы инженерно-аэродромного обеспечения боевых действий авиации на постоянных аэродромах ВВС;
- область допустимых значений к учитываемых факторов
Х2 = (х1+1.....х1+к)т ех = (х.....х,.....Хп)т, (3)
характеризующих параметры средств нападения противника, форм и способов их применения по аэродромам базирования группировки авиации объединения ВВС; Ох - область допустимых (г = п - 1 + к) значений учитываемых факторов
Х3 = (х1+к+1.....хп)Т е х = (х1.....хл.....хп)Т, (4)
характеризующих параметры своих войск.
В выражениях (2 - 4) n-мерный вектор всех факторов разбивается на l-мерный вектор факторов, характеризующих параметры системы инженерно-аэродромного обеспечения боевых действий авиаиии, k-мерный вектор факторов, характеризующих параметры средств нападения противника, форм и способов их прпменения по аэродр омем базир ования авиации и r-мерный вектор фаеторов, характеризующив параметры своих войск так,что l + k + r = n.
В свою очередь, вектор Xt = (x1M..,Xj)T преобразуется к виду
X.^G,, С2, G3, (J4,C5 ,G.) X,eQ х_. (5)
По сзществу, элементы вектора X, представлают собоп значения возможных характеристик, а обосвевание требований к сисввме ИАэО боевых действий авиации ВВС - это выбор из заачвний всех возможных характеристик в области QX таких знаявний X*, которые, удовлетворяя требованиям по эффективности и времени функционирования в областях Qх и Qх , обладали уы минимаеьной стоимостью.
Фармализоеанная мааеметическая постановка сформулированной научной проблемы может быть представлена следующим образом.
Необходимо минимизировать целевую функцию на мнежестве значений оптимизируемых факторов (аргу ментов) Xj (GBG2, G3 ,G4, G 5, G6) ей x , принадлежащих области Q их допустимых значений:
Q (X,/ X2, X3) ^ min (6)
x,eQX1
при ограничениях:
ЭиАюС0!^ 2, X3) — ЭИАэО(тр)
Т( X ;/Х 2, X з) < ТраСП
Х^.Ог.О,,G4,С5,G6) eQх, (7)
X 2 eüx,,
Х3 e Qx3,
где С(X /0Х_2,>Х5В)_ суммарные з)ат]э;а''^ь.1 на создание и функционирование системы ИАэО боевых действий авиации;
Э^^Х^,Х3);ЭИАэ0(х - знпчения текущей и требуемой эффективнотти функционирования системы ИАэО боевых действий авиации;
T(Xj/Х2, Х3), Траш - знхчения времрни и располагаемого времени функционирования системы ИАиО боевых действий авиации;
Xj(Gj ,G2,G3,G4,G5,G6) - вектор факторов, характеризующих варьируемые парсметры системы инженер но-аэродромного оСеспечения боевых действий авиации на постоянных аэродромах ВВИ;
Х2 - вектор фккторов, характеризующих пираметры средств нарадения противникв, форм и способов их применения по аэродроммм базирования группировки авиации объединениа ВВС;
Х3 - вектор факторов, характеризующих иартметры своих войск.
QXi, QXi, QXj - области допустимых значений факторов.
PenieH:e оптимизационной задачп видл (6, 7) н£Ш]1)^^лено на cy:eH:e области napeTo QF, onj) eдeляющий допистимые BapaaHTio пострсюния cистумыI ИЯ'ТА^э^С) (5о«^:в1>^;б действий ^в!иации до области ^(jmji^ict^iiiíhií.ijí; (Пopeтo-oптинaльI^ыxa peineHoC ИИЙФ). Для отьожаиия oí:»—^сет":! napeao-oптимaльныx нешгний оИФ) в задаче оида (6, 7) ((^jJsiiiaij'eTi'icii м^^иво orpeH:oeH:], в—лю-значения t;pp^î5;51(3mo:è^ эффестиврости и pacпoлaгaeмoгo ^{^^¡ммч!^!!!! (^^hicuiiohiippo^í^hiiíi системы ИАэО. <ЗЕ>о>и:миро^а^:^е; ог^а]а]]11ч^1и:и^ ocyioc chtib^.ü[^tcj[[ следеющим oÊ)p)ci;3om.
Вавь диапаоок иззмо(мн^ния зтачалий та|э^()1К£ь^011 эффективности p^feBaeTca Ha io1,r yчacтIcoв, киждому ин K0T0pi>ix nj(iiniKc;iy^]Bae'Ticí([ TpeT^Mo] эффектииности 1 a дииптзон oHaoe -
ний pтcII0лaгaeмoгo ^}0)€;мсен:и но j e l, J ичастков, кaждoмy из KoTopaix пpипиcывaeтcя знaчeниe pacпoлaгтeмoгo BpiMeac TOM
13 pe3ycKraTe ймeeм BecropHyio мгцттыл^ццзг orppa^H^KiiHiiii вид;
О. =
(8)
^ждыш элeмeнт мaтpицы (8) пpeдcтaвляeт аобой Becrop otj = (Э(, TJ )• Облacтъ Пapeт0-0IIтимaльныx peneH:] втыкживаются nyre;M многократного, i >< j p>a;î, penieHM зaдaчи минимизaции цeлeвoй функции (6) Ha мнoжecтвe ;íHa4^Hiiií ap^iy^T'oB X1(G1,G2,G3,G4,G5,G6) e р и мнoжecтвe or'paHii'ieii^ifiiH oij; i el,I, j н]13
Eice penieHM oптимизaциocнoй задаан можно cBecra к виду, изoбpaжeннoмy на p:c. 3 в тpexмepнoм IpocTpaHCTBe.
Haax p^. 3 Tppeyгoльникaми пoIcaзaныI pemeHM oптимизaциoннoй зaдaчи (6, 7) в i;i^cTeMe кoopдинaт (Этp, 0, C) up: знaчeнияx pacпoлнгaeмoгo ^paeMernc T п([П , квaдpaтикaми - в cиcтeмe
о
о
о
о
о
ij
ij
P:c. 3. Облacть onтимaлIIныIx (про napeTo) peinemiË
координат (Этр, 0, С) при значениях располагаемого времени Т-у^ , кружочками - в системе координат (Этр, 0, С) при значениях располагаемого вримени Т^1 . Каждан точка в трехмерном пространственарис. 3 принадлежитобласти Д|;ЭФ) е Д Р,нос;од^]з:2^н[тто.ль.1сот^э>лементы, которые для ззгзфси ксированных значений факторов к составе векторов Х2 е ПХ1 , X, о и, имея векторную оценку Е(1), удовлетворяют условию I"« = (СО^/ад) Э^/Х^Х,) >эу, Т(Х,>Х2 ,х,) ¡ет^, при этом значения состахляющих вектока ХДС^С^СзЭ^О^Об оптимальны в рамках принятых ограничений.
Решая задачу (6, 7) для интересующих значений факторов в составе векторов Х2 е Ох Х3 е Ос, , можно получить совокзпность Парото-оптимальных поверхностей, по которым лицо, принимающее решение, может выСрать удовлетворяющее его решение по харак-теристиком системы ИАэО боевых действий авиации. По двоей сути задтча (6, 7) представляет собой задачу структурно-параметрического синтеза системы инженерно-аэродромного обеспечения боевых действий авиации на постоянных аэродромах ВВС при известных исходных данных, характеризующих противника X 2 е ОХ и свои войска X3 е ОХ. При этом отыскиваются оптимальные, в рамках принятых ограничений, наборы значений характеристик подсистемы маскировки аэродромов (С1, с2), подсистемы обеспечения живучести базирования авиации (С3, С4) и характеристик подсистемы скоростного восстановления аэродромов в ходе боевых действий (С5, С6), составляющих основу функционирования системы инженерно-аэродромного обеспечения боевых действий авиации на постоянных аэродромах ВВС.
Таким образом, проведенное описание функционирования системы ИАэО с детальной формализованной постановкой научной проблемы позволит перейти к формированию логической организации общего системного подхода по обоснованию требований к системе ИАэО боевых действий авиации на постоянных аэродромах ВВС, которая предполагает следующие процедуры: выбор исходных данных по противнику и своим войскам; обоснование и выбор характеристик и показателя эффективности функционирования системы ИАэО; выбор характеристик системы ИАэО, подлежащих оптимизации; моделирование процессов функционирования системы ИАэО и расчет значений показателя ее эффективности; решение оптимизационной задачи для выбранных вариантов вооруженного противоборства и выбранных ограничений с формированием областей Парето-оптимальных решений для различных исходных данных; выбор рационального варианта построения системы ИАэО боевых действий авиации в различных условиях боевой обстановки.
Список литературы
[1] Реклейтис Г., Рейвиндран А., Рэгсдел К. Оптимизация в технике: в 2 кн. Кн. 1; пер. с англ. М.: Мир, 1986. 346 с.
[2] Реклейтис Г., Рейвиндран А., Рэгсдел К. Оптимизация в технике: в 2 кн. Кн. 2; пер. с англ. М.: Мир, 1986. 320 с.
[3] Сигорский В.П. Математический аппарат инженера. М.: Изд-во «Техника», 1977. 768 с.
Methodological Approach to Solving the Problem of the Background of Requirements to System of Engineering-Air Field Maintenance of Operations of Aircraft of the Air Forces
Alexey A. Borodin8, Vladimir N. Samusenkob and Victor V. Lazukin8
a VUNTs Air Force «Military and air academy of a name ofprofessor N.E. Zhukovskogo and Yu. A. Gagarin» 54 Starykh Bolshevikov Str., Voronezh, 394064 Russia bMilitary Academy of Aerospace Defense of a name G.K. Zhukov 50 Zhigarevs Str., Tver, 170022 Russia
In article the methodological approach to the decision of a scientific problem of a background of requirements to system of engineering-air field maintenance of operations of aircraft in constant air stations of the Air Forces, representing optimization a problem of structurally-parametrical synthesis of investigated system which decision will allow to define optimum, within the limits of the accepted restrictions, on-pine forest values of characteristics of system of engineering-air field maintenance of operations of aircraft is presented.
Keywords: methodology, airfield, quotient space, vector optimization.
