CC BY
8
Key words: high-precision digital inclinometer, geodetic monitoring, automated surveillance system.
Guseva Alina Evgenievna, postgraduate, [email protected], Russia, Irkutsk, Irkutsk National Research Technical University,
Malmygin Yaroslav Sergeevich, postgraduate, [email protected], Russia, Irkutsk, Irkutsk National Research Technical University,
Gridnev Semyon Olegovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Irkutsk, Irkutsk National Research Technical University
УДК 629.7.08
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-8-364-365
ПРИМЕНЕНИЕ ИЕРАРХИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОЦЕНИВАНИЯ ЦЕЛЕНАПРАВЛЕННЫХ ПРОЦЕССОВ СИНТЕЗА СЛОЖНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
В.В. Козлов, А.В. Лагун, В.А. Харченко, М.Д. Коноплев
Представлены основные положения формирования системы оценивания свойства эффективности процессов функционирования ракетно-космических комплексов и ее показателя на основе теории фракталов, семантики, морфологического анализа и анализа размерностей. В статье предложен вариант синтеза структурных элементов сложной технической системы и процессов ее функционирования, построенный на положениях системного анализа. В качестве конкретного объекта сложной технической системы в статье рассмотрен космический ракетный комплекс. Космический ракетный комплекс обладает всеми признаками сложной технической системы, в его состав входят элементы, нескольких уровней структурной иерархии. Также его отличает наличие обоснованных этапов формирования структурного построения космического ракетного комплекса с наличием функциональных связей, описываемых технологией достижения назначенных целей. Иерархия комплекса отражает тот важный факт, что космический ракетный комплекс сам входит как элемент в состав космического комплекса, т.е. более крупной целостной системы. Такой подход позволяет приступить к формированию облика космического ракетного комплекса уже на этапе внешнего проектирования, когда полное множество элементов космического ракетного комплекса еще не сформировано. При этом удается генерировать несколько возможных вариантов облика космического ракетного комплекса и выполнять их сравнение, призванное найти оптимальное решение.
Ключевые слова: ракетно-космический комплекс, свойство, показатель свойства, фрактальная иерархическая система оценивания, семантика, морфологический анализ, анализ размерностей, свертка показателей свойств.
Многообразие существующих и создаваемых сложных технических систем (СТС) столь велика, что каждая СТС требует индивидуального подхода при ее оценивании. При этом используя системный подход можно констатировать, что для каждой СТС приемлем общий системотехнический подход, включающий разработку и принятие таких положений как:
Системные концепции построения и поведения СТС;
Принципы, конкретизирующие реализацию СТС;
364
Стратегия как направление поиска оптимального решения в задачах по векторному показателю качества;
Система оценивания параметров функционирования СТС.
Используя эти положения формируются:
Концептуальная модель процессов функционирования СТС;
Модель формирования структурно-архитектурного облика СТС;
Математическая модель функционирования элементов СТС.
Иерархическая система оценивания параметров построения и функционирования СТС. Традиционно для СТС используется система оценивания ее параметров, основанная на вербальном множестве таких параметров [1]. Нам представляется, что в соответствии с подходами системного анализа система оценивания должна иметь иерархическую структуру с достаточно полным множеством рассчитываемых и измеряемых параметров. Исходя из этого синтез СТС может быть представлен следующей общей схемой (рис. 1).
Рис. 1. Структура синтеза СТС
Традиционная методология синтеза (проектирования) СТС может быть представлена в виде, показанном на рис. 2.
Общее направление проектирования сводилось к проработке нескольких п вариантов СТС (рис. 2) с последующей селекцией лучшего из них. При этом область применения СТС очерчивалась очень расплывчато. Системный подход в проектировании СТС с применение теории эффективности целенаправленных целеустремлённых систем [6], разработка показателя эффективности процессов функционирования, рож-
365
дает иную методологию и новое направление проектирования - «От формализованной цели к поэтапному формированию облика СТС, в соответствии с деревом целей и задач» (рис. 3).
Такой подход позволяет, кроме экономии средств, и получения научно обоснованных (оптимальных) решений, строже формировать ТТЗ на СТС. Эффективность процесса функционирования СТС это учет совокупности множества процессов в технических элементах с учетом ее структуры. Структура СТС также иерархична и может быть представлена в виде «пирамиды» рис. 4.
Каждая СТС содержит множество элементов, связанных между собой как на своем уровне, так и с вышестоящим уровнем иерархии.
Структурно-функциональный облик СТС схематично может быть представлен схемой, показанной на рис. 5 в виде графа.
В графе изображенном на рис.5 отражено, что вершины графа - элементы СТС, дуги - функциональные связи
Большое количество элементов абстрактной СТС на каждом уровне иерархии и большое количество функциональных связей приводит в процессе синтеза к проблеме размерности задачи. Поэтому синтез СТС на этапе внешнего проектирования целесообразно проводить не для всего множества элементов и функциональных связей, а лишь для критически важных или базовых ее элементов. При таком подходе встаёт задача, как определить такое подмножество. Эта задача может быть решена лишь при рассмотрении конкретной СТС.
В качестве конкретного объекта СТС далее будет рассмотрен космический ракетный комплекс (КРК).
КРК обладает всеми признаками СТС. Современные КРК включают машины, механизмы и сооружения, гидравлические и пневматические системы заправки, термо-статирования, газоснабжения и управления, электрическое и электронное оборудование, оптические приборы и др.
КРК определяется тем, что в его состав входят элементы, нескольких уровней структурной иерархии. Иерархия комплекса отражает тот важный факт, что КРК сам входит как элемент в состав космического комплекса (КК), т.е. более крупной целостной системы. Сложность функционирования КРК характеризуется множеством состояний, которое не всегда удается перечислить и определить.
Поэтому функционирование КРК проходит в условиях неустранимой неопределенности. При этом для КРК просматривается аспекты поведенческого уровня, реак-
ции на воздействие внешней среды, которое реализуются в связи с наличием в контуре управления человеческого фактора, резервных элементов и алгоритмов, наличием выбора конкретного объекта запуска космического аппарата (КА), в частности, для перспективных унифицированных комплексов.
Сложность развития и деградации КРК определяется:
во-первых, тем, что существующие комплексы уникальны и в процессе жизненного цикла нередко подлежат модернизации, а, следственно, на них постоянно проводятся доработки оборудования и совершенствование технологии подготовки ракет космического назначения (РКН);
во-вторых, по мере расходования ресурса происходит старение и износ конструкционных материалов, в связи с чем изменяются технико-эксплуатационные характеристики комплексов. Жизненный цикл изделий КРК включает скачкообразное изменение свойств техники при ее восстановлении и постепенное изменение свойств по мере расходования ресурса.
Долгосрочность использования КРК иногда может трактоваться как возможность его применения для ещё не сформулированных программ (целей) освоения и использования космического пространства. Однако, нет сомнений, что КРК система выполняющая целенаправленное действие. Целостный и целенаправленный характер объектов применительно к КРК проявляется в том, что для КРК можно сформулировать единую глобальную цель функционирования и определить целевой объект. Здесь предлагается следующая формулировка глобальной цели КРК: Создание (поддержание на заданном уровне) орбитальной группировки КА при минимальных затратах всех видов ресурсов и заданного времени для её осуществления.
КРК очень разноплановая, большая, многоликая по проявлениям и значимая по результатам (успешным и аварийным пусков РКН) система. В ней для достижения целей функционирования используются практически все известные физические, информационные и социальные явления. Поэтому возникает проблема её описания с единых (общенаучных) позиций [2]. Для этого необходимо выбрать единый подход в виде системной концепции.
Рассматриваемые КРК как объекты системотехники и как объекты моделирования в процессе проектирования являются многоаспектными комплексами. Это требует применения разнообразных математических моделей, отражающих следующие характеристики и факторы: структурные; функциональные; информационные; организационные и другие связи.
Для описания и исследования перечисленных аспектов вообще-то используются различные модели и методы. Вместе с тем, совместное исследование всего многообразия факторов при проектировании, а, особенно, при автоматизированном проектировании связаны с необходимостью разработки обобщенных и универсальных многоуровневых математических описаний составляющих КРК элементов как объектов проектирования, производства и эксплуатации. В качестве координирующей основы исследования иерархии и аспектов функционирования КРК можно принять «Концепцию управляющей системы», сформулированная С. В. Яблонским (Вопросы кибернетики, 1962, №2). Применение такой концепции позволяет использовать математический аппарат теории автоматического управления [5] ко всем элементам КРК и получать оценки качества его функционирования в одной метрике.
При этом, под управляющей системой понимается объект, оказывающий целенаправленное воздействие на другой объект, называемый управляемым, для перевода последнего в требуемое состояние. Такая трактовка вполне согласуется с особенностями строения и функционирования КРК и всех его составляющих. Действительно, назначение КРК состоит в выведении на орбиту КА, т.е. с переводом КА как объекта управления верхнего уровня из состояния его поставки на космодром до состояния полета на орбите.
В этом случае роль управляющей системы играют технические средства КРК, выполняющие и обеспечивающие транспортировку и перегрузку, стыковку и испыта-
ния, доставку на стартовую позицию, установку на пусковое оборудование и заправку, набор готовности, пуск средства выведения и доставку КА на орбиту.
Каждый из видов оборудования КРК, включая средство выведения, также является управляющей системой по отношению к КА. Так, комплекс стендового оборудования является управляющей по отношению к КА системой, обеспечивая перевод его из состояния поставки в состояние готовности к отправке на стартовую позицию. Исходя из этой концепции, ракета-носитель (РКН) является управляющей системной для доставки КА в начале с технической позиции на старт, а затем с места старта на орбиту. В свою очередь, транспортно-установочный агрегаты управляют доставкой РКН, ее установкой на пусковой стол и выполнения ряда предстартовых операций. Подобно этому система заправки является управляющей по отношению к компонентам ракетного топлива как объекту управления и переводит их из состояния хранения в емкостях хранилищ, в баки ракеты с заданными параметрами.
Реализация концепции управляющей системы для многоуровневого моделирования КРК связано, в первую очередь, с описанием состояний объектов управления и воздействий со стороны управляющей системы.
Достижение целей функционирования КРК требует выполнения определенного комплекса технологических функций, характерных для всех управляющих систем. В частности, для изменения состояния объекта управления необходимо: оценить состояние объекта управления (функция контроля); сформировать закон управления (функция принятия решения); реализовать управление в виде энергетического и информационного воздействия на объект управления.
В соответствии с этим управляющая система должна содержать средства контроля и принятия решения, а также исполнительные органы. Учитывая особенности КРК, связанные с наличием ярко выраженных энергетических факторов, целесообразно дополнить традиционную для информационно-управляющих систем схему компонентой, выполняющей функцию снабжения перечисленных компонент материалами (для восстановления израсходованных при функционировании материальных ресурсов) и энергией (для обеспечения работоспособности и создания управляющих энергетических воздействий).
Структурная схема управляющей системы применительно к КРК приведена на рис.6, которую можно рассматривать как дерево целей и задач.
Кроме общей системной концепции при синтезе КРК необходима и концептуальная модель, предназначенная для формирования [2]: концепции (описания, построения, оценивания); специальных принципов (учет специфики объекта); критериев оценивания свойств объекта;
показателей оценивания свойств объекта и алгоритмов их вычисления; систему предпочтений, позволяющую перейти к моделям технологических функций и структур агрегатов.
Для синтеза КРК, как специализированной СТС необходимо принять специальные принципы, учитывающие особенности комплекса.
Создание КРК является, процессом направленными на достижение выполнения программ выведения КА с максимальным значением показателя эффективности процессов функционирования КРК. Это обстоятельство диктует принятия критерия эффективности процессов функционирования комплекса в виде оптимизации процессов подготовки с наибольшим результатом (значением) показателя эффективности этих процессов.
Требование к значению показателя эффективности процессов подготовки и пуска РКН для КРК до сих пор не формулируются в ТТЗ на КРК. Однако, общие суждения о эффективности процессов функционирования, создаваемого КРК, как правило, высказываются на словесном уровне, что приводит к проблемам записи выражения для
общего критерия эффективности, т.е. к проблемам построения алгоритмов его вычисления и процесса создания комплекса в целом. Следующим после построения структурного облика комплекса является этап синтеза его функционального наполнения.
Цель I уровня - выведение КА
Управляющая.
РК
КР
управ-
Система управ-
Объект управ-
КА
Цели II уровня - подготовка к пуску РКН
Цели III уровня - сборка РКН
Рис. 6. Структурная схема управляющей системы КРК
Формирование процессов функционирования КРК. Переходя к задачам формирования специальных принципов реализации процессов функционирования КРК следует отметить, что по статистическим данным стоимость агрегатов и систем КРК, имеющих «механическую» природу, во многом определяет стоимость разработки и создания самого комплекса, которая содержит затраты на такие виды работ как:
- предварительное и эскизное проектирование - 4 %
- научные исследования и экспериментальные работы -6%
- создание опытных образцов - 20%
- натурные работы и доводочные работы - 70%
Это обстоятельство значительно повышает степень ответственности решений, принимаемых на начальной стадии разработки комплекса. Цена допущенных при проектировании ошибок может быть весьма высокой. Это, прежде всего, резкое возрастание объема работ на доводку агрегатов и систем в ходе их натурных испытаний, и, как следствие, возрастание стоимости ОКР, моральное старение еще не созданного комплекса.
Поэтому при глубоком изучении и качественном проведении научно-исследовательских и проектировочных работ с механическими объектами удастся сократить расходы на доводку техники и заметно снизить суммарную стоимость КРК.
Значительность ресурсопотребления для механических объектов КРК позволяет сформулировать несколько специфических для КРК принципов.
370
Целевой функцией КРК является процесс выведения КА на заданную орбиту, а содержание этого процесса состоит в придании аппарату необходимой потенциальной и кинетической энергии.
Целевые функции агрегатов и систем КРК, обеспечивающие выполнение требования по назначению (без ограничений по оперативности, стойкости к внешним воздействиям, готовности, эргономике и т.п.), также всецело определяются механическими свойствами средств выведения и КА. Формально эти функции могут быть представлены тремя мегафункциями:
завершение производственного этапа создания КА и средства выведения, которые реализуется по средствам технологического оборудования технического комплекса (ТО ТК) т.е. сборка, испытания и т.д.;
подготовка к пуску средства выведения совместно с КА, которая выполняется и обеспечивается силами и средствами технологического оборудования стартового комплекса (ТО СК);
выведение КА на заданную орбиту.
Проблема декомпозиции элементов КРК при наличии этих мегафункций также успешно решается. По принципу функционального (механического) разделения эти ме-гафункции можно выделить классы функций:
изменения пространственного положения элементов КРК (транспортировка, разгрузка, демонтаж, монтаж элементов средств выведения, их установка на СК и т.п.);
выполнение процессов стыковки узлов КА, стыковка устройств «земля-борт», ветровое крепление средств выведения и т.д.);
потоковые процессы в пневматических, гидравлических системах комплекса Эти обстоятельства позволяют выдвинуть первый из специфических принципов: Принцип механической доминанты.
К такому выводу можно прийти, если выполнить агрегирование технологических операций подготовки и пуска РКН для любого из известных КРК (рис. 7)
Такого рода обобщения для механических процессов комплекса позволяют выбрать второй специальный принцип для синтеза КРК, направленный на поиск оптимальных решений в формировании его функционального облика.
В качестве такого принципа можно принять принцип Гамильтона или принцип наименьшего действия [4]. Этот принцип является естественным продолжением принципа механической доминанты.
Принцип Гамильтона является фундаментальным положением механики. Наличие этого принципа продиктовано проблемами реализации технологических процессов. Согласно этому принципу технологические операции КРК должны назначаться так, чтобы функционирование агрегатов и систем комплекса были нацелены на сокращение ресурсопотребления при достижении намеченных целей, что несомненно положительным образом скажется при оценивании показателя эффективности процессов функционирования КРК. На основании принятых концептуальных положений для КРК в качестве стратегии может быть принята стратегия ресурсосбережения, нацеленная на максимальное значение показателя эффективности процессов подготовки и пуска РКН.
Синтез технологий, способов и средств достижения глобальной цели, всех подчиненных, последующих подцелей КРК представляет собой выбор из имеющегося на сегодня множества потенциально допустимых технологических и технических решений, которые формируют облик КРК, функции, а также характеристики его агрегатов и систем.
При этом уникальность реализации каждого КРК определяется не только особенностями его целевых объектов и условиями функционирования комплексов. Представленный на рис. 6 обобщенный технологический процесс подготовки и пуска РКН позволяет выделить три наиболее значимые операции: сборка агрегатов путем стыковки, движение сплошных сред и перемещения агрегатов комплекса. Их сочетания могут быть отражены графом О, показанном на рис. 7. Перечисление всевозможных сочета-
ний технологических функций и представляет исчерпывающее множество «базовых» функций, которым можно поставить в соответствие множество «базовых» элементов КРК. Строгое перечисление таких объектов можно провести путем решения известной в теории графов задачи перечисления «клик» графа [3]. Как известно, кликами графа называются его максимально полные подграфы. В общем случае в полном графе на к вершинах существует к! Клик
Известные массивы технологических процессов
(механических, электрических, информационных, радиотехнических)
Обобщенный технологический процесс подготовки РКН
1. Транспортировка элементов РКН на космодром
2. Разгрузка транспорта с элементами РКН
3. Демонтаж вспомогательного оборудования
4. Автономные испытания элементов РКН
5. Стыковка ступеней РКН
6. Комплексные испытания
7. Укладка РКН на ТУО
8. Транспортировка РКН на СК
9. Перевод РКН в вертикальное положение
10. Вывешивание РКН над ПУ
11. Установка РКН на ПУ
12. Стыковка коммуникаций «земля-борт»
13. Предпусковые операции
14. Набор готовности к пуску
15. Отвод коммуникаций от борта
16. Пуск РКН
17. После пусковые операции
18. Приведение СК в готовность к приему
Обобщенные функции
1. перемещение тел
2. изменение структуры
3. обмен потоками
Рис. 7 Структура агрегированных технологических операций
Для представленного на рис. 8 графа G число вершин равно 3, поэтому число клик равно 3! = 6, что позволяет для этапа внешнего проектирования комплекса ограничится рассмотрением лишь шести «базовых» его элементов. Перечисляя клики (рис.8), можно сформировать множество базовых агрегатов КРК, выполняющих сочетания всех возможных мегафункций.
1
1
1
2
2
А
А
3
3
2
2
А А
3
3
2
2
А
А
3
3
Рис. 9. Графы мегафункций базовых агрегатов СК
Следующим этапом синтеза КРК является идентификация представленных на рис. 9 клик графа в виде «базовых» агрегатов и систем комплекса. Решение этой задачи для КРК может быть решена на основе анализа матрицы инциденции, связывающей агрегаты и системы комплекса и технологическими операциями, в которых они используются в уже созданных комплексах. На основе анализа матицы инцеденции определяются «базовые» виды оборудования для СК. Такими агрегатами для СК являются ракета космического назначения (РКН), транспортно-установочный агрегат (ТУА), пусковой стол (ПС), заправочное оборудования (ЗО), системы термостатирования (СТР) и автоматизированная система подготовки и пуска (АСУ 1111). Аналогичным образом определяются «базовые» агрегаты и системы ТК: транспортное оборудование (Тр.О), монтажно-стыковочное (МСО), подъемно-перегрузочное оборудование (ППО) и комплект проверочного оборудования (аналог АСУ 11 СК), системы термостатирования (СТР) и заправочнонейтрализационная станция (ЗНС).
Заключение. Представленный здесь подход синтеза элементов СТС и процессов ее функционирования построен на положениях системного анализа. Его отличает наличие обоснованных этапов формирования структурного построения СТС с наличием функциональных связей, описываемых технологией достижения назначенных целей.
Такой подход позволяет приступить к формированию облика СТС на этапе внешнего проектирования, когда полное множество элементов СТС еще не сформировано.
При этом удается генерировать несколько возможных вариантов СТС и выполнять их сравнение, призванное найти оптимальное решение.
Такого рода сравнение помимо получения наилучшего варианта позволяет выполнять коррекцию исходных данных и выявлять направления дальнейших научно исследовательских и опытно конструкторских работ по созданию новых СТС.
1. Надежность и эффективность в технике: Справочник: В 10 т. / Ред. Совет.: В.С. Авдуевский (пред.) и др. М.: Машиностроение, 1986.
2. Бирюков Г.П., Гранкин Б.К., Козлов В.В., Соловьев В.Н. Основы проектирования ракетно-космических комплексов. ООО «Алфавит». СПб., 2002.
3. Оре О. Теория графов. М.: Наука. Главная редакция физико - математической литературы, 1980. 336 с.
4. Бутенин Н.В., Лунц Я.Л., Меркин Д.Р. Курс теоретической механики. В двух томах: учебн. пособие для неэлектротехн. Специальностей вузов М.: Наука. Гл. ред. физ.мат.лит., 1979. 273 с.
Список литературы
5. Каргу Л.И., Литвинов А.П., Майборада Л.А., Морозов В.В., Нелепин Р.А., Пономарев В.М., Федоров С.М., Юсупов Р.М. Основы автоматического регулирования и управления; под ред. Пономарева В.М., Литвинова А.П. М.: «высшая школа», 1974.
6. Петухов Г.Б., Морозов Л.М., Сидоров В.Н. Методологические основы теории эффективности. Л., 1982.
Козлов Владимир Владимирович, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Лагун Андрей Валерьевич, канд. техн. наук, доцент, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Харченко Владимир Алексеевич, адъюнкт, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Коноплев Михаил Данилович, курсант, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
APPLICATION OF A HIERARCHICAL SYSTEM OF EVALUATION OF PURPOSEFUL PROCESSES OF SYNTHESIS OF COMPLEX TECHNICAL SYSTEMS
V.V. Kozlov, A.V. Lagun, V.A. Kharchenko, M.D. Konoplev
The main provisions of the formation of a system for assessing the effectiveness of the processes of functioning of rocket and space complexes and its indicator based on the theory of fractals, semantics, morphological analysis and dimensional analysis are presented. The article offers a variant of synthesis of structural elements of a complex technical system and its functioning processes, based on the provisions of system analysis. The article considers a space rocket complex as a specific object of a complex technical system. The space rocket complex has all the signs of a complex technical system, it includes elements of several levels of structural hierarchy. It is also distinguished by the presence of reasonable stages in the formation of the structural construction of a space rocket complex with the presence of functional connections described by the technology of achieving the assigned goals. The hierarchy of the complex reflects the important fact that the space rocket complex itself is included as an element in the space complex, i.e. a larger integrated system. This approach makes it possible to begin forming the appearance of the space rocket complex already at the stage of external design, when the full set of elements of the space rocket complex has not yet been formed. At the same time, it is possible to generate several possible variants of the appearance of a space rocket complex and perform their comparison, designed to find the optimal solution.
Key words: rocket and space complex, property, property indicator, fractal hierarchical evaluation system, semantics, morphological analysis, dimension analysis, convolution of property indicators.
Kozlov Vladimir Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, vka@,mil.ru, Russia, Saint Petersburg, Mozhaisky Military Space Academy,
Lagun Andrey Valerevich, candidate of technical sciences, docent, Russia, Saint-Petersburg, Military space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Kharchenko Vladimir Alekseevich, lecturer, Russia, Saint Petersburg, Military space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Konoplev Mikhail Danilovich, cadet, Russia, Saint Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky
