Применение операционного метода к процессу проектирования артиллерийского комплекса

Для любой исследуемой системы минимально требуется три разных уровня ее описания с точки зрения:

-присущих ей внешних, целостных свойств;

-её внутреннего строения и «вклада» ее компонентов в формирование целостных свойств системы;

-понимания данной системы как подсистемы более широкой системы.

Анализ проектирования арткомплекса как системы логично начать с определения её места в жизненном цикле арткомплекса, являющемся более широкой системой.

Жизненный цикл рассматривается как модель существующей системы (ствольный комплекс), развернутая во времени [4].

Разработка начинается с анализа целесообразности и при положительном решении определяются ТТХ. Разработка включает НИР и ОКР (теоретические и экспериментальные исследования), проектирование, изготовление и испытания опытных образцов.

Производство включает изготовление установочной партии, наладку производства и изготовление требуемого количества образцов. Для этапа «производство» характерны Зависимости, приведенные на рис. 2.1.

Факторы, определяющие срок жизни образца при его эксплуатации в мирное время: хранение и учения; в военное время дополнительно: огневое воздействие противника.

Хранение характеризуется физическим (ФИ) и моральным (МИ) износом. Причём, бывает, что МИ > ФИ. Причины этого – технический прогресс; изменение объёма и характера задач, решаемых образцами; опережение противником. За время учений и в военное время проявляется износ ( при транспортировке, стрельбе, сборке и разборке, при холостых срабатываниях и т. п.)

Все этапы жизненного цикла взаимосвязаны. При анализе любого из них необходимо учитывать все остальные.

Структурная схема системы жизненного цикла АС может быть представлена рис. 2.2.

I и II подсистемы составляют этап разработки.

Главным итогом деятельности I подсистемы жизненного цикла АС является решение задачи обоснования и определения оптимальных ТТХ перспективной АС. Структурная схема жизненного цикла АС описана в терминах «вход— выход»:

BX1₁ — совокупность параметров, характеризующих несоответствие существующих АС перспектив­ным требованиям боевого применения;

ВХ1₂ — совокупность параметров, характеризующих возможность создания АС с заданными ТТТ (после проработки в подсистеме создания);

BX1₃ — информация о параметрах (функциональных возможностях) зарубежных АС аналогичного назначения; ВЫX1₁ — ТТТ к перспективным АС, которые желательно обеспечить;

ВЫХ1₂ — ТТТ к перспективным АС, которые необходимо обеспечить с учетом реальных возможностей.

Наблюдается и обратная связь BX1₂ == ВЫХ2₁. Благодаря этому ТТТ, представляемые ВЫХ1₂ и являющиеся оптимальными ТТХ перспективной АС, появляются в результате итерационного цикла.

BЫХ1=BX2₁; ВЫХ1₂ = ВХ2₂;

BX2₃,—сведении о новых физических принципах, ма­териалах, элементах, способах передачи ин­формации, а также развития существующих принципов, материалов, элементов, способов;

ВХ2₄ = ВХ1₃,— информация о зарубежных АС аналогичного назначения;

ВЫХ2₁= ВХ1₂—совокупность параметров, характеризующих возможность создания АС заданными ТТТ;

ВЫХ2₂ — информация о возможности создания новой АС в соответствии с заданными ТТТ ( техническая документация на АС или ее отдельные элементы, откорректированная по результатам испытаниями доработки) — главный итог этапа разработки АС.

III и IV подсистемы составляют этап производства.

ВЫХ3₁ = ВЫХ2₂;

ВХ3₂—потребность в АС (производственная про­грамма);

ВХ3₃ — ресурсы, которыми располагает существую­щее производство и которые могут быть ис­пользованы для выпуска АС (технологическое оборудование, кадры, производственные пло­щади и т. п.);

ВХ3₄ — технологические процессы, которые могут быть использованы для производства АС;

ВХ3₅ — располагаемые ресурсы на технологическую подготовку производства (ассигнования, мощности и т. п.);

ВХ3₆ — информация о новых принципах, позволяю­щих создать прогрессивные технологические процессы;

ВЫХ3₁ — документация на техпроцесс изготовления АС;

ВЫХ3₂—производственные мощности; .

ВЫХ3₃— новые прогрессивные техпроцессы и оборудо­вание;

ВХ4₁ = ВЫХ3₁;

ВХ4₂ — ресурсы для производства АС (оборотные фонды, материалы и т. д.); ВЫХ4₁— готовая продукция (АС).

V подсистема составляет этап эксплуатации.

BX5₁ = BbIX4₁;

ВХ5₂— способы и условия использования АС по на­значению (положения тактики, правила стрельбы, характеристики воздействия кон­фликтующей среды);

ВЫХ5₁—множество воздействий АС на противника.

С позиций теории систем каждая из подсистем жизненного цикла может быть рассмотрена дифференцированно. Так подсистема создания арторудия может быть представлена, например трёхуровневой структурой (рис. 2.3).

Вместе с тем, процесс проектирования артсистемы незави­симо от стадии разработки конструкторской документации можно представить в виде схемы, особо подчеркивающей характерную особенность процесса — его итеративность (рис. 2.4).

Необходимо отметить, что одновременно блоки приведен­ной схемы (рис. 2.4) в основном характеризуют элементы теории конструирования, положения которой будут рассмот­рены подробнее в дальнейшем.

Приведенные схемы структуры процесса создания артиллерийской установки иллюстрируют положение, теории систем: конкретный вид графа системы определяется тем, как сформулирована задача анализа рассматриваемой системы.

Так, с целью выявления места и роли исследовании и ис­пытании, проводимых на всех этапах жизненного цикла артиллерийской системы, можно рассмотреть следующий граф структуры (рис. 2.5).

Результаты, получаемые при выполнении каждого из указанных на схеме видов деятельности, различны: в одном случае это информация, например при проектировании и ис­следовании; в другом — материальные объекты, например при производстве изделий. В связи с этим проектирование и производство можно назвать функциональными видами деятельности, а остальные виды — обеспечивающими. С функци­ональными видами деятельности связаны входы и выходы системы. При этом с подсистемой проектирования связаны информационные вход и выход, а с подсистемой производ­ства - материальные.

Для анализа внутреннего строения .проектирования как системы и «вклада» ее компонентов в формирование целостных свойств целесообразно рассмотреть проектирование с точки зрения теории конструирования.

Элементы теории конструирования.

Изобретательство, инженерный анализ, принятие решений

Проектирование — процесс, цель которого разработка технического устройства, обеспечивающего оптимальное решение поставленной задачи при некоторых ограничениях, налагаемых на решение.

Процесс проектирования должен учитывать:

- потребности в конкретном техническом устройстве с конкретными характеристиками (учет потребности войск в арторудиях с определенными ТТХ);

- вопросы технологичности, связь с этаном производства;

- фактор - человека (инженерная психология).

Проектирование ствольного комплекса характеризуется тремя видами деятельности:

1) изобретательством - разработки принципиальной схемы комплекса и его узлов;

2) инженерным анализом - проведением необходимых расчётов (определение размеров,

весов, стоимости и т. п.);

3) принятием решений - выбором оптимальных схем, конструкций, размеров.

Изобретательство (способность находить новые полезные идеи для решения инженерных задач) должно дать решение, отличающееся новизной и уникальностью, полезностью и цен­ностью, простотой и изяществом. Некоторые общие принципы и приёмы: преодоление психологической инерции, метод «моз­гового штурма», метод инверсии, использование аналогий, эмпатия, фантазия, систематическое исследование новых ком­бинаций. В последнее время находят применение методы по­искового конструирования, использующие ЭВМ.

Инженерный анализ — детальное изучение выбранных схем и получение данных, необходимых для принятия реше­ния. Основой для проведения инженерного анализа служит традиционная теория проектирования артиллерийских систем.

На рис. 2.6 показаны основные этапы решения инженер­ных задач: I — постановка задачи; II — построение модели (аналитической или экспериментальной), применение физи­ческих принципов или накопление опытных данных для введения в модель; III — проведение вычислений и их проверка, оценка, обобщение и выдача полученного результата.

Подробнее содержание каждого выделенного этапа за­ключается в следующем.

1. Необходимо четкое формулирование цели исследования: например, для данной схемы ствольного комплекса при заданных ТТХ нужно определить вес, габариты, стоимость,
эксплуатационные характеристики (т.е. все те характеристики, которые необходимы для принятия решения).

2. Для данной задачи строится внутренняя модель функ­ционирования ствольной системы (модель функционирования отдельных узлов и деталей внутри комплекса).

Модели действия отдельных узлов и агрегатов определя­ются внешней баллистикой, внутренней баллистикой, теорией стволов, лафетов и т. п.

Модель представляет собой идеализированное приближе­ние к pea л ь но и ситуации.

Вся хитрость при построении модели состоит в том, что для получения решения модель должна быть достаточно простой, и в то же время она должна отражать существо задачи, чтобы найденные с ее помощью результаты имели смысл.

Получили распространение два вида моделирования: фи­зическое (натурное) и математическое (имитационное).

Развитие вычислительной техники подняло моделирование как метод исследования на качественно новый уровень. Стало возможным автоматизировать разработку и проектирование систем большой сложности и исследовать особенности их функционирования в условиях, близких к реальным условиям работы создаваемых систем.

Имитационные модели предполагают математическое мо­делирование всех блоков разрабатываемых и исследуемых систем и данных, поступающих на вход системы от внешней среды.

Натурное моделирование с применением средств вычислительной техники предполагает получение входных данных от реальных физических датчиков, выдачу данных на реальные объекты и математическое моделирование тех блоков системы, которые в реальной системе связаны с обработкой воспринимаемых данных и с организацией функционирования системы.

Вообще говоря, можно считать, что системы натурного моделирования включают в себя те блоки систем имитационного моделирования, которые предназначены для генерирования сигналов среды, в которой функционирует разрабатываемая или исследуемая система. Поэтому системы натур­ного моделирования должны включать в себя средства систе­мы имитационного моделирования, обеспечивающего взаимо­действие оператора с ЭВМ в процессе моделирования (алфавитно-цифровые дисплеи и графические дисплеи со световым пером, планшеты для ввода графической и символьной информации, графопостроители и соответствующие системы математического обеспечения). Кроме того, системы натурного моделирования должны содержать технические и математические средства сопряжения моделирующего комплекса с физическими датчиками информации и эффекторными системами.

Необходимо также иметь в виду, что в общем случае для моделирования любого реального процесса можно построить множество различных моделей, отличающихся друг от друга тон пли иной степенью упрощения и приближения к оригиналу.

В опытно-теоретическом методе применяют модели, учи­тывающие в своей структуре лишь те факторы и связи, зна­чимость которых заметна по результатам. Но так как оценка значимости тех или иных факторов, а также степени упроще­ния моделей не может быть получена на основе общих рассуждении, то используют метод отработки моделей, позволяемый произвести оценку точности результатов моделирования. Суть этого метода сводится к выполнению следующей последовательности операций:

- на основе априорных данных с учетом характера задач, для решения которых предназначается создаваемая модель, Выбирают тип и структуру модели (полная, неполная, частная) и отбирают превалирующие факторы;

- для одних и тех же условий работы сложной системы делают несколько натурных экспериментов и набирают достаточное количество реализаций на моделях. На основании сравнения результатов экспериментов и моделирования проводят параметрическую доработку модели при допущении, что выбранная структура удовлетворительна;

- при наличии остаточной разности между выходными характеристиками после параметрической доработки по результатам сравнения данных эксперимента и моделирования проводят структурную перестройку модели, заключающуюся в дополнительном учете отдельных факторов, значимость которых подтвердилась или же сводится к изменению и до­полнению в структурной схеме модели отдельных связей;

- окончательно проверяют статическую совместимость выходных характеристик по результатам натурных экспери­ментов и моделирования в ряде целенаправленно выбранных точек факторного пространства. Результаты в этих точках должны дать ответ не только об их статистической совмести­мости, но и о характере поведения возможной методической ошибки моделирования во всей области рассматриваемого факторного пространства.

3). На этом этапе решаются задачи оптимального проек­тирования на базе внутренней модели функционирования ору­дия. При этом максимально используются возможности ЭВМ.

Принятие решений, т. е. выбор оптимальных характерис­тик и параметров ствольных комплексов.

Само по себе принятие решения есть компромисс. Прини­мая решение, необходимо учитывать суждение о ценности, что включает рассмотрение, экономических факторов, технической целесообразности и научной необходимости, а также учиты­вать социальные и чисто человеческие факторы. Принять «правильное» решение - значит выбрать такую альтернативу из числа возможных, в которой с учетом всех этих разнооб­разных факторов будет оптимизирована общая ценность.

Необходимость принятия решений возникает в том и толь­ко в том случае, когда существует цель, которую можно достичь различными способами при наличии большого числа факторов, определяющих ценность различных альтернатив или вероятность успеха каждого из них.

Теоретической основой методологии этого этапа служит научная дисциплина - исследование операций, и ее раздел - технические задачи исследования операций.

Исследование операций заключается в применении науч­ных принципов, методов и средств к задачам, связанным с функционированием систем, с целью предоставления инфор­мации для поиска оптимального решения поставленных задач.

Операция - определенный этап функционирования систе­мы, ограниченной фиксированным отрезком времени и вы­полнением фиксированной задачи.

Характерный для исследования операций является:

1) системный подход, состоящий в учете всех существен­ных связей рассматриваемой операции со смежными (приложение принципа диалектики о взаимосвязи и взаимообуслов­ленности явлении в природе);

2) применение операционного метода: формулируется за­дача (цель операции) и дается математическое ее выраже­ние - критерий. Составляется модель операции с учетом принципа системности. Исходя из критерия и модели с помощью методов математического программирования отыски­вается оптимальное решение;

3) наличие лишь количественной основы для принятия решения (но не само решение).

Решение принимает исследователь, учитывая опыт и факторы, не вошедшие в модель, социальные, экономические, психологические и т. п.

Методология исследований операций включает:

- выбор критерия;

- построение модели исследования;

- получение информации, необходимой для проведения исследования;

- нахождение оптимального решения с помощью методов математического программирования.

Важнейший раздел методологии исследования операций - выбор критерия.

Общих форм критерия, как это следует из основного постулата исследования операций, может быть две: матема­тическое ожидание затрат на выполнение операции МО (С) или уровень эффективности Э.

При первой постановке задачи исследования операций она будет формулироваться следующим образом: выбрать основные параметры U (управление) так, чтобы при заданном уровне, эффективности Э ≥ Э_д минимизировать математичес­кое ожидание затрат (МО (С)) на выполнение поставленной задачи.

При второй постановке задачи она формулируется следу­ющим образом: выбрать основные параметры (управление) системы так, чтобы при заданных затратах МО (С) ≤ МО (С)_д обеспечить максимум эффективности Э.

Нужно отметить, что при выполнении некоторых достаточ­но общих условий прямая и обратная задачи оказываются эквивалентными, т. е. имеют одинаковое решение.

Кроме двух общих могут быть и частные формы критерия.

В задаче исследования операций всегда есть критерий и обязательное ограничение.

Учитывая исключительную важность правильного пони­мания и соответственно правильного выбора критерия иссле­дования операции, в дальнейшем этот вопрос будет подробно рассмотрен применительно к задачам проектирования артсистем. Причем, будут подробно проанализированы обе со­ставляющие критерия: характеристики эффективности и ха­рактеристики затрат.