Системное
моделирование при оценке качества и технического уровня сложных технических
систем
на примере беспилотных летательных аппаратов
С.С.
Семенов,
рук. гр.
анализа и перспект. проект-ия,
к.т.н. , gnppregion@sovintel.ru
ОАО "ГНПП
"Регион», г. Москва,
А.В.
Крянев,
проф.
каф. "Прикл. матем-ка",
д-р физ.-мат. наук, проф., avkryanev@mephi.ru,
НИЯУ
МИФИ, г. Москва,
А.В.
Полтавский,
вед. н. с., д.т.н., с.н.с., lab-54@bk.ru,
ИПУ РАН, г. Москва
Одним из важных вопросов при
оценке технического уровня сложных технических систем (СТС) является
достоверность и объективность полученных оценок. Исходя из полученных знаний и
опыта по оценке качества и технического уровня (ТУ) СТС комплексов беспилотных
летательных аппаратов (КБЛА), основанных на методах математического
моделирования и экспертных оценках, в данной статье предложен комплексный
подход и разработан алгоритм по оценке СТС на всех стадиях жизненного цикла,
использующий результаты оценок ТУ с
помощью указанных методов.
One important issue in evaluating the
technical level of complex technical
systems (CTS) is the reliability
and objectivity of the estimates. Based on the knowledge and experience to assess the quality and technical level
(TL) CTS systems
of unmanned aerial vehicles (UMAV),
based on the methods of mathematical
modeling and expert estimates,
this paper proposes an integrated
approach and developed an algorithm to assess the CTS at all
stages of the life cycle using
the results of evaluations TL using these methods.
1. Актуальность проблемы
оценки технического уровня комплексов
беспилотных летательных аппаратов
При разработке сложных
технических систем (СТС) на всех стадиях проектирования, особенно на ранних стадиях, стоит
задача выбора направлений исследований для формирования технических решений или
синтеза наиболее предпочтительного
образца СТС из множества допустимо-альтернативных. При этом,
даже в условиях ресурсных ограничений, возникает необходимость обеспечения
высокого уровня СТС при ее реализации. С этой целью, анализируется уровень
создания конкретных СТС, тенденции их развития и возможные направления
совершенствования с учетом факторов, влияющих на эффективность и качество СТС.
В работах 60-80-х годов
XX в. [1, 2] считается, что важнейшей характеристикой качества новых разработок
и создаваемых СТС является их технический уровень* (ТУ), который представляет собой
обобщенную характеристику физических свойств, возможностей и степень
технической новизны рассматриваемой СТС. ТУ отвечает на вопрос о том,
соответствуют ли параметры вновь создаваемой продукции (СТС) лучшим образцам, имеющимся
на мировом рынке и тем, которые появятся к началу ее промышленного выпуска или она еще вообще не имеет
аналогов.
Знание о ТУ
создаваемой продукции (СТС) существенным образом влияет на принятие решений при
ее разработке. При этом необходимо
отметить, что вклад этапа принятия решений в процессе создания СТС (например,
корабля) может доходить до 70%, что подтверждается результатами исследования,
опубликованными в статье [3], тогда как вклад замысла в затраты на эскизный
проект составляет менее 1% полной
стоимости всего жизненного цикла.
Известно,
что показатель качества СТС в течение производственного и эксплуатационного
этапов жизненного цикла имеет трапецевидный характер
[4], при котором происходит медленное увеличение показателей качества в
начальный период по мере реализации заданных
технических параметров (кривая 1), стабилизация (кривая 2) и постоянное их
уменьшение при моральном и физическом износе системы без модернизации (кривая
3) и с модернизацией
(кривая 4, рис. 1). Оценка
ТУ на различных этапах жизненного цикла дает возможность принимать наиболее
обоснованные решения по направлениям создания и реализации новой техники.
Рис.
1. Зависимость уровня показателя качества различных видов СТС в течение жизненного цикла для усредненных условий его применения: t прв ж.ц – продолжительность производственного этапа
жизненного цикла, t
экс ж.ц –
продолжительность эксплуатационного этапа жизненного цикла
Наглядным
образцом СТС могут служить комплексы беспилотных летательных аппаратов (КБЛА)
[5-8]. В настоящее время определяются пути развития беспилотной авиации.
Решение проблем, связанных с созданием КБЛА очень актуально. Создание таких СТС как КБЛА связано с большими финансовыми,
интеллектуальными и временными
затратами. По данным военного командования США, к 2025 г. боевой состав
стратегической авиации увеличится в 1,5 раза, при этом количество носителей,
способных преодолевать ПВО противника, возрастет в 5 раз. Парк
стратегической авиации на 45 % будет состоять из беспилотных летательных
аппаратов (БЛА) [9]. Для ВМС США, например, – это повестка дня. Чему отдать предпочтение в разработке:
разведывательно-ударному КБЛА или ударному КБЛА? [10]. Для ликвидации разрыва
от развитых стран мира в области создания КБЛА
выбор типа БЛА для РФ является
также первостепенной задачей. По имеющейся в печати информации в России
выделено финансирование и проводятся работы по госконтрактам
в ОАО "ОКБ Сухого" с участием РСК "МиГ" и компания "Транзас" по разработке двух классов БЛА.
Одним
из инструментов выбора рациональных путей развития беспилотных систем, в том
числе БЛА и КБЛА, является оценка качества и ТУ с учетом совокупности основных
свойств на всех этапах жизненного цикла. КБЛА
– наиболее динамично развивающийся во всем мире класс авиационной техники.
Изучение известного мирового и обширного парка множества БЛА показывает, что
сегодня существует весьма насыщенный рынок предложений подобной техники [11] (рис. 2).
Рис.
2. Динамика развертывания некоторых БПС (по состоянию на
2008 г.)
КБЛА представляет собой
сложную многоуровневую систему, в которой имеются компоненты (объекты) нижнего
уровня и, как правило, составных компонент одного или нескольких более высоких
уровней. Поэтому, в связи со структурной и функциональной сложностью КБЛА, для
формирования его перспективного облика целесообразно воспользоваться концепцией
иерархической многоагентной
пента-структуры системы (ИМПЕС-система),
которая может составить основу математической модели интеллектуальной системы
управления [12]. Данная концепция ИМПЕС
при ее освоении в форме модели КБЛА позволяет реализовать все перспективные
свойства КБЛА. Она
концентрирует внимание на
пяти векторных компонентах: целевом, функциональном, информационном,
энергетическом, ресурсном.
2. Известные методы решения задачи по
оценке технического уровня комплексов сложных технических систем на примере
беспилотных летательных аппаратов
С учётом представленной
выше концепции ИМПЕС на рис. 3 представлена многоуровневая СТС, в роли которой
выступает КБЛА [13]. Известные подходы к системному анализу и оценке ТУ КБЛА
как СТС с иерархической структурой были заложены в работах [14, 15]. В последние годы
появились работы, в
которых при оценке ТУ СТС и, в том числе КБЛА, принималось во внимание иерархическое
построение
систем [16-19].
Рис.
3. Структурная схема КБЛА для решения информационных и боевых задач
АТО - аэродромное
техническое обслуживание; ИАО -
инженерно-авиационное обеспечение; БЛА -
беспилотный летательный аппарат; САУ -
система автоматического управления; КАВ -
комплекс авиационного вооружения; ОпУ – оператор управления;
ПНС -
прицельно-навигационная система; РБК – разовая бомбовая кассета; СП – средства
поражения; СУВ -
система управления вооружением; АСП -
авиационные средства поражения; ПС-
прицельная система; УАСП -
управляемые авиационные средства поражения; УР - управляемые ракеты; УАБ - управляемые авиационные
бомбы; НАР - неуправляемые
авиационные ракеты
В ОАО "ГНПП "Регион" был предложен метод
оценки ТУ КБЛА с привлечением оценок экспертов, основанный на использовании следующих интегральных оценочных
показателях [15]: боевом, тактическом, выживаемости, эксплуатационно-техническом, экономическом,
надежности, временном. При этом интегральные оценочные показатели состояли из
единичных показателей,
В Институте
проблем управления им. В.А. Трапезникова
РАН разработана методика оценки ТУ КБЛА на основе математического
моделирования, которая предполагает определение таких основных оценочных
показателей КБЛА как: тактические; технические; эксплуатационные; экономические;
эргатические. При этом был
предложен коэффициент ТУ, основанный на знании параметров о трех основных
образцов КБЛА (вновь разрабатываемого комплекса с БЛА, существующего
отечественного аналога и комплекса мирового уровня (или теоретического) [20].
В 30 ЦНИИ МО РФ была
разработана комплексная методика для обоснования рационального типажа
разведывательных комплексов с БЛА на этапе формирования программ развития [21, С. 178–179]. В основу критерия выбора
положены обобщенный показатель эффективности решения задач, основных для КБЛА, и показатели эффективности решения
частных задач. Эффективность решения каждой частной задачи складывается из
эффективности всех типов в составе парка КБЛА, принимающих участие в ее
решении.
3. Пути повышения достоверности для методов принятия решений за счет использования
комплексирования методов
имитационного
моделирования и методов оценки технического уровня сложных технических систем
Сочетание
двух методических подходов при исследовании СТС
возможно в двух вариантах: использование метода экспертных оценок при
проведении исследований методом математического моделирования, и наоборот,
использование результатов математического моделирования для корректировки
оценок, полученных с помощью экспертного метода. Например, в статье [22]
обсуждаются вопросы использования математического моделирования для описания
процесса боевых действий, при этом отмечается, что математические модели
нуждаются в знании точных значений числовых характеристик. Методом экспертных
оценок можно сравнительно быстро получить необходимый объем информации по самым
различных вопросам*. В нашем случае,
ставится обратная задача, а именно скорректировать результаты, полученные
методами на основе использования экспертных оценок, по данным математического
моделирования.
Как
уже отмечалось ранее, оценка ТУ СТС на основе экспертных методов наиболее
предпочтительна на ранних стадиях жизненного цикла систем, в том числе образцов
вооружения и военной техники (исследования и разработка (НИР и ОКР), серийное
производство, эксплуатация (боевое применение), утилизация), например, на
этапах предварительного планирования, выдачи технического задания, научных
исследовательских работ и аван-проекта.
Использование методов
математического моделирования на этих стадиях вряд ли возможно из-за отсутствия
необходимых данных, когда еще окончательно не выбраны технические пути создания
новой техники. Однако по мере продвижения разработки, уже на стадии эскизного
проекта, когда вполне определен технический облик СТС, широко используются
методы математического моделирования, по результатам
применения которых может быть определен ТУ создаваемой СТС. Помимо этого появляется
возможность использования результатов моделирования (например, путем получения
данных о
точности наведения EКВО-ор и дальности применения оружия Dприм-ор
оружия в КБЛА и др.) для
уточнения исходных данных для проведения оценки ТУ СТС на основе экспертных
оценок.
Таким образом,
комплексное (или системное) моделирование может повысить достоверность оценки
ТУ и позволяет выбрать наиболее рациональный путь создания СТС. Заметим, что
сочетание нескольких методов при оценке ТУ СТС было предложено в монографии
[21, с. 107-111] при комплексном подходе оценки ТУ современных танков ведущих
производителей в мире.
4. Алгоритм комплексной
оценки технического уровня сложных
технических систем
на примере комплексов беспилотных
летательных аппаратов
Нижеприведенный
алгоритм комплексной оценки ТУ СТС разработан совместно с коллективом
исследователей Национального исследовательского университета «МИФИ» [23-25]. СТС характеризуется набором критериев.
Каждый критерий рассматриваемого СТС, либо имеет присвоенный
ему вполне определенный сертифицированный ТУ, либо его критерий ТУ должен быть
оценен экспертами. В том случае, когда имеются
и присвоенный сертифицированный ТУ, и оценки экспертов, необходимо объединение
этой информации о показателях ТУ СТС. Ниже приведена схема объединения
расчетных и оцененных значений показателей ТУ СТС.
В
каждой СТС имеются подсистемы нижнего уровня и, как правило, компоненты одного
или нескольких более высоких уровней. Оценка ТУ СТС производится в несколько
этапов.
На
первом этапе производится оценка ТУ каждого объекта первого (нижнего) уровня
отдельно. На следующих этапах последовательно производится оценка объектов
более высоких уровней, а на завершающем этапе оценка ТУ всей системы в целом.
Пусть
СТС характеризуется несколькими показателями (критериями), которые оценивает
группа экспертов.
Тогда
сводная оптимальная экспертная оценка 
рассматриваемого j –го критерия для рассматриваемого СТС дается равенством:
|
|
|
(1) |
,где
Итоговая оценка 
рассматриваемого j –го критерия, объединяющая сводную
оценку экспертов 
и сертифицированное значение
критерия 
, дается равенством :
, (2)
где 
и 
являются сертифицированным значением j –го критерия и дисперсией погрешности сертифицированного значения
j –го критерия соответственно.
После оценки каждого из
критериев рассматриваемого объекта необходимо определить коэффициенты
значимости критериев для их объединения для получения итоговой оценки ТУ СТС.
Одна
из возможных схем такой оценки основана на методе парных сравнений Саати, согласно которому каждый эксперт формирует матрицу
парных сравнений:
|
|
|
(3) |
,где 
, причем, если 
, то это означает, что для i – го эксперта k – й критерий в 
раз более значим, чем 
- й критерий.
Затем
для матрицы 
находится наибольшее собственное значение 
и соответствующий ему собственный вектор 
Производится
нормировка компонент 
где
Ненормированные
значения коэффициентов значимости для критериев рассматриваемого объекта даются
равенствами
|
|
|
(4) |
,где 
.
Нормированные
значения коэффициентов значимости для критериев рассматриваемого объекта даются
равенствами
|
|
|
(5) |
Итоговое
значение оценки технического уровня СТС дается равенством
|
|
|
(6) |
Выводы
В статье рассматривается комплексный подход по
оценке ТУ СТС на всех стадиях жизненного цикла, использующий результаты оценок ТУ с помощью методов, основанных
на методах математического моделирования и экспертных оценках. Дан анализ преимущества
такого подхода при конструировании СТС, в частности, КБЛА. Предложенная многоэтапная схема
оценивания ТУ СТС позволяет кроме получения итоговой оценки ТУ получить оценки
ТУ каждой из ее составных частей и, тем самым, выявить ее сильные и слабые
стороны и дать направления дальнейшего совершенствования СТС.
Литература
1. Консон А.С. Технический уровень, надежность и
качество продукции (методическое пособие). – Л.: ЛИЭИ им. П. Тольятти, 1966. –
43 с.
2. Консон А.С. Методы определения технического
уровня разработки новых приборов и систем // Экономика приборостроения. – М.: Высш. шк., 1980. – 572 с. – С.
301-324.
3. Третьяков О.В. Сможем ли мы управлять жизненным
циклом? // ОСК. 2010. – № 2.– С. 49-53.
4. Автономов
В.Н. Основы
современной техники. – М.: Машиностроение, 1991. – 304 с.
5. Дремлюга Г.П,,
Есин С.А., Иванов Ю.А., Ляшенко В.А. Беспилотные летательные аппараты.
Состояние и тенденции рынка. Под общ. ред. Ю.А. Иванова. – М.: ЛА
"Варяг", 2004. – 176 с.
6. Боевые комплексы беспилотных
летательных аппаратов. Часть 1. Системная характеристика боевых комплексов
бесплотных летательных аппаратов. Под ред. А.Н. Максимова. – ВВИА им. проф.
Н.Е. Жуковского, 2005. – 237 с.
7. Титков
С.С. Современное
состояние и перспективы развития беспилотных авиационных систем XXI века. Аналитические
обзор по материалам зарубежных информационных источников. Под общ. ред. академика Е.А. Федосова. – М.:
НИЦ ГНЦ РФ.. ФГУП "ГосНИИАС", 2012. – 196 с.
8. Барковский В.Ю., Милованова Л.Р.
Беспилотные летательные аппараты мира. Справочник. – М.: Информационный центр
АРМС-ТАСС, 2014. – 462 с.
9. Семенов
С.С. Управляемые
авиабомбы зарубежных ВВС. Современные УАБ как прообраз
интеллектуальных боеприпасов // Аэрокосмическое обозрение. – 2008. – № 3.
– С. 48-51.
10. Милованова Л. ВМС США не могут решить, какой дрон перспективнее // Военно-промышленный курьер. – 2015. –
№ 22 (588). – 17-23 июня. – С. 6, 7.
11. Аналитический обзор. БПС: Зарубежные
программы разработки ударных БПЛА. М.: ООО
"Авиакосмические технологии", 2008. – 72 с.
12. Концепция иерархической пента-структуры (ИПС) модели (облика) интеллектуальной
системы управления (ИСУ) и принцип «притягивающих многообразий» в
самоорганизации ИСУ / К.А. Пупков, Е.М. Воронов, А.А. Карпунин,
А.В. Пролетарский // Интеллектуальные системы: Труды Десятого международного симпозиума. – М.: РУСАКИ, 2012.
– С. 23 – 34.
13. Монсик В. Б., Фаткин В. М. К вопросу об автоматизации проектирования авиационных
средств поражения // В кн. Балдов А. В.,
Бейлин В. П., Васильев В. Н. и др.
Научно-методические материалы по вероятностным задачам авиационного вооружения.
Под ред. И. Е. Казакова, ВВИА им. Н. Е. Жуковского. М: – 1978. – с. 195. – С. 3–12.
14. Семенов С. С., Коваленко И. Л.,
Полтавский А. В. Структура
и системы интегральных и единичных оценочных показателей при оценке
технического уровня многофункциональных беспилотных летательных аппаратов //
Вестник компьютерных и информационных технологий. – 2013. – № 2. –
С. 22–27.
15.
Семенов С. С., Полтавский А. В. Оценка
технического уровня комплексов беспилотных летательных аппаратов // Материалы
Всероссийской научно-технической конференции "X научные чтения,
посвященные памяти Н. Е. Жуковского". Сборник докладов. – М.:
Издательский дом Академии имени Н. Е. Жуковского, 2013–568 с. –
С. 554–559.
16. Крянев А. В., Семенов С. С. Оценка
технического уровня многоуровневых сложных технических систем // Когнитивный
анализ и управление развитием ситуаций (CASC'2011). Труды IX Международной
конференции (14–16 ноября 2011 г., г. Москва). –
М.: ИПУ РАН, 2011. – 304 с. – С. 160–169.
17. Семенов С. С., Полтавский А. В.,
Щербинин В. В. К
определению функций ценности единичных оценочных показателей при оценке
технического уровня ударных комплексов беспилотных летательных аппаратов //
Вопросы оборонной техники. – Серия 9. Специальные системы управления,
следящие приводы и их элементы.
– 2012. – № 5 (257). – С. 56–63;
18. Семенов С.С., Полтавский А.В., Крянев А.В.
Оценка технического уровня многоуровневых сложных технических систем на примере
создания многофункциональных комплексов
беспилотных летательных (МФКБЛА) // Международная научно-техническая
конференции "Научно-технические проблемы построения систем и комплексов землеобзора, дозора и управления и комплексов с
беспилотными летательными аппаратами". Сборник тезисов докладов. – М.: ОАО
"Концерн "Вега", 2013 – 81 с. – С. 65-66.
19. Семенов С.С.,
Полтавский А.В., Крянев А.В. Оценка технического уровня многоуровневых
сложных технических систем на примере создания многофункциональных комплексов
беспилотных летательных аппаратов (МФКБЛА) //
Труды международной научно-технической конференции
"Научно-технические проблемы построения систем и комплексов землеобзора, дозора и управления и комплексов с
беспилотными летательными аппаратами": в 2 т., т. 2, – М.: ОАО
"Концерн "Вега", 2013 – 180 с. – С. 148-166.
20. Развитие новых принципов и системных
методов структурной оптимизации, проектирования и моделирования комплексов сложных
систем управления – КССУ. НИР
"Комплекс–1" № 314-07/41. – М.: ИПУ
РАН. 2007.
21.
Семенов С.С. Оценка
качества и технического уровня сложных систем. – М.: ЛЕНАНД, 2015. – 352 с.
22. Быстров И. Применение метода экспертных оценок
при моделировании боя // Зарубежное военное обозрение. – 1977. – № 1. – С.
39-43.
23.
Крянев А.В., Лукин Г.В. Математические методы обработки неопределенных данных. М.:
Наука, 2006.- 280 с.
24.
Крянев А.В., Лукин Г.В., Удумян Д.К. Метрический анализ и обработка данных. М.: Наука, 2012. – 310
с.
25.
Семенов С.С.,Воронов
Е.М., Полтавский А.В., Крянев А.В. Методы принятия
решений в задачах оценки качества и технического уровня сложных технических
систем. М.: Издательство URSS,
2015. – 517 с.