Методологические
и технологические основы создания и
использования нового поколения систем управления
жизненным циклом космических
средств
Б.В. Соколов,
зам. дир. по научн. работе, д.т.н., проф., sokol@iias.spb.su,
М.Ю. Охтилев,
в.н.с., д.т.н., проф.,
СПИИРАН, г. Санкт-Петербург
Рассматриваются
проблемы создания, применения и развития новых поколений систем управления
жизненным циклом сложных технических объектов на примере космических средств. В
основу данных систем положены концепции формирования и повсеместного
использования единого информационного пространства и интеллектуального
управления кибер-физическими
объектами. Предложены методологические и организационно-технические основы
создания единого информационного пространства при создании отечественных
космических средств.
Problems of creation, application and development of
new generations of management systems by lifecycle of complex technical objects
on the example of space facilities are considered. Concepts of forming and
universal use of a common information space and intellectual management by
cyber-physical objects are the basis for these systems. Methodological,
organizational and technical bases of creation of a common information space
are offered during creation of native space means.
Введение
В настоящее время на
фоне определенных успехов в развитии ракетно-космического комплекса РФ, в
последние годы наметилась негативная тенденция снижения технико-экономической
эффективности научно-производственной деятельности в этой сфере, выразившаяся в
увеличении времени разработки новых поколений космических аппаратов, снижения
их научно-технического уровня и сроков активного
существования. Одной из причин возникновения этой ситуации является, с
одной стороны, все увеличивающийся разрыв между нарастающей сложностью
космических объектов, а с другой - достаточно консервативными методами и
системами управления (СУ) ими. В связи со сказанным цель выполненных исследований,
результаты, которых представлены в данной статье, состояла в обосновании
основных направлений совершенствования и развития СУ всем жизненным циклом (ЖЦ)
космических средств (КСр), на основе новых
информационных (а, в перспективе, интеллектуальных) технологий, в среде единого
-информационного пространства. Такая система, как
показали исследования, должна содержать наряду с традиционными контурами
оперативного мониторинга, планирования и управления процессами создания и
эксплуатации КСр, также контур управления развитием и
самосовершенствованием как самой системы управления ЖЦ КСр,
так и соответствующим научно-технологическим и информационным пространством.
При этом для обеспечения эффективности и устойчивости функционирования всех перечисленных контуров управления в их основу должны
быть положены современные и перспективные технологии проактивности
(упреждения), адаптации, самоорганизации и самооптимизации
[1-3].
Далее под жизненным
циклом КСр будем понимать последовательность фаз
существования данного вида сложных технических объектов (СТО) от этапа
формирования их облика до снятия с эксплуатации (утилизации и/или повторного
использования отдельных компонент) [4-6]. Анализ показывает,
что при правильной скоординированной работе в рамках СУ ЖЦ СТО соответствующие
технологии и модели управления позволят, во-первых, на конструктивной основе связать,
оценить и проанализировать эффективность процессов автоматизированного
управления сложными объектами и по “горизонтали” и по “вертикали”, а также во
времени с точки зрения конечного результата — качества выпускаемой предприятием продукции, и, во-вторых,
указанные технологии в наибольшей степени влияют на совокупную стоимость
владения выпускаемой продукцией, включающей в себя суммарные затраты на этапе
проектирования, производства, эксплуатации и утилизации [5].
За рубежом процессы и
технологии управления ЖЦ ассоциируются с информационными технологиями и
системами (ИТ и ИС) класса Product
Lifecycle Management
(PLM). Системы класса PLM,
в первую очередь, ориентированы на конечный результат — производство СТО в
требуемые сроки и с нужным качеством, а также гармонизированное с пожеланиями
заказчика его сервисное обслуживание. Для этого в рамках PLM
организуется управление определенной совокупностью процессов, обеспечивающих
решение задач формирования и поддержания единого информационного пространства
(ЕИП) на всех этапах ЖЦ СТО [1,6,9].
Особая актуальность и
необходимость создания в настоящее время ЕИП вызвана тем, что разные СУ и ИС,
обеспечивающие ЖЦ СТО, имеют различный состав и структуры исходных и
результирующих данных. На рис. 1 показано, как исходные и выходные данные (а, в
общем случае, также информация и знания) об изделии (в нашем случае КСр), а также о выполняемых процессах и расходуемых
ресурсах совместно используется объектами и субъектами, участвующими в его ЖЦ.
Для того, чтобы на конструктивном уровне реализовать
указанные процессы информационного взаимодействия необходимо, во-первых,
создание формализованных моделей (математических, логико-алгебраических,
логико-лингвистических, комбинированных), описывающих состав, структуру,
технологии создания, использования, послепродажного обслуживания
соответствующих СТО, и, во-вторых, наличие методов, алгоритмов, методик
манипулирования указанными моделями. Кроме того, в каждом конкретном случае
(для каждого конкретного СТО) должны быть четко определены цели, задачи
внедрения PLM системы, а также те количественные и качественные показатели, с
помощью которых можно будет оценить эффективность внедрения данной системы.
Рис. 1.
Совместное использование данных (информации, знаний) об изделиях, процессах и
ресурсах на различных этапах ЖЦ СТО (в
том числе и КСр) [4]
Остановимся более
подробно на особенностях реализации информационных технологий и систем в
области создания и применения перспективных КСр.
Методологические и организационно-технические основы
создания единого информационного пространства
ракетно-космической отрасли промышленности РФ
При формировании ЕИП
центральными проблемами были и остаются проблемы интеграции данных, информации
и знаний о соответствующей проблемной области. В качестве целей создания ЕИП обычно полагают [1,6,7,9-10]:
расширение возможностей пользователей по прозрачному, компетентному доступу к
пространственно-распределенным информационным ресурсам (ИР); расширение
возможностей пользователей по распространению, хранению, визуализации и
обработки ИР; обеспечение полноты, актуальности и точности ИР, хранимых и
потребляемых пользователями; предоставление пользователям новых возможностей по
производству знаний. Обобщенная структурно-функциональная схема единого
информационного пространства, которая может быть положена в
основу его построения представлена на рисунке 2. Основу ЕИП составляют
метаданные (мета-схема ЕИП), представляющие собой формальное описание
обобщенной информационной модели данных и знаний, циркулирующих в ЕИП.
Метаданные используются для описания и автоматизированного анализа содержимого ИР,
построения поисковых индексов и позволяют обеспечить высокую точность и
эффективность выбора разнотипной информации.
Мета-схема ЕИП
определяет термины и семантику описания и применения обобщённой информационной
модели и должна обеспечивать [6-11]: описание объектов инфраструктуры ЕИП c
перечнем атрибутов и отношений между объектами; синтаксическую интероперабельность - описание типов данных,
форматов и моделей различных информационных ресурсов на основе согласованных
унифицированных подходов и стандартов; семантическую интероперабельность
- создание и согласование стандартных прикладных профилей метаданных и
онтологий, относящихся к различным предметным областям (ПрО),
что позволяет упростить интеграцию разнообразных систем, автоматизацию обмена
метаданными, их обработку и преобразование; открытость - доступ к
соответствующей информации по описаниям (мета-элементам);
расширяемость
- возможность детализации описаний и добавление новых метаданных; уникальную
идентификацию информации и объектов инфраструктуры - возможность
установления взаимосвязей между ресурсами разных информационных источников
распределенной среды, способность объединять связанные данные отдельных репозиториев в виртуально-единые ресурсы; возможности
интеграции информации (при расширении/добавлении объектов ЕИП) на
основе использования существующих информационных стандартов.
Инфраструктурные
компоненты ЕИП должны обеспечивать решение следующих задач [1,5-7]: организация
обмена информацией со смежными системами в согласованных форматах по
стандартным или специализированным протоколам; эффективное размещение и поиск
информации в распределенной среде; создание и изменение
описаний информационных объектов с возможностью расширения репозитария
описаний по мере увеличения данных и знаний об этих объектах с адекватным
отображением их в структуре баз данных (БД); сопровождение ЕИП (проверка
целостности, коррекция ошибок, задачи репликации, создание резервных копий
всего ЕИП или его частей, выгрузка, загрузка и сжатие БД, их защита и т.п.);
выбор и обработка данных по группам взаимосвязанных объектов; миграция
информации при изменении (расширении) инфраструктуры ЕИП; выбор и обработка
связанных данных по нескольким информационным объектам.
Для формирования ЕИП
целесообразно использовать распределенную базу данных (РБД), состоящую из
набора узлов, связанных коммуникационной сетью с переменной топологией (см. рисунок 2).
Создание открытого
ЕИП начинается с выделения узла, координирующего работу сети (узел-сервер).
Переменная топология РБД поддерживается за счет трехуровневой самоорганизации
сети: на первом уровне фиксируется появление (исчезновение) соседних узлов
(клиентов) и оценивается время активности (неактивности); на втором уровне
оцениваются связи между узлами; на третьем уровне по оцененным характеристикам
осуществляется кластеризация сети.
Для организации
распределенных вычислений в составе ЕИП имеются такие компоненты, как сетевое
программное обеспечение (ПрО) и ПрО
компонентных вычислений. Данные компоненты позволяют сформировать сетевую
среду, каждый элемент которой решает часть задач (из общего перечня задач,
возложенных на ПрО), обусловленных его целевым
применением и территориальным расположением.
Рис. 2. Обобщенная
структурно-функциональная схема ЕИП
При этом весь
перечень задач динамически распределяется по соответствующим элементам сетевой
среды. Управление вычислительным процессом в рамках такой распределенной сети
производится с использованием формальной параллельной модели вычислений на
основе пространства измеряемых и вычисляемых в ходе обработки данных
параметров, представляющего собой виртуальное распределенное (компонентное)
пространство.
В рамках ЕИП
применительно к космической сфере в РФ к настоящему времени создан единый
виртуальный электронный паспорт (ЕВЭП) КСр. Указанный
ЕВЭП представляет собой совокупность средств и методов сбора, обработки,
обмена, хранения, поиска и представления информации, функционирующих на единых
принципах и по общим правилам, которым пользуются как заказчики КСр, так и те, кто осуществляют их испытания, эксплуатацию
и использование результатов космической деятельности в рамках, соответствующих
АСУ КСр.
ЕВЭП
предназначен для своевременного обеспечения предприятий и организаций,
участвующих в проектировании, производстве, испытаниях и эксплуатации КСр актуальной информацией, необходимой для выполнения
работ по обеспечению и повышению уровня технического состояния и надежности КСр и входящих в его состав изделий на всех этапах их
жизненного цикла.
В ЕВЭП содержится в общем случае следующие виды информации. Организационно-техническая
информация, включающая в себя: приказы и распоряжения; технологические
графики работ, сетевые графики; репортажная информация; переписка; технические
решения; частные ТЗ; сведения о принимаемых решениях в ходе испытаний;
донесения и данные о ходе выполнения работ и пр. К технологической информации
относится: конструкторская документация (КД), эксплуатационная
документация (ЭД), извещений и пр.; сведения о ресурсах, регламентных работах,
доработках и ремонтах, технических проверках, наличии комплектующих и запасных
частей, инструментов и принадлежностей (ЗИП) с указанием гарантийных сроков
хранения; текущее состояние изделия (информация с рабочих мест подготовки КСр); технологические графики работ с фактическими сроками
исполнения этапов и информацией по задержкам и срыву сроков; информация о
результатах испытаний (сведения о замечаниях, отказах и неисправностях,
качественные оценки результатов испытаний, формализованные данные отчетов об
испытаниях, сведения о результатах работы комиссий) и пр. К измерительной информации
относятся: результаты измерений параметров функционирования систем КСр на всех этапах испытаний и эксплуатации; информация от
смежных информационных и управляющих систем и пр.
Говоря
о дальнейших перспективных технологиях формирования ЕИП и их влиянии на
технологии и системы управления жизненным циклом сложных изделий (в том числе и
КСр) следует, с нашей точки зрения, ориентироваться
на научные и практические результаты, полученные в недавно завершившимся
крупном международном проекте PROMISE [12-16], в котором
приняли участие 22 организации из Евросоюза, Швейцарии, Японии, Австралии и
США.
Данный проект был успешно закончен в 2008 году. В результате выполнения этого
проекта была предложена более совершенная технология управления ЖЦ, которая
получила название CL2M
(Closed Loop Lifecycle Management – управление ЖЦ с
обратной связью).
Цель выполненного проекта PROMISE состояла в разработке нового поколения
систем сбора, обработки и управления потоком информации о состоянии изделия в
процессе его ЖЦ, которые должны быть
сопряжены с распределенными базами знаний и основываться на широком
использовании встраиваемых в изделие интеллектуальных информационных
сенсоров и приборов (например, радиочастотных меток - RFID tags,
приемников GPS, GSM сигналов),
позволяющих осуществлять глобальное и локальное позиционирование изделий, получать и
предварительно обрабатывать данные и информацию о состоянии изделия, сведения о
необходимом объеме его обслуживания, а также о степени удовлетворенности
заказчика готовым изделием и создания на этой основе лучших, ориентированных на
заказчика, устойчиво развивающихся процессов и услуг при эксплуатации изделий. Кроме
того, в перспективных СУ ЖЦ СТО важная роль отводится мобильным
телекоммуникационным системам и средствам для беспроводного считывания и
передачи данных со встроенных в изделие интеллектуальных информационных
сенсоров.
Дальнейшим развитием
концепций PROMISE и e-maintenance стали
многочисленные концептуальные и уже практические разработки, связанные с
внедрением в различные области человеческой деятельности высоких технологий на Интернет-платформе, выполненные в различных странах [17].
Данные разработки применительно к космической сфере являются весьма
привлекательными, т.к. в условиях большой кооперации и территориальной
распределенности исполнителей перспективных программ научно-технического
развития ракетно-космической отрасли РФ требуется соответствующая перспективная
инфокоммуникационная среда.
В качестве примера организации
такого рода сотрудничества на базе “производственного Интернета” можно привести
реализуемую в Германии в настоящее время концепцию Industry
4.0 или, по-другому, концепцию четвертой промышленной революции. Аналоги такой
программы существуют и в других странах: Smart Factory в Нидерландах, Usine du Futur во Франции, High Value Manufacturing
Catapult в Великобритании, Fabbrica
del Futuro в Италии,
"Сделано в Китае-2025" и т.п. В США тоже задумываются о будущем
индустриального производства. Так, например, в 2014 году компании General Electric, AT&T, Cisco, IBM и Intel создали
Консорциум промышленного интернета (Industrial Internet Consortium), который
сегодня включает уже 170 членов.
Согласно концепции Industry 4.0. производственное оборудование и производимые
им изделия должны стать активными системными компонентами, управляющими своими
производственными и логистическими процессами. Они будут включать в себя кибер-физические системы (КФС),
связывающие виртуальное пространство Интернета с реальным физическим миром. КФС — это системы, состоящие из
различных природных объектов, искусственных подсистем и управляющих
контроллеров, которые представляют собой единое целое. В КФС обеспечивается
тесная связь и координация между вычислительными и физическими ресурсами.
Область действия КФС распространяется на робототехнику, транспорт, энергетику,
управление промышленными процессами и крупными инфраструктурами. От существующих
мехатронных систем КФС будут отличаться наличием
интеллекта и будут способны: взаимодействовать со своим окружением; планировать
и адаптировать свое собственное поведение согласно окружающим условиям; учиться
новым моделям и линиям поведения и быть самооптимизирующимися
[2,3,10,12-18]. Ключевым в КФС является модель, используемая в системе
управления, — от того, как она соотносится с реальностью, зависит
работоспособность КФС. В этих условиях разработка унифицированных языков
описания разнородных объектов для построения моделей их функционирования, а
также методов оценки качества этих моделей являются чрезвычайно актуальными
научными задачами.
Важную роль в перспективных
СУ ЖЦ КСр также должны играть процессы принятия
управленческих решений на различных фазах жизненного цикла КСр.
Для этих целей могут быть использованы разработанные к настоящему времени элементы
и подсистемы программно-аппаратных комплексов (ПАК), реализующих новую
интеллектуальной информационной технологии (ИИТ) и соответствующую унифицированную
программно-вычислительную среду, которые ориентированы на решение задач
поддержки принятия решений в рамках национальной интеллектуальной аналитической
платформы [1,2,18]. Данная технология и среда базируются на междисциплинарной
системно-кибернетической методологии и включает в себя
результаты, полученные в различных фундаментальных и прикладных отраслях знаний
(теорий). Одной из таких прикладных теорий, разрабатываемых авторами доклада,
является теория проактивного управления структурной динамикой автоматизированных
систем (АС), решающих задачи мониторинга и управления сложными
объектами (СлО), произвольной природы [1,2,18]. В
рамках данной теории с единых позиций можно подойти как к решению задач
многокритериального структурно-функционального синтеза СУ ЖЦ КСр, так и оперативному решению задач конфигурирования и
реконфигурации их структур в динамически изменяющейся обстановке. Более того, в
отличие от широко представленных на практике специализированных узких подходов
и технологий решения задач мониторинга и управления КСр,
предлагаемая методология и методические основы интеллектуального мониторинга и
управления сложными объектами получила широкую и успешную реализацию в
различных предметных областях (космонавтика, атомная энергетика, экология,
логистика, военные приложения и т.п.). В связи со сказанным интересные
перспективы открываются по использованию данной технологии и соответствующих
систем при создании перечисленных ранее основных подсистем, входящих в состав ЕИП,
которое будет являться материальной основой перспективной сети СУ ЖЦ КСр [1-2].
Заключение
Главным условием
эффективного использования существующего перспективного задела из новейших
научно-технических разработок как основного информационного ресурса в процессах
управления жизненным циклом КСр является разработка и
повсеместное внедрение на основе новых интеллектуальных информационных
технологий ЕИП и соответствующих систем поддержки принятия решений (СППР). Цель
их создания - сокращения сроков разработки и производства новых космических
средств и технологий, а также повышения их качества путем формирования
качественно новой среды деятельности руководителей, ученых, инженеров,
конструкторов, технологов и производственников ракетно-космической отрасли
промышленности РФ. Предварительные исследования показывают, что внедрение ЕИП и
СППР в существующие и перспективные СУ ЖЦ КСр позволит:
снизить воздействие серьёзных рисков на ранних стадиях проектов создания новых
поколений КСр, что ведет к минимизации затрат на их
устранение; осуществлять в реальном времени мониторинг ключевых индикаторов
результативности и эффективности процессов управления ЖЦ КСр;
выявлять и идентифицировать нештатные и предкризисные
ситуации в рабочих процессах по всем фазам жизненного цикла; минимизировать
негативное влияние «человеческого фактора»; широко использовать технологии
комплексного моделирования для непрерывного тестирования принимаемых решений; своевременно обнаруживать конфликты и
противоречия между целями, требованиями, моделями и текущими результатами конкретных
проектов в рамках программ создания новых поколений КСр.
Исследование
выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 16-19-00199)
Литература
1.
Охтилев М.Ю.,
Соколов Б.В., Юсупов Р.М. Интеллектуальные технологии мониторинга и
управления структурной динамикой сложных технических объектов. М.: Наука, 2006.
2.
Охтилев М.Ю.,
Мустафин Н.Г., Миллер В.Е., Соколов Б.В. Теоретические основы
проактивного управления сложными объектами // Известия ВУЗОВ. Приборостроение.
2014. Т. 57. №11. С. 7–15.
3.
Черняк Л.
От адаптивной инфраструктуры — к адаптивному предприятию // Открытые системы.
2004. Октябрь. №9. С.30–35.
4.
Кульга К.С. Автоматизация технической
подготовки и управления производством на основе PLM — системы / К.С. Кульга. — М.: Машиностроение, 2008. 256 с.
5.
Стародубов В.А.
Управление жизненным циклом изделий, от концепции до реализации. СПб.: 2006. C. 120.
6.
Дмитриев А.
Сервис-ориентированная архитектура в современных
моделях бизнеса. М.: ДК, 2006. 221 с.
7.
Методы
и средства интеграции неоднородных баз данных. / Калиниченко Л.А. / под ред.
Королева Л.Н. - М.:Наука. Главная редакция
физико-математической литературы, 1983. 424с.
8.
Интегрированные
модели и мягкие вычисления в искусственном интеллекте. Сборник научных трудов
VIII-й Международной научно-технической конференции (Коломна, 18-20 мая, 2015).
В 2-х томах. Т2. – М.: Физматлит,
2015. 388 с.
9. OWL Web Ontology Language Overview [Электронный ресурс]. – 2004. – http://www.w3.org/TR/owlfeatures/. – 17.09.2009.
10. Когаловский М.Р.
Перспективные технологии информационных систем. – М.: ДМК Пресс, 2003. – 288 с.
11.
Steinburg Alan N.,
Bowman Christopher L., White Franklin E. Revisions to the JDL Data Fusion
Model. Presented at the Joint NATO/IRIS Conference, Quebec, October
1998.
12.
Stark, John. Product
Lifecycle Management: Paradigm for 21st Century Product Realisation,
Springer, 2004. ISBN 1852338105
13.
Product lifecycle
management and information tracking using smart embedded systems http:
//www.promise.no/.
14.
Takata S., Kimura F., van Houten F.J.A.M., Westkamper E., Shpitalni M., Ceglarek D., Lee J.
Maintenance: Changing Role in Life Cycle Management// CIRP annals. 2004. Vol.
53. No2. P. 643–655.
15.
Moubray J.
Reliability-centered maintenance. N.Y.: Industrial Press Inc. 2000. 420 p.
16.
Product lifecycle
management and information tracking using smart embedded systems http:
//www.promise.no/.
17.
DynaWeb is an e-maintenance
solution to future sustainable industrial and societal challenges//
http://dynamite.vtt.fi
18. Автамонов П.Н.,
Охтилев М.Ю., Соколов Б.В., Юсупов Р.М. Актуальные научно-технические
проблемы разработки и внедрения взаимосвязанного комплекса
унифицированных интегрированных систем поддержки принятия решений (СППР) в АСУ
объектами военно-государственного управления // Известия ЮФУ. Технические
науки. 2014. №3(152). Таганрог: Технологический институт Южного федерального
университета, 2014. С.14–26.