Software & Systems

Автоматизированная система формирования программы военного кораблестроения (АС ФПВК) имеет целью повышение оперативности и обоснованности разрабатываемых предложений при формировании программы военного кораблестроения. Эта цель достигается применением передовых информационных технологий с использованием СУБД, упрощенного дружественного диалогового интерфейса и разработки системы аналитических макромоделей процессов реализации ПВК и распределения корабельного состава по задачам. Используемый методический аппарат позволяет упростить итеративный процесс балансировки ПВК и обеспечивает технико-экономическую реализуемость и непротиворечивость разрабатываемых вариантов ПВК. При разработке АС ФПВК использованы результаты научных исследований и разработок в области теории и методов программно-целевого планирования и существующие нормативные материалы и документы. При построении идеологии и разработке системы учтены основные положения работы [2].

Структура и содержание этапов формирования ПВК

Основным принципом, который неукоснительно соблюдался при создании АС ФПВК является принцип адекватного отображения содержания всех этапов и сторон деятельности при формировании ПВК. Под термином "Программа военного кораблестроения" подразумевается совокупность нормативных документов, регламентирующих процесс строительства новых кораблей на заданном временном периоде (обычно 5-10 лет). Эти документы разрабатываются и утверждаются на самых высших государственных уровнях и по существу являются законами. Объясняется это тем, что ВМФ, с одной стороны, является атрибу-

том государственности и инструментом внешней политики., и с другой - его содержание и развитие затрагивает практически все отрасли промышленности, науки и техники, социальную сферу.

Содержанием формирования ПВК является планирование управления развитием флота. А с учетом отмеченного выше эти планы затрагивают интересы как вооруженных сил (ВС), так и политические, экономические и социальные интересы государства. Поэтому автоматизированная система формирования ПВК объективно будет затрагивать и вопросы развития всех связанных с ВМФ видов ВС, аспекты функционирования отраслей промышленности и финансовой системы страны.

При формировании системы необходимо четко определить грани разделения функций между другими смежными автоматизированными подсистемами на основе анализа структуры системы управления развитием видами ВС, содержания этапов и фрагментов процесса управления и определения необходимой степени связности между ними.

Целью управления развитием вооружений (В) является концентрация научно-технических, производственных и экономических ресурсов на создание систем военного назначения, позволяющих с наименьшими материальными и финансовыми потерями добиться наибольшей эффективности в решении свойственным ВС задач. Планирование распределения во времени этих ресурсов с учетом ограниченности соответствующих потенциалов страны (научного, экономического и т.п.) и является содержанием государственного оборонного заказа. Применительно к ВМФ как виду ВС это означает планирование динамики переоснащения его новыми кораблями, подводными лодками, авиацией и другим вооружением такого качества и в таком количестве, которые обеспе-чивали бы решение определенных военной доктриной государства задач на океанских и морских театрах военных действий (ТВД) в мирное и военное время. При этом в качестве регулирующих факторов выступают представления об уровнях целесообразной достаточности количества В, финансовые ограничения и производственно-технологические возможности промышленности.

ПВК и программы В, относящиеся к ВМФ, разрабатываются центральными органами ВМФ и промышленности и представляются в Правительство для утверждения.

Для разработки проектов программ В необходима информация по:

- целесообразному с военно-экономической точки зрения качественному и количественно му составу В, необходимому для решения бое вых задач, управления и всех видов обеспече ния;

- сбалансированному составу В различного назначения;

- возможностям промышленности по созда нию В;

- целесообразному распределению ассигно ваний между генеральными заказчиками.

ПВК является нормирующим документом, увязывающим все фрагменты и аспекты управления развитием ВМФ в одну из подсистем государственного оборонного заказа. В рамках ВМФ формирование сбалансированной ПВК и ее текущие корректировки в зависимости от изменяющихся политико-экономических условий неразрывно связаны с другими целевыми программами развития В и военной техники (ВТ) (программами модернизации, переоборудования, ремонта и утилизации кораблей, развития В и ВТ и др.). Для некоторых из них ПВК является целеполагающей надсистемой -управляющим звеном на обратном цикле ("обоснование требований") и потребителем информации на прямом цикле ("оценка реализуемости") итерационного процесса технико-экономического и срокового сбалансирования процессов развития В и ВТ ВМФ.

Таким образом, формирование ПВК является основным этапом, а сама программа -инструментом итерационного процесса управления развитием флота. Основными объектами исследований и моделирования при создании АС ФПВК являются корабельный состав флота, функциональный, технический и ресурсный аспекты его рассмотрения.

Порядок формирования и основные аспекты анализа ПВК

В общем процесс формирования ПВК состоит из следующих чередующихся или выполняемых параллельно в итерационном цикле этапов.

1. Выработка и логико-эвристическое обоснование концепции корабельного состава

ВМФ на заданный продолжительный временной период (15-25 лет).

2.    Макроанализ текущего состояния нахо дящихся в составе ВМФ, строящихся и проек тируемых кораблей с учетом прогнозов, а так же хода выполнения НИ и ОКР для обеспече ния создания перспективных образцов В и ВТ ВМФ.

3.    Прогноз экономической обстановки в стране, возможных уровней выделяемых ВМФ ассигнований и изменений инфраструктуры промышленной базы В К.

4.    Разработка замысла и формирование ограниченного числа (не более 2-3) возможных вариантов ПВК с учетом проверки их на не противоречивость и удовлетворение внешним условиям и ограничениям.

В случае невыполнения каких-либо внешних условий или ограничений проводится корректировка варианта, и цикл расчетов повторяется. В определенных условиях совместное выполнение некоторых ограничений может стать невыполнимым в рамках заданной концепции либо приводит к ее "вырождению". В этом случае производится корректировка концепции и повторение цикла расчетов и обоснований.

Под концепцией будем понимать количество и типаж корабельного состава, удовлетворяющий взглядам на роль и место ВМФ в системе ВС страны, требованиям решения известного перечня задач на заданных морских и океанских ТВД, эвристическим прогнозам располагаемых ассигнований.

При разработке концепции используются главным образом логико-эвристические методы. При этом в качестве базовой информации используется опыт мировых морских держав, собственный опыт создания и развития ВМФ, политические, военно-географические и национально-исторические особенности страны.

В данном случае аксиоматически принимается тезис о невозможности полностью формализовать процесс оптимизации количественного и качественного составов флота. Этот тезис объясняется в первую очередь тем, что большинство факторов, принимаемых во внимание при разработке концепции, имеет геополитическую или социально-историческую природу. При этом претензии на возможность объективной математической формализации этих факторов и соответственно математически строгой оптимизации структуры и количества кораблей ВМФ могут привести к совершенно неприемлемым практическим решениям и зачастую являются проявлением так называемого "формализованного субъективизма ".

Практика показала, что достаточно строгая оптимизация количества кораблей на оперативно-тактическом уровне, и получение практически пригодных результатов в настоя-

щее время возможны только для узкого круга задач и при достаточно жестких ограничениях. Для решения этих задач используются методы теории игр и многокритериальной оптимизации. То есть, строго говоря, задача обоснования концепции корабельного состава, как и большинство задач планирования, имеет формализуемую и неформализуемую составляющие.

Для решения такой задачи в настоящее время профессором И.Г.Захаровым разработан методический аппарат обоснования концепции корабельного состава на основе комбинации эвристических методов и методов теории групп. Сущность его состоит в следующем:

-  исходя из положений военной доктрины формулируется одноуровневый перечень задач, решаемых кораблями ВМФ. Уровень декомпо зиции задач ограничивается возможностью от ображения множества задач на множество классов кораблей;

-  на основании характера задач формирует ся квадратная бинарная "матрица связанности задач" по признаку возможности совместного решения;

-  по результатам исследований на фор мальных моделях или исходя из неформализуе- мых соображений для каждой задачи рассчи тывается или ставится в соответствие необхо димое количество кораблей каждого класса;

-  общее количество кораблей каждого клас са пересчитывается с учетом матрицы связан ности задач (если пара задач не связана - ко личество кораблей каждого класса суммируется, если связана - учитывается максимальное число кораблей).

Таким образом, появляется возможность совместить раздельное формальное решение задач обоснования количества кораблей каждого класса для решения отдельной задачи, откорректировать при необходимости эти решения с учетом неформализуемых факторов и корректно избежать двойного учета кораблей, необходимых для решения связанных задач.

На фазе макроанализа текущего состояния корабельного состава анализируется состояние кораблей, находящихся в составе ВМФ и строящихся. Плавающие корабли анализируются с точки зрения остаточных сроков службы, морального старения, интенсивности использования. При этом строятся графики выхода кораблей из состава ВМФ по истечении сроков службы, переоборудования, выполнения международных договоренностей и по другим причинам. Иначе говоря, для этого анализа необходимо иметь срезы по количественному составу плавающих кораблей на весь период программного планирования. На текущий момент эта информация поступает от подразделений технического управления ВМФ.

Состояние строящихся кораблей характеризуется процентом технической готовности каждого заказа на всех судостроительных предприятиях. Кроме того, составляются прогнозы на сроки сдачи кораблей с учетом выполнения обязательств ВМФ по финансированию, по переносам сроков этапов строительства и т.п. Аналогичная информация получается и по кораблям, стоящим в заводских ремонтах с модернизацией [1].

Самостоятельную роль здесь играет анализ соблюдения контрагентами дисциплины поставок оружия, вооружения и другого комплектующего оборудования. На этом же этапе необходима информация о перспективах плановых поставок контрагентского оборудования для заложенных кораблей с учетом сроков окончания изготовления опытных образцов в рамках выполнения соответствующих ОКР. То есть необходима некоторая обобщенная информация о ходе создания и о финансировании образцов В и ВТ по линии других заказывающих управлений ВМФ.

Для формирования варианта ПВК на любую перспективу необходима информация о возможных уровнях ежегодных ассигнований, с одной стороны, и о затратах, необходимых для создания и эксплуатации кораблей - с другой. При этом для более или менее адекватных оценок необходимо, чтобы приводимые уровни финансирования отвечали не столько требованию количественной точности, сколько требованию относительной сопоставимости с прогнозируемыми затратами на создание кораблей и разработку контрагентского оборудования.

Все эти данные рассчитываются специализированными подразделениями и при формировании вариантов ПВК используются как исходные данные. Для перспективных кораблей оценки значений стоимости и продолжительности постройки рассчитываются с использованием моделей САИПР.

Для корректных оценок производственных возможностей проектных организаций и судостроительных заводов необходима информация о нормативных и фактических значениях ежегодной трудоемкости, численности персонала, средней стоимости нормо-часа, специализации предприятия, ограничениях, обусловленных технологическими условиями и природными факторами.

Исходным моментом для начала формирования варианта ПВК является текущее состояние в области строительства заложенных кораблей и оценка возможностей по завершению строительства серий в полном объеме. В случае невозможности уложиться в заданные ежегодные ограничения по ассигнованиям возможны три варианта действий:

- отказ от продолжения постройки кораблей с наименьшим процентом технической готовности пропорционально по всем проектам;

-  искусственное растягивание сроков по стройки при уменьшении ежегодных затрат в сопоставимых цифрах также пропорционально по всем проектам;

-  частичное или полное продолжение се рийного строительства кораблей одних проек тов в ущерб сокращению серийного строитель ства кораблей других классов или проектов.

На практике обычно используются комбинации всех этих путей при сохранении, однако, порядка приоритетов. При этом имеется в виду, что третий путь, вообще говоря, приводит к необходимости пересмотра концепции, поэтому наименее желателен, хотя существенные ограничения в финансировании проводят к необходимости использования именно этого пути.

Вторым шагом формирования варианта ПВК является анализ возможностей по закладке в перспективе кораблей новых проектов, приходящих на смену отслужившим свой срок службы кораблям предыдущих поколений. При этом учитываются сроки окончания ОКР по созданию образцов В и ВТ для новых кораблей, состояние и прогнозы по выполнению этапов проектирования, требуемые количества кораблей данного класса по концепции и возможные темпы строительства по условиям прогнозируемого финансирования.

И, наконец, на третьем шаге анализируется прогноз корабельного состава на перспективу более 15-20 лет с учетом планируемых результатов поисковых НИ и ОКР, разработки общетехнического задания (ОТЗ) и тактико-технического задания (ТТЗ) на проектирование кораблей дальней перспективы.

Очередность этих шагов обусловлена тем фактом, что чем ближе анализируемый период к текущему моменту, тем жестче технико-экономические требования по планированию и тем меньше возможностей по их корректировке.

Процесс формирования варианта ПВК является итеративным, и зачастую указанные шаги повторяются многократно. Причиной непрерывных корректировок ПВК является также "плывущий" характер ежегодных ассигнований, нестабильная экономическая обстановка и непредсказуемость многих других факторов.

В целом весь процесс формирования ПВК сводится к поочередному решению прямой и обратной задач программного планирования в кораблестроении, а именно:

• при решении прямой задачи программного планирования рассчитываются потребные затраты для создания в определенные сроки заданных типажа и количественного состава флота;

• при решении обратной задачи в рамках заданных ограничений оптимизируется возможный типаж и количественный состав флота.

В первом случае концептуальное планирование является определяющим, во втором - финансовые рамки вынуждают корректировать концепцию. Теоретически этот процесс является сходящимся, и результатом этой сходимости может считаться "квазиоптимальный" корабельный состав.

Принципы построения и состав моделей системы

С учетом приведенного описания процесса деятельности при формировании системы соблюдены два основных принципа, которые на данном этапе позволяют избежать неисправимых ошибок в концепции самого программного комплекса и дают возможность использовать уже опытный образец для решения практических задач.

Первый принцип - максимальная открытость системы с точки зрения возможности вмешательства исследователя в процесс формирования ПВК в любой момент времени и возможности корректировки любых промежуточных и окончательных результатов.

Второй принцип - многовариантность в широком смысле. Все создаваемые в системе структуры данных могут запоминаться и накапливаться в количествах и объемах, ограниченных лишь дисковой памятью ПЭВМ, то есть реализована многовариантность на уровне концепций, описаний вариантов программ.

Кроме того, при построении структуры системы и определении функций ее основных модулей используются следующие основные положения реализации системного подхода при создании аналогичных систем:

- "трехаспектное" (создание-функционирование-ресурсы) представление исследуемой системы при моделировании проявления ее свойств в составе системы высшего уровня;

- объектный принцип декомпозиции исследуемой системы при моделировании ее структуры (классы-подклассы-корабли-подсистемы);

- принцип обобщения и агрегирования информации при моделировании смежных с исследуемой подсистем;

- гибкость системы (то есть реализация возможности ее модификации и расширения функций по мере накопления опыта использо вания) и разработка методического аппарата;

-доступность системы для пользователей-непрограммистов и наглядность представления информации;

- информационная достаточность и связность системы (в системе используются только те данные, которые являются внешними пара метрами моделей исследуемых объектов и систем либо содержат значимую информацию по ним);

- "объектный детерминизм" (система оперирует только теми объектами, описания которых соответствуют принятой классификации и заведены в состав базовой информации).

Модели, используемые в системе (под моделью понимается юбъединение множеств параметров и отношений, отображающих моделируемые объекты и процессы), можно представить в виде двух взаимосвязанных классов.

1. Модели предмета исследований и состав ляющих его объектов. Эти модели составляют функциональное ядро системы и являются ин формационно-аналитическими объектами, от ображающими материальные объекты - объек ты процесса управления ПВК и связи между ними.

Информационные объекты - это модели данных в системе баз данных (БД) с информацией по составу задач, типажу и количеству корабельного состава, обобщенным характеристикам кораблей и параметрам их жизненного цикла, объектам системы базирования, промышленным предприятиям.

Аналитические объекты - модели связей или количественных отношений между составом задач флота, ТТХ и параметрами жизненных циклов кораблей, технико-экономическими характеристиками промышленных предприятий. Аналитические модели - это программные операторы, функции и процедуры, отображающие соответствующие модели и алгоритмы.

2. Модели процесса деятельности по управ лению ПВК. Эти модели представляют собой алгоритмы системного наполнения пакета, обеспечивающие адекватное отображение эта пов работы с вариантами ПВК. Выходной ин формацией этих моделей является система до ступных меню, оперативных подсказок, на глядных форм вывода информации на экран и на внешние устройства в табличном и графи ческом видах. В целом система интерфейса от ображает технологическую цепочку разработ ки вариантов ПВК и является программной оболочкой над функциональным ядром си стемы.

Технология использования системы

Обобщенная схема использования АСФ ПВК представлена на рисунке. Задача формирования ПВК разбивается на две подзадачи:

-разработка концепции корабельного состава (ККС);

- планирование ПВК.

Под ККС понимается количество кораблей всех классов, которое считается достаточным для решения поставленных перед ВМФ задач. Основным принципом решения задачи разработки ККС является принцип множественности концепций. Может быть разработана одна или несколько ККС, исходя, скорее всего, из различных представлений и взглядов. Система предоставляет два средства разработки ККС. Суть первого средства заключается в следующем. Заданной считается следующая информация:

- система задач, поставленная перед ВМФ. Эта система задач, имея в виду отношение подчинения, представляет структуру иерархиче ского типа;

- на системе задач ВМФ определено как задачи взаимосвязанные в процессе их решения;

- для каждого подкласса кораблей по от ношению к каждой терминальной задаче ВМФ задано потребное количество кораблей;

- заданы коэффициенты оперативного наполнения для каждого подкласса кораблей.

На основе этой информации рассчитывается количество кораблей для всей системы задач ВМФ с использованием метода матриц связности, описанного ранее.

Суть второго средства заключается в предположении, что концепция уже известна, и метод ее разработки в данном случае значения не имеет. Например, в качестве прототипа концепции может быть использован типаж и количественный состав флота зарубежного государства. Постановка задачи планирования ПВК формулируется следующим образом:

- задана концепция корабельного состава;

- задан прогноз ежегодных ассигнований на ПВК вообще и в частности на строительство и проектирование кораблей;

- заданы в виде стратегических ограничений договорные обязательства государства, касающиеся количества ракетных подводных крейсеров стратегического назначения, пус ковых установок и боевых блоков;

- известны прогнозы развития оружия, вооружения и технических систем, устанавли ваемые на строящихся и проектируемых кораб лях. В этих прогнозах для ПВК содержатель ной информацией являются технико-эко-

Схема принятой модели формирования ПВК

номические показатели этапов создания, разработчики и изготовители, год принятия образцов на вооружение;

- известны характеристики (в частности нормативы загрузки, стоимости нормо-часа и т.п.) всех судостроительных предприятий, ЦКБ и поставщиков контрагентского оборудования.

Перечисленные параметры выступают в системе в роли ограничений. Кроме того, в диалоговом режиме обеспечивается поступление на вход системы следующих данных:

- состояние флота к моменту начала планирования, то есть известны состояния находя щихся в эксплуатации и строящихся кораблей;

- состояние и предполагаемые параметры этапов проектирования новых кораблей.

На основе этой информации необходимо разработать вариант ПВК, удовлетворяющий заданным ограничениям.

Организация решения перечисленных задач в АСФ ПВК основана на двух предположениях.

Во-первых, не делается попытки свести задачу планирования ПВК к оптимизационной. Предполагается, что роль человека, его обширные знания, эвристика, опыт здесь имеют крайне важное значение. Поэтому система имеет ориентацию в сторону поддержки принятия решений в процессе планирования ПВК.

Во-вторых, предполагается, что для более полного анализа необходимо предоставить возможность разработки любого числа вариантов ПВК. То есть реализуется принцип многовариантности ПВК, при котором каждому варианту ставится в соответствие та или иная ККС. Причем в любой момент времени в процессе планирования в соответствие варианту можно поставить другую концепцию.

Поскольку разрабатывается несколько вариантов ПВК, возникает задача выбора наиболее предпочтительного. Для решения этой задачи предоставляется функция сравнения вариантов ПВК, которая дает возможность графического отображения сопоставляемых вариантов по тому или иному аспекту и соответствующего исходного ограничения. Варианты ПВК можно сравнивать по следующим параметрам:

- ежегодные затраты на строительство и на проектирование;

- загрузка судостроительных предприятий и проектных организаций,

- количество кораблей в составе флота.

Практика показала ограниченные возможности использования некой единой интегральной количественной меры для сравнения вариантов, обладающей достаточной степенью обоснованности.

Для планирования одного варианта ПВК система предоставляет следующие средства автоматизированного планирования.

1.Из базовой информации в создаваемый вариант копируется информация о всех ныне плавающих, строящихся и проектируемых кораблях.

2. Содержание автоматизированного планирования в системе заключается в изменении первоначального наполнения варианта так, чтобы удовлетворить всем заданным ограни чениям. При этом изменение варианта может быть выполнено с помощью следующих операций:

- сдвиг и изменение сроков того или иного этапа строительства или проектирования;

-размещение заказа на строительство корабля на том или ином судостроительном предприятии;

- размещение заказа на проектирование корабля на том или ином КБ;

- исключение корабля из варианта;

- исключение проекта из варианта;

- добавление в вариант нового корабля;

- добавление в вариант нового проекта.

3. Система предоставляет два способа изменения варианта: автоматический (автопланирование) и ручной. Суть автопланирования заключается в следующем. Задается год, начиная с которого выполняется автопланирование и длительность периода планирования. Учитывая прогноз ассигнований на строительство и проектирование и фактическую стоимость текущего варианта, система изменяет сроки строительства кораблей таким образом, чтобы при нехватке ассигнований строительство кораблей переносилось на более поздние сроки и при наличии свободных средств - на более ранние. Корабли рассматриваются последовательно в соответствии с формируемой таблицей упорядоченных приоритетов. Приоритеты упорядочиваются по величине относительной разницы между текущим количеством и количеством в соответствии с концепцией. Далее опять рассчитываются фактическая стоимость варианта и его текущий количественный со став. Этот циклический процесс повторяется до момента удовлетворения ограничениям на еже годные ассигнования. При автопланировании не изменяются сроки проектирования.

В процессе ручного изменения ПВК система предоставляет средства контроля за всеми текущими параметрами состояния ПВК. Информация о текущем состоянии необходима пользователю для принятия решений о направлениях изменений параметров программы. Это средство можно вызвать в любой момент и в любом окне, где производится изменение варианта ПВК.

4. Система имеет средства глобальной про верки выполнения всех ограничений в любой момент с выдачей и возможностью записи в файл всех отклонений - то есть ведется протоколирование исследований.

5. По любому варианту ПВК можно получить в твердой копии в виде таблиц и графиков планы проектирования и строительства для выбранного подкласса, класса или всех классов кораблей, количественный состав кораблей в соответствии со структурой типажа и загрузку судостроительных заводов.

В процессе формирования ПВК используется большое количество условно-постоянной базовой информации. Хранение этой информации обеспечивается локальной проблемно-ориентированной СУБД, предоставляющей пользователю весь спектр средств дружественного интерфейса для занесения, хранения и модификации этой информации с учетом возможности обеспечения разграничения доступа на основе системы паролей.

Список литературы

1.   Автоматизированная система формирования про граммы военного кораблестроения: Пояснительная записка к техническому проекту САИПР "Чертеж-4". - Ч. 2, - Тверь, НИИ "Центрпрограммсистем", 1996 .

2. Захаров И. Г. Обоснование программ военного кораблестроения в современных условиях: методология, тео рия, практика. -СПб.: В/ч 27177, 1995.