Понятие исследовательского проектирования претерпевает в настоящее время серьезные изменения. Если раньше в него входил комплекс научных и проектных работ, достаточных для формирования, как правило, только общей концепции будущего корабля, то в последнее время потребности практики проектных исследований все явственнее показывают недостаточность таких проработок [3]. С другой стороны, происходящие структурные и экономические изменения в стране с учетом новых рыночных факторов ведут к необходимости существенного увеличения глубины и комплексности исследовательской проработки перспективных проектов кораблей с целью обеспечения решения прежде всего следующих задач.

•Увеличение многовариантности и качества исследований при разработке концепций перспективных кораблей.

•Увеличение глубины, комплексности и детальности проработки тактико-технических заданий на перспективные корабли.

• Организация конкурсного проектирования кораблей.

• Автоматизированная экспертиза проектов на конкурсе с последующим сопровождением их в процессе разработки организацией, выигравшей конкурс.

Решение этих задач требует от специализированных организаций ВМФ более глубокой самостоятельной проработки вариантов кораблей при подготовке тактико-технического задания - вплоть до выполнения сокращенного эскизного проекта с обязательным исследованием всех возможных альтернатив как проектно-конструкторских, так и основных технологических решений. Выполнение же этих работ традиционными средствами становится практически неосуществимым, во-первых, из-за перманентного сокращения количества квалифицированных исследователей, а во-вторых, из-за увеличения объема таких исследований в условиях сокращающихся сроков, отпускаемых обстоятельствами для принятия решений. Отсюда насущная необходимость в создании комплексной системы автоматизированного исследовательского проектирования (САИПР) надводных кораблей (НК). САИПР НК должна обеспечить комплексирование и интеграцию собственно оптимизации основных тактико-технических элементов (ТТЭ) проектируемого корабля с комплексом обоснования технической реализуемости вариантов корабля как плавучего инженерного сооружения на базе системы геометрического моделирования архитектурно-компоновочных решений корабля и моделирования основных проектных эвристик, а также необходимых для этого проверочных кораблестроительных расчетов. Причем кораблестроительные расчеты должны иметь значительную глубину, а математическая модель корабля должна допускать декомпозицию вплоть до отдельных изделий, агрегатов и помещений. Для проектно-конструкторских бюро такая система представляет собой интерес как расширенный вариант САПР группы главного конструктора.

Учитывая существенную новизну решения такой проблемы, при разработке САИПР НК ставились следующие задачи:

•проверка теоретических положений, связанных с проблемой разработки математической модели надводного корабля, обеспечивающей поэтапную декомпозицию, вплоть до элементов, рассматриваемых как отдельные агрегаты на стадии эскизного проекта;

•широкое внедрение геометрического моделирования как инструмента синтеза основных архитектурно-компоновочных решений и обеспечения взаимосвязи геометрического образа корабля с основными кораблестроительными расчетами;

• поэтапное подключение проектных эвристик как правил системы искусственного интеллекта на базе принципов ситуационного выбора в рамках экспертной подсистемы;

•увязка задачи выбора состава оружия и вооружения с определением ТТЭ корабля как носителя этого оружия и вооружения;

• исследование возможности разработки схемы многоуровневой оптимизации с унифицированной реализацией метода оптимизации для различных уровней модели (задачи);

•разработка и подключение к системе необходимого для стадии сокращенного эскизного проекта набора кораблестроительных расчетов и комплекса средств подготовки текстовых и графических материалов по проекту корабля.

Первая версия комплексной САИПР НК охватывает две взаимосвязанные задачи:

О разработка концепции корабля на основе определения оптимального состава вооружения надводного корабля и определения его характеристик в первом приближении;

О определение основных характеристик корабля при выбранном составе вооружения и обоснование технической реализуемости выбранного варианта корабля как плавучего инженерного сооружения на базе синтеза основных архитектурно-компоновочных решений корабля и их анализа с точки зрения основных кораблестроительных свойств.

Общая схема взаимодействия проблемных программных модулей, включенных в состав первой версии комплекса, представлена на рисунке 1(а,б).

Рис 1,а. Схема взаимодействия проблемных модулей в системе интеллектуального проектирования надводных кораблей в рамках задачи 1

САИПР НК решает следующие практические задачи исследовательского проектирования:

•разработка концепции корабля на базе оптимизации состава вооружения методом наброса точек в N-мерном кубе и исследования количественно-качественных аспектов состояний проектируемого корабля;

•  автоматизированный синтез основных архитектурно-компоновочных решений вари анта корабля;

•  проверка реализуемости варианта корабля как плавучего инженерного сооружения по условиям основных ограничений на взаимное расположение и по зонам размещения систем и комплексов оружия и вооружения, ряда агрегатов технических средств;

•  набор статистики методом "близкого прототипа" для последующей разработки не обходимых регрессионных зависимостей на уровне корабля в целом;

•  выполнение основных проектных расчетов уровня сокращенного эскизного проекта с использованием геометрической модели ко рабля;

•  модифицирование программной реализации проблемных модулей с целью применения системы для проектирования других классов кораблей и судов.

Комплекс САИПР НК представляет собой программный комплекс с иерархической структурой и большой степенью вложенности процедур.

Положительная оценка надежности созданного комплекса получена в ходе его опытной эксплуатации. Она позволила определить границы предметной области, в которой целесообразно использовать разработанный программный продукт. Эти границы охватывают прежде всего предметную область проектирования надводного корабля от разработки концепции до стадии сокращенного эскизного проекта.

Блок выбора концепции корабля, то есть оптимизации состава вооружения корабля, может быть подразделен на несколько частей.

а) Тактический блок. Производится расчет тактических характеристик корабля по трем задачам: противовоздушная оборона, противолодочная оборона и ударные операции.

б)  Технический блок, включающий в себя модули для расчетов нагрузки и вместимости, а также расчет водоизмещения корабля, исполь зующий первые два модуля.

в) Экономический блок, предназначенный для определения стоимостных характеристик корабля.

г) Оптимизационные процедуры. Они включают в себя:

-модуль для генерации последовательности точек, равномерно заполняющей N-мерный куб (что необходимо для сканирования пространства варьируемых переменных);

- модуль для отбрасывания заведомо неэффективных вариантов.

Кроме того, в САИПР НК разработан ряд модулей для обеспечения выполнения отдельных функций, необходимых в процессе решения задачи многокритериальной оптимизации:

-модуль задания критериальных ограничений и отбрасывания из таблицы испытаний вариантов корабля, не удовлетворяющих этим ограничениям;

- модуль, позволяющий визуализировать результаты расчетов как в двухмерном, так и в трехмерном пространстве с любой комбинаци ей координатных осей. Там же имеются сред ства для быстрого просмотра полного перечня выходных данных по заданному номеру вари анта корабля.

А также сохраняются так называемые "таблицы испытаний", в которых хранятся выбранные варианты корабля.

САИПР НК разработана на базе комплекса инструментальных средств «ФРЕГАТ» и системы геометрического моделирования, разработанных НИИ "Центрпрограммсистем" (г.Тверь) в рамках создания САИПР "Чер-теж-4". Интерфейс первой версии САИПР НК определяется стандартными средствами системы «ФРЕГАТ».

При исследованиях в первой задаче пользователь в диалоге может выбрать один из вариантов работы:

•  многовариантные оптимизационные рас четы;

•  анализ уже просчитанных вариантов, входящих в область Парето.

Пользователь имеет возможность сузить рассматриваемую область, наложив на нее критериальные ограничения. Для удобства и большей наглядности анализа паретовской области в системе созданы средства для ее визуализации в пространстве трех выбранных пользователем критериев (также можно построить сечение этой области на плоскости двух критериев). Кроме того, с помощью тех же средств возможно построение двух- и трехмерных зависимостей критериев эффективности корабля (рис. 2) от варьируемых переменных (элементов полезной нагрузки, кораблестроительных элементов)

После просмотра изображения описанных зависимостей на экране пользователь имеет возможность проанализировать полный перечень выходной информации по выбранному им варианту (вариантам) корабля, то есть таблицу нагрузки и вместимости, вероятности решения боевых задач, стоимостные характеристики.

Существует тесная связь между двумя компонентами математического обеспечения - математической моделью проектируемого корабля и алгоритмом оптимизации - для решения задачи проектирования. Математическая модель дает вариант проектного решения, а алгоритм оптимизации организует построение такого вариантного ряда, который приводит к оптимальному решению.

Выбор алгоритма оптимизации определяется математическими характеристиками модели. Однако структура модели, в свою очередь, может определяться возможностями алгоритма оптимизации.

Постановка задачи оптимального проектирования в многокритериальной постановке сводится к следующему [2,3]. Проектируемая система зависит от п варьируемых параметров Х(Х,       Х„).

В процессе проектирования различают три типа ограничений: параметрические, функциональные и критериальные.

Параметрические ограничения имеют вид:

(Xi)mm

Функциональные ограничения:

Cjj(X)

Имеются локальные критерии качества Zk(X), которые должны достигать экстремума. В дальнейшем для упрощения будем считать эти критерии минимизируемыми. Ограничения (1) выделяют в п-мерном пространстве параметров параллелепипед П. Ограничения (2) выделяют в П не­которое подмножество G, о котором будем полагать, что его объем положителен. Для обеспечения необ ходимого качества проекти­руемой системы введем кри­териальные ограничения:

Zk(X)

где Zk* - это худшее значение критерия Zk(X), на которое проектант может согласиться.

Разница между критериальными   и   функциональными ограничениями состо­ит в том, что значения Zk* не являются жесткими, они зависят от физической при­роды критериев, конъюнктурных и других соображений и назначаются в процессе решения  задачи,  причем  зачастую многократно пересматриваются.

Перечисленные ограничения (1) - (3) выделяют допустимое множество вариантов, причем выполняется соотношение:

DcGcn.

Если функции Gj(X) и Zk(X) непрерывны в П, то множества G и D замкнуты.

Тогда задача оптимального проектирова­ния может быть сформулирована следующим образом: требуется найти такое множество PcD, для которого:

Z(P) = min Z(X),               (4)

где Z(P)=(Zi(X),..., Zk(X)) - вектор критериев, а X принадлежит D. После решения данной задачи должен быть определен вектор Xopt, принадлежащий мно­жеству Р, являющийся наиболее предпочтительным из всех векторов этого множества. В тех случаях, когда не все основные критерии качества могут быть формализованы, оптимальное решение следует искать на всем множестве D.

Алгоритм исследования пространства параметров [4] позволяет выбрать обоснованные критериальные ограничения в ходе диалога с проектантом. Алгоритм состоит из трех этапов.

I. Составление таблиц испытаний.

В параллелепипеде П, образованном си­стемой ограничений (1), выбирается очередная

точка X, принадлежащая равномерно распределенной последовательности. В этой точке рассчитываются харктеристики корабля и проверяется выполнение функциональных ограничений (2).

Если ограничения не выполнены, то точка X из дальнейшего рассмотрения исключается. Если эти ограничения выполняются, то точка X сохраняется в виде i-й пробной точки в G, и вычисляются значения всех критериев Zi(Xi),

Повторив цикл п раз, мы получим п пробных точек, принадлежащих множеству G.

Затем для каждого критерия составляется своя таблица испытаний, в которой все значения этого критерия расположены в порядке возрастания и указаны номера соответствующих точек.

П. Назначение критериальных ограничений.

Этот этап осуществляется проектантом. По всем таблицам испытаний назначается величина критериальных ограничений Zk«, k=l,..., К. Процедура назначения величины критериального ограничения по i-му критерию осуществляется независимо от назначения предельных величин для других критериев.

Ш. Проверка совместимости критериальных ограничений.

По имеющимся таблицам испытаний проверяются выполнения ограничений одновременно для каждой точки X,:

Zi(XJ

Если такие точки X, есть, то тем самым доказана совместимость критериальных ограничений. Совокупность точек X,, для которых доказана критериальная совместимость, является совокупностью точек области D.

Если точек Х„ удовлетворяющих одновременно всем ограничениям (1) - (3), нет, то следует вернуться ко второму этапу и предложить проектанту ослабить назначенные им ограничения и повторить этап III.

Если ослабление ограничений невозможно, то следует вернуться к этапу I и увеличить число пробных точек N. Если и после этого допустимых точек не находится, то следует признать, что критериальные ограничения, на которых настаивает проектант, несовместны.

В ходе разработки надежность комплекса оптимизации обеспечивалась:

♦стратегией проектирования комплекса "сверху-вниз", позволяющей контролировать межмодульные интерфейсы и получение выходной информации в требуемой номенклатуре;

♦применением апробированных методик и алгоритмов;

♦стратегией отладки комплекса "снизу-вверх", позволяющей распараллелить работу на уровне модулей и обеспечить их автономную отладку и тестирование.

Комплекс обоснования технической реализуемости вариантов корабля является логическим продолжением блока оптимизации состава вооружения корабля. Основные принципы его построения приведены в [5]. Блоки комплекса информационно связаны - в результате работы блока оптимизации формируется состав основного вооружения, и эти данные передаются в комплекс обоснования технической реализуемости варианта корабля.

Поскольку в блоке оптимизации подробная проработка технических решений по кораблю как плавучему инженерному сооружению не предусмотрена (во избежание излишнего увеличения времени расчетов процесса оптимизации), то возникает необходимость синтеза основных кораблестроительных элементов: архитектурно-конструктивного типа корабля, компоновочных решений в части основных подсистем оружия, вооружения и технических средств и, соответственно, более детальных расчетов кораблестроительных свойств, более точного определения водоизмещения. Для решения этих задач и предназначен комплекс исследования технической реализуемости варианта корабля.

Алгоритм функционирования комплекса расчетов представляет собой циклически вызываемую последовательность модулей в том порядке, в котором они приведены выше. Условия выхода из цикла:

- выполнение уравнения нагрузки,

-возможность расположения всех размещаемых объектов в данном корпусе корабля.

В случае выполнения обоих условий счет прекращается, и на выходе пользователь имеет подробную информацию в объеме, определяемом номенклатурой выходных данных соответствующих расчетов, главные размерения корабля, основные схемы чертежей общего расположения, теоретического чертежа, схематического изометрического изображения спроектированного корабля, а также таблицу нагрузки в стандартной форме, принятой в отрасли. Все эти результаты могут быть выведены на устройства САИПР, в том числе и графические.

Комплекс определения основных характеристик корабля при выбранном составе вооружения и обоснования его технической реализуемости включает в себя:

•    компоновку схем общего расположения основного оружия корабля в автоматизированном режиме;

•    расчет нагрузки масс на уровне разде лов (для разделов "Вооружение", "Боезапас",'Энергетическая установка" с учетом выбора по каталогу комплектующих изделий);

•  расчет вместимости с постатейным пе ресчетом и учетом параметров архитектурно- конструктивного типа;

•  проверка начальной остойчивости и па раметров качки по упрощенным эмпирическим зависимостям;

•  проверка параметров диаграммы стати ческой остойчивости пересчетом с прототипа;

•  расчет ходкости пересчетом с прототипа;

•  генерацию теоретического чертежа путем аффинного перестроения чертежа прототипа и его преобразования;

•  оценочный расчет физических полей корабля;

•  расчет пропульсивных качеств и винта по упрощенным эмпирическим формулам;

•  расчет строительной стоимости корабля с учетом удельных стоимостей и коэффициента серийности;

•  расчет ремонтопригодности корабля, включающий:

-   построение схемы ремонтных циклов корабля за полный срок службы,

-   построение вариантов структуры ре монтного цикла корабля на основе действую щих нормативно-технических документов и требований ТТЗ,

-расчет трудоемкости и продолжительности каждого ТО и заводского ремонта корабля за полный срок службы,

-расчет суммарной трудоемкости и продолжительности межпоходовых заводских ремонтов корабля с учетом доковых ремонтов,

-расчет удельных суммарных показателей ТО и ремонтов за полный срок службы,

-  оценку результатов расчета и выбор оптимальной структуры ремонтного цикла ко рабля и схемы ремонтных циклов за полный срок службы корабля;

• комплекс расчетов по техническим средствам корабля, включающий:

О расчет состава основного оборудования энергетической установки,

О расчет массогабаритных характеристик основных элементов энергетической установки,

О расчет буксировочного сопротивления,

О расчет показателей эффективности выбранного варианта энергетической установки,

О определение размещения основных элементов энергетической установки,

О расчет состава основного оборудования и массогабаритных характеристик электроэнергетической системы корабля,

О определение размещения основных элементов электроэнергетической системы корабля.

Система геометрического моделирования, разработанная НИИ "Центрпрограммсистем" в рамках САИПР "Чертеж-4" на базе [6.7J, позволяет решать следующие задачи:

•  обеспечить достаточно адекватное кругу задач исследовательского проектирования описание геометрического образа корабля и его геометрических элементов;

•  проводить автоматизированный синтез архитектурно-компоновочных решений кораб ля, в том числе и с интеллектуальной поддерж кой;

•  обеспечить взаимосвязь геометрической модели корабля с кораблестроительными рас четами;

•  обеспечить построение и интерактивное преобразование каркасной модели поверхнос ти корпуса корабля;

•  обеспечить взаимосвязь с системой Auto CAD.

Графическая подсистема системы геометрического моделирования позволяет обеспечить подготовку и вывод следующей чертежной документации:

•теоретический чертеж;

•вид сбоку;

•вид сверху;

•трехмерная проекция корабля под заданным углом с удалением невидимых линий;

•планы по палубам;

•продольный разрез;

•разрез по миделю;

•другие виды и разрезы.

В качестве тестовых использовались примеры, содержащие реальную проектную информацию по существующим кораблям, или примеры, решения которых находились вручную либо были известны по предыдущим исследованиям.

Описанная САИПР НК для исследовательского и эскизного проектирования надводных кораблей использовалась для отработки концепции и разработки тактико-технических заданий перспективных типов надводных кораблей российского ВМФ [8]. Пример построенной с помощью САИПР НК схемы общего расположения перспективного эсминца приведен на рисунке 3. Опыт эксплуатации САИПР НК подтвердил правильность принятых решений и дает основание для развертывания на ее базе автоматизированной системы, обеспечивающей проведение конкурсного проектирования кораблей в системе МО РФ.

Опыт разработки первой версии САИПР НК позволяют сделать следующие выводы.

Рис. 3. Схема общего расположения перспективного эскадренного миноносца, синтезированная с помощью САИПР НК

1. Практически доказана возможность реализации теоретических положений, выдвинутых на предыдущих этапах работы и касающихся проблем построения САИПР на вы бранной технической базе. Описанная система использовалась для отработки концепции перспективных типов надводных кораблей российского ВМФ и разработки тактико-технических заданий для них.

2.    Разработана и внедрена система геометрического моделирования кораблей для стадии исследовательского проектирования, которая является основной базой для увеличения глу бины и комплексности проектных исследований.

3.    Разработана и внедрена экспертная под система САИПР НК, которая позволяет накапливать проектные эвристики в виде правил базы знаний в интересах разработки схем об щего расположения корабля.

4.    Опыт эксплуатации САИПР НК под тверждает правильность принятых решений и дает основание для развертывания на ее базе автоматизированной системы, обеспечи вающей проведение конкурсного проектиро вания кораблей.

5.    Выявлена практическая полезность и значимость созданного комплекса на решении практических проектных задач.

Подтверждена на крупных задачах работоспособность комплекса инструменталь ных средств «ФРЕГАТ» САИПР "Чертеж-4". Вместе с тем в ходе работ над реализацией комплекса оптимизации выявилась необходимость в дальнейших исследованиях и разработках по направлениям:

•  исследование области до пустимых решений и критери ального пространства задач оп тимизации основных ТТЭ над водных кораблей;

•  увеличение глубины де композиции ряда подсистем мо дели корабля и в соответствии с этим степени детализации алго ритмов модулей и их состава;

•  увеличение полноты мате матической модели надводного корабля за счет создания новых проблемных программных мо дулей, охватывающих не рас сматриваемые в макете свойства корабля;

•  модификация некоторых существующих функциональных возможностей и добавление ряда новых функций комплексу «ФРЕГАТ» для повышения эффективности работы с ним;

•  исследование и разработка теоретических вопросов, связанных с компьютеризацией во просов формирования общего расположения.

Список литературы

1.   Гайкович А.И., Родионов В.В. Подход к проектиро ванию корабля с позиций теории иерархических много уровневых систем. //Материалы I Международ, конф. и вы- став. по морским интеллект, технологиям: МОРИНТЕХ-95. - СПб., 1995.-С. 109-124.

2.   Гайкович А.И., Родионов В.В., Цюх М.А. Концепция и облик многоцелевого корабля ВМФ России XXI века. //Международ, конф.: Военно-морской флот и судостроение в современных условиях. - СПб., 1996. - А1 - 14.

3. Захаров И. Г. Военное кораблестроение России. // Судостроение. - 1996. - № 10. - С. 57-65.

4.   Никитин Н.В. Введение в теорию геометрического моделирования кораблей и судов при автоматизированном исследовательском проектировании. //Морская технология. - 1995.-№ 1.-С. 9-11.

5.   Никитин Н.В. Расчетно-логическая система исследо вания технической реализуемости вариантов кораблей и су дов на стадии автоматизированного исследовательского проектирования. //Программные продукты и системы. - 1993.-№4.-С. 20-27.

6.   НИР.Сер.:Корвет.-СПб.:-В/ч27177.- 1984-1996.

7.   Соболь И.М. Точки, равномерно заполняющие N- мерный куб. - М-, Знание. - Сер.: Математика и кибернети ка. - 1985. - № 2. - 32 с.

8. Статников Р.Б. , Матусов И.Б. Многокритериальное проектирование машин. - М., Знание. Сер.: Математика и кибернетика. - 1989. - № 5. - 47 с.