Одной из центральных проблем и источником противоречий среди разработчиков автоматизированных систем (АС) исследовательского проектирования в области кораблестроения является определение места геометрической модели проектируемого объекта как в структуре АС, так и в выборе базовых методологических принципов построения специализированного проблемно-ориентированного программного обеспечения, связанных с геометрической моделью.

Мнения разработчиков разделились на два во многом противоположных направления:

• геометрическая модель корабля (ГМК) -центральный объект системы, олицетворяет в этом смысле сам корабль, поэтому является основой системы вместе с функциями порождения и корректировки ГМК, все остальные составляющие подсистемы АС к ней пристраиваются для выполнения своих локальных функций (проверочный расчет, анализ некоторых свойств и т.п.);

•ГМК - это подмножество данных по кораблю и его подсистемам, характеризующее различного рода геометрические показатели существования объекта (габариты, взаимная компоновка и т.п.), поэтому инструментальные программные средства работы с ГМК могут объединятся в обычную подсистему АС, а сами данные по ГМК распределяться по общему информационному пространству АС, структурированному исходя из иных (негеометрических) принципов декомпозиции (например функциональных).

Какого-либо промежуточного варианта в решении этой проблемы в рамках одного программного комплекса не существует, а если он заявляется, то на деле представляет собой эклектичную по основным базовым принципам построения систему и, следовательно, как правило, неработоспособную.

Последствия этого противоречия, как видно, самые серьезные, приводящие к созданию АС проектирования с внешне одинаковыми целями и решаемыми задачами, а внутренне с реализацией принципиально различных технологий проектирования и исследований. Точно так же требования к разрабатываемым инструментальным средствам АС со стороны

представителей этих направлений могут прямо противоречить друг другу.

Причины противоречия лежат достаточно глубоко и имеют под собой объективные корни, связанные с различиями в методологических основах существующей традиционной теории и практике проектирования кораблей и в относительно новой теории исследовательского проектирования.

Традиционная теория проектирования корабля (изложенная, например, в [1]) ориентирована на обоснование проектных решений, причем под ними понимаются прежде всего компоновочные решения с учетом максимально возможного числа внешних факторов и взаимосвязей между подсистемами при формировании основных свойств корабля.

Существующая организация, стадии и последовательность разработки проекта корабля, также нацелены на всесторонне научно и практически обоснованный выбор облика будущего корабля, основные черты которого сосредоточены прежде всего в чертежах различного ви-

"На стадии аванпроекта выполняется анализ боевой технико-экономической и эксплуатационной эффективности различных вариантов с учетом конструктивных и эксплуатационных особенностей и выбор оптимального варианта. На этом этапе отрабатываются схемы общего расположения различных вариантов, выполняется укрупненный расчет нагрузки, расчеты ходкости, остойчивости, непотопляемости, вместимости и стоимости корабля. Одновременно разрабатываются: перечень основного комплектующего оборудования, укрупненный график проектирования, строительства и сдачи корабля, а также сравнительный анализ его с аналогами...

...Целью эскизного проекта является расчет и проектно-конструкторское обоснование оптимального варианта корабля, наиболее полно отвечающего ТТЗ. Эскизный проект должен подтвердить реальность создания корабля и обеспечения его нормальной эксплуатации и боевого использования после постройки...

...Основной целью технического проекта является разработка полного комплекта чертежей и спецификаций, который необходим для разработки рабочих чертежей" [1].

Как видим, основная мысль во всех стадиях проектирования - задача формирования и обоснования топологической структуры корабля, выраженная в различного вида чертежах, которые в электронном воплощении представляют собой геометрическую модель корабля.

Причиной тому является, на наш взгляд, то обстоятельство, что чертеж - это главный документ в проекте корабля, определяющий технологию его постройки с точки зрения завода-верфи.

Между тем именно военный корабль характеризуется высокой степенью насыщенности различного рода оборудованием (оружием, вооружением, техническими средствами), которые прямо определяют основные функции корабля, а для верфи являются контрагентскими поставками в отличие от коммерческих и вспомогательных судов, для которых главный объект геометрической модели - корпус корабля - как правило, формирует и главные функциональные подсистемы (например танкер, сухогруз и т.п.).

Указанное оборудование чаще всего проектируется и производится под определяющим влиянием других аспектов, слабо связанных с топологией корабля (например, для комплексов освещения обстановки - это процессы преобразования и обработки информации; для энергетической установки - термодинамические процессы преобразований энергии и т.п.). Однако совершенно естественно, проблемы проектирования этого оборудования мало интересуют завод-верфь - оно дается ему в готовом виде.

Все это является основанием утверждения о достаточно однобокой ориентации традиционной теории проектирования кораблей на удовлетворение интересов прежде всего строителя, а именно завода-верфи, и может быть приемлемой только на достаточно поздних стадиях проектирования, когда происходит главным образом уточнение облика корабля в части выполнения инженерно-конструкторских проработок узлов и элементов всех его подсистем с привязкой к существующей оснастке и технологии постройки на заводе-строителе, а не принятие концептуальных решений по кораблю или его основным подсистемам, то есть, как минимум, с технического проекта.

К этому моменту концепция корабля отработана:

- определено его назначение, выполняемые функции;

- определен состав, структура и назначение основных подсистем;

- выбраны все основные архитектурные ре шения и определены принципы компоновки;

- определены основные свойства корабля - тактико-технические характеристики (ТТХ);

- облик подсистем и их составляющих определен подробно и достоверно (они проходят все стадии проектирования и строительства опережающими темпами).

Данные условия являются отправной точкой функционирования большинства существующих CAD/САМ систем (например TRIBON, FORAN). Указанные в документации (особенно в рекламной) способности с использованием дополнительных составляющих осуществлять проектирование с самых ранних стадий при более подробном и пристальном рассмотрении оказываются возможностью проводить некоторую модернизацию базового (стандартного) проекта.

При этом в основе построения CAD/CAM систем реализован принцип главенства геометрической модели корабля. Так, например, об этом говорится даже в информационных сообщениях о крупных Международных конференциях: на 8-й Международной конференции по применению компьютеров в судостроении ICCAS (International Conference on Computer Application in Shipbuilding), состоявшейся 8 сентября 1994 года в Бремене, Германия, обсуждались вопросы состояния и перспектив CAD/САМ систем в судостроении. В основу развития CAD/САМ систем положена концепция Product Model (Ship) - концепция производственной модели изделия (судна), сущность которой сводится к следующим положениям:

• CAD/САМ система является средством для формирования полной модели изделия (судна), содержащей всю необходимую информацию для обеспечения изготовления изделия (строительства судна);

•модель изделия (судна) представляется в виде единой распределенной базы данных и используется на всех этапах создания изделия.

В существующих CAD/САМ системах геометрическое моделирование является основой для создания модели. Тем не менее понятие Product Model (модель изделия) применяется вместо Geometric Model (геометрическая модель) с цепью подчеркнуть, что модель изделия содержит полную как геометрическую, так и негеометрическую проектную и производственную информацию об изделии и методах ее изготовления.

Таким образом, представление геометрической модели корабля в качестве центрального объекта АС проектирования обоснованно применимо для поздних стадий проектирования, целью которых является подготовка строительства, и здесь безраздельно господствует методический аппарат общей теории проектирования кораблей.

При этом основой геометрической модели корабля являются электронные (цифровые) описания узлов, поверхностей и других составляющих внешнего геометрического облика подсистем и корабля в целом. К этому добавляются программные процедуры порождения

описаний и манипулирования ими для обеспечения процессов конструирования (компоновки в интерактивном режиме).

Расчетные процедуры по определению отдельных свойств корабля или его подсистемы, проектные процедуры (например расчет нагрузки и вместимости, главных размерений и т.п.) выполняются в виде отдельных подсистем-приложений, задействуемых по желанию проектанта для проверки выполнения требований технического задания и условий существования корабля.

Для этих расчетов геометрическая модель является главным источником исходных данных. Обратная задача корректировки геометрической модели по результатам расчетов осуществляется практически только через пользователя. Исключение составляют определенные подсистемы корабля, которые в результате таких расчетов проектируются и заносятся в модель (известные задачи трассировки кабельных трасс, трубопроводов и др.).

Данное обстоятельство фактически предопределяет выбор в качестве основного принципа декомпозиции математической модели корабля, реализованной в геометрической модели и указанных расчетных процедурах, стратификацию, или, иначе, аспектный принцип. Проектируемый объект декомпозируется по признаку размещения (например, все, что находится в надстройке, и все, что находится в корпусе и т. п.), расчетные методики по рассматриваемым аспектам (свойствам). Например:

- нагрузка (свойство элементов системы иметь массу);

- вместимость (свойство элементов системы иметь объем);

- размерения (свойство элементов системы иметь линейные размеры);

- ходкость (свойство группы элементов системы сообщать ей скорость) и т.п.

Ранние стадии проектирования, включая разработку эскизного проекта (некоторые авторы ее не включают), в настоящее время объединяются в самостоятельный по целям и решаемым задачам этап на основе широкого использования методологии относительно нового научного направления - исследовательского проектирования (ИП) корабля.

Находясь на стыке ряда научных областей (кораблестроительных наук, исследования операций, прикладной экономики, математических методов оптимизации и др.), это направление имеет ряд специфических особенностей в реализации, значительно отличающих его от общей теории проектирования, что отражается на технологии проведения собственно проектирования корабля и применяемом методическом аппарате.

Отметим эти особенности в части влияния на технологию проектирования (синтеза облика корабля).

Предмет теории ИП определяется наиболее фундаментальной из существующих в настоящее время работой Л.Ю.Худякова [3] как "совокупность ТТХ корабля, рассматриваемая с оперативно-тактической, технической и экономической точек зрения с целью выбора варианта (или вариантов) корабля, наиболее предпочтительного в смысле эффективности решения поставленных задач и возможностей создания и содержания корабля в составе флота". При этом под ТТХ корабля понимаются как собственные его свойства, называемые в работе тактико-техническими элементами (ТТЭ), так и свойства подсистем и элементов подсистем, называемые в работе параметрами технических решений (ПТР).

Решение задачи в такой постановке по совершенно объективным причинам актуально, так как позволяет оценивать все принимаемые технические решения при формировании концептуального облика будущего корабля наиболее объективным образом, и стало возможным благодаря бурному развитию вычислительной техники и математических методов моделирования физических и социальных процессов, объектов и явлений.

Следует подчеркнуть, что практическая реализация методологии ИП, исходя из фундаментальных положений теории, однозначно предполагает обеспечение проведения единого вычислительного эксперимента с математической моделью, описывающей одновременно и процессы синтеза корабля как сложной технической системы, и процессы строительства и эксплуатации корабля для оценки потребных ресурсов, и процессы боевого функционирования для оценки боевой эффективности. Только такая реализация позволяет в наиболее полной и объективной мере отразить все последствия сложного и противоречивого воздействия каждого изменения ПТР на военно-экономическую эффективность корабля, с одной стороны, и обеспечить управляемый поиск наилучших ТТХ при решении задачи оптимизации в одно-критериальной или многокритериальной постановке - с другой.

В связи с этим успех или неуспех в реализации методологии ИП при решении конкретных исследовательских задач, а тем более при создании автоматизированных систем или программных комплексов ИП, определяется выбором принципов математического моделирования указанных объектов и процессов, имеющих различную физическую природу, которые, между тем, нужно объединять в единую вычислительную модель, а поэтому должны удовлетворять определенным требованиям.

В целом все сказанное дает возможность утверждать, что центральное место в технологии ИП занимает вычислительный эксперимент, а в программных комплексах и САИПР -математическая модель. При этом под математической моделью здесь понимаются системы уравнений различного вида, описывающих все значимые для исследования или области исследования процессы и объекты, а не цифровое описание различного вида геометрических поверхностей, лежащих в основе ГМК.

Процесс синтеза корабля как сложной технической системы моделируется в соответствии с технологией ИП системами функциональных зависимостей, связывающих ПТР с ТТХ. Моделируется именно как процесс, то есть обеспечивается возможность оперативно в ходе вычислительного эксперимента менять технические решения по отдельным подсистемам корабля, включая компоновочные, еще до того, когда облик объекта "материализуется" в окончательном виде как подробное цифровое описание всех основных узлов, поверхностей и тел - то есть чертежи технически реализуемого варианта корабля с требуемыми свойствами (или ГМК в терминологии АС ИП).

Таким образом, в технологии ИП ГМК является одним из основных результатов вычислительного эксперимента.

Сама же математическая модель корабля декомпозируется по функциональному принципу, как наиболее полно отвечающему целям ИП (более подробное обоснование приведено в работе [2]).

Следует отметить, что в задачах ИП ГМК может быть использована не только для фиксации и отображения результатов исследования. В процессе синтеза корабля, его подсистем и в определении их свойств большая часть параметров модели может определяться значительно точнее или проще с использованием стандартных геометрических расчетов по ГМК (площади, объемы, расстояния и т.п.). Кроме того, при успешной реализации самой ГМК и указанных процедур появляется принципиальная возможность использования их для решения новых для ИП задач с применением графических методов (например, оценка показателей живучести корабля путем введения в ГМК специфических "элементов размещения", таких как пожар, забортная вода; оценка боевой эффективности с использованием диаграмм направленности комплексов освещения обстановки и т.п.). Однако и в этих случаях инструментальные средства геометрического описания корабля и его подсистем должны удовлетворять указанным целям, а не точному, почти реалистичному, представлению внешнего вида объектов.

Проблема взаимодействия САИПР с CAD/САМ системами может решаться как чисто информационная, связанная с конвертацией результатов ИП в базы данных модели изделия в соответствии с ее принципами хранения и использования информации. Дальнейшая работа с проектом будет вестись на основе технологий подготовки строительства корабля и последующей детализации его облика без изменения разработанной и принятой концепции.

Попытка использования методологической базы и технологии CAD/САМ систем на ранних стадиях проектирования объектов кораблестроения, а это, как правило, связано с помещением в центр АС проектирования ГМК со всеми инструментальными средствами ее порождения, модификации и прочего приводит к следующим негативным последствиям:

♦фактический отказ от основного методологического принципа ИП, заключающегося в представлении объекта исследования как совокупности ТТХ корабля, рассматриваемой с оперативно-тактической, технической и экономической точек зрения (практически это производится полным переносом оперативно-тактического и экономического аспекта в еще более ранние стадии формирования концепции корабля - обоснование оперативно-тактического задания);

♦ отказ от функционального принципа декомпозиции математической модели корабля как основного вследствие неоправданного для концептуальной стадии усиления роли проблем размещения и точного отображения внешнего вида по сравнению с проблемами учета реальных функциональных связей между элементами подсистем и кораблем в целом;

♦направленность на решение плохо формализованных задач структурного синтеза в условиях, когда параметрический синтез в соответствии с этой технологией представляется итогом всего этапа ИП (то есть эти этапы по существу меняются местами по сравнению с общепринятой стратегией системных исследований, когда структурный синтез производится на базе вариантов уже оптимальных в параметрическом смысле);

♦как следствие - фактический отказ от методов направленного поиска оптимальных решений в связи с их несовместимостью с технологией интерактивного конструирования корабля и его подсистем;

♦необходимость оборудования всех рабочих мест проектантов исследователей специфическими и дорогостоящими техническими и программными средствами поддержки ввода и вывода графической информации вне зависимости от целей и содержания конкретных исследований.

Обобщая итоги анализа места и роли геометрической модели и графического отображения объекта в автоматизированных системах проектирования различного вида, можем сделать следующие выводы.

Различия в целях и решаемых задачах ранних и поздних этапов проектирования корабля предопределяют различия в технологии проводимых на этих этапах проектных исследований и соответственно в базовых принципах построения автоматизированных систем, места и функций подсистем, объединяющих инструментальные средства геометрического моделирования и графического отображения объекта проектирования.

Традиционная теория проектирования кораблей ориентирована на методологическую поддержку поздних стадий проектирования, нацеленных на обеспечение строительства корабля, то есть является основой построения CAD/САМ систем. Это предопределяет центральное место в подобных системах ГМК.

Теория исследовательского проектирования в настоящее время ориентирована на методологическую поддержку формирования концепции корабля, то есть на ранние стадии проектирования. В связи с этим центральное место в САИПР кораблей занимают математические модели корабля, его подсистем, процессов их боевого и повседневного функционирования и прочее, средства подготовки, проведения и анализа результатов вычислительного эксперимента.

ГМК и все связанные с ней инструментальные средства, объединяемые в подсистему геометрического моделирования и графического отображения, в САИПР являются одним из основных инструментов анализа результатов вычислительного эксперимента.

Указанная подсистема, кроме графического отображения результатов ИП, должна иметь соответствующий программный интерфейс для ее использования в расчетных процедурах, расширяющих область применения методологии ИП на решение задач оценки живучести, боевого функционирования и прочего графическими методами.

В заключение приведем общее описание применяемой технологии геометрического моделирования и графического отображения в САИПР подводных лодок (ПЛ) и перспективы развития указанных средств в новой версии САИПР.

Подводная лодка, являющаяся объектом исследования в САИПР ПЛ, представляется совокупностью ее ТТХ и рассматривается с технической, оперативно-тактической и экономической точек зрения. Математическая модель ПЛ декомпозируется по функциональному принципу. Геометрическая модель ПЛ используется в основном для фиксации результатов исследования и изображения архитектурного облика лодки при экспресс-выводе.

ГМК в САИПР ПЛ включает следующие составные части:

-  совокупность параметрических моделей элементов размещения;

-  параметрическую модель корпуса ПЛ;

-  модель архитектурно-компоновочного облика ПЛ.

ГМК в САИПР ПЛ представляется в виде взаимосвязанного набора данных специального вида - таблиц. Для работы с ними имеется достаточно широкий набор процедур.

Параметрические модели большинства объектов размещения (торпеды, шахты, ограждения ракетных шахт, гидроакустический комплекс) специфицируются таблицами предопределенного вида.

Корпус ПЛ также описывается отдельными таблицами.

Для части объектов размещения модели представляются совокупностями элементарных геометрических тел (конус, эллипсоид, полуэллипсоид, пирамида).

Модели архитектурно-компоновочного облика ПЛ соответствует отдельная таблица, которая называется базовой. Каждая запись базовой таблицы содержит спецификацию графического образа объекта размещения (ссылку на определенный элемент конкретной таблицы) и описание расположения объекта в глобальной системе координат.

Заполнение таблиц происходит в расчетных модулях, тем самым ГМК заполняется только по результатам проведенного исследования, и архитектурный облик ПЛ будет представлен лишь теми элементами, комплексами и подсистемами, характеристики которых рассчитывались в данном исследовании.

Подсистема экспресс-вывода предоставляет возможности по изображению следующих видов ПЛ:

-  продольный разрез;

-  разрез по главной палубе;

-  поперечное сечение;

-  изометрическая проекция;

-  произвольный вид;

-  теоретический чертеж (ТЧ);

-  бок в ТЧ;

-  полуширота в ТЧ;

-  корпус в ТЧ.

Данные ГМК могут быть переданы в подсистему "Подготовки реалистических изображений и чертежной документации корабля", предназначенной для качественного визуального анализа и документирования архитектурного облика корабля. Эта подсистема реализована на базе графического редактора AutoCad.

Подсистема выполняет следующие функции:

О формирование графической модели корабля;

О создание реалистичных изображений корабля и его элементов;

О поддержка процесса визуальной оценки архитектурного облика корабля;

О подготовка и вывод чертежной документации.

На рисунке представлен вид спроектированной ПЛ, полученный в данной подсистеме.

Основными направлениями развития комплекса геометрического моделирования в новой версии САИПР ПЛ являются:

- представление геометрической модели любого элемента размещения совокупностью элементарных геометрических тел;

- разработка редактора параметрических моделей элементов размещения, позволяющего порождать и изменять геометрические модели любого элемента размещения;

- разработка более эффективных форм хра нения ГМК и средств доступа к ней;

- расширение спектра подпрограмм геометрических вычислений, предназначенных для определения геометрических характеристик элементов, комплексов и подсистем на основе его геометрической модели.

Список литературы

1.   Попов Г.И., Захаров И.Г. Теория и методы проектирования корабля. - Л.: ВМА им. Гречко. - 1985.

2.   Хабибуллин Р.К. Декомпозиция математических моделей корабля в системах автоматизированного исследовательского проектирования // Программные продукты и си стемы.- 1993.-№4.-С. 32-34.

З.Худяков Л.Ю. Исследовательское проектирование кораблей. //Судостроение. - 1980.