Software & Systems

Одной из основных задач организации системы испытаний изделий ракетно-космической техники (РКТ) является создание структур, обеспечивающих адаптацию методик испытаний изделий РКТ к широкому спектру разноплановых задач, "функционирующих" в системе испытаний. Автоматизированная система испытаний должна не только обеспечить модульную реализацию узкоспециализированных методик, но и широко варьировать модулями-блоками проблемно-ориентированных технологических операций и унифицированных правил обработки информации.

В рамках наземной отработки изделий РКТ "узким" местом является необходимость разработки испытательного оборудования [3], способного имитировать статистический характер эксплуатационных условий [1].

Это требует больших материальных затрат на создание специальных стендов и стартовых сооружений.

Поэтому неотъемлемой частью исследований и испытаний, проводимых в рамках автоматизированной системы испытаний, является имитационное моделирование [2,4,5].

Имитационное моделирование использует совокупность математических моделей:

-   модели объектов испытаний (отдельные агрегаты, узлы, системы, комплексы систем и т.д.),

-   модели условий функционирования,

-   модели планирования и проведения эксперимента [4],

-   модели обработки данных,

-   управляемые динамические модели,

-   модели неопределенностей,

-   логические правила взаимодействия моделей.

Указанная совокупность математических моделей необходима для исследования процесса функционирования изделий РКТ и поэтапного снятия неопределенности в определении показателей качества.

Таким образом, в случае наземной стендовой отработки изделий РКТ испытания агрегатов, узлов и стендовых изделий методом имитационного моделирования логично включить отдельной составной частью в общий объем исследований наряду со всей гаммой традиционных стендовых изделий, воспроизводящих комплекс физических нагрузок с той или иной степенью приближения к штатной документации.

Следует отметить, что в настоящее время эффективным средством повышения качества изделий РКТ являются наземные технологические испыта- ния [10]. Они проводятся с целью обеспечения непрерывного контроля элементов, агрегатов, систем, летательного аппарата в целом в ходе каждой операции по их изготовлению, сборке, предстартовой подготовке и в процессе, предшествующем запуску, для выявления возможных причин отказов на наиболее раннем этапе испытаний.

Структура адаптивной системы производства изделий РКТ (рис. 1) обеспечивает не только гибкость процесса разработки и производства узлов, агрегатов и изделия в целом, но и возможность исключения из процесса планирования некоторых заявок, если для их выполнения в рамках иерархической соподчиненности элементов производственной системы невозможно найти компромиссной альтернативы, то есть выполняются функции экспертной системы (рис. 2).

Проведенное полное и всестороннее исследование по структуризации задач всех этапов разработки (от составления технического задания на проектирование по результатам экспертной оценки альтернативных вариантов создаваемого изделия и до внедрения интегрированной системы обработки данных в промышленную эксплуатацию) является достаточно трудоемким и сложным этапом исследования [16].

Это связано с тем, что на этом этапе изучаемая система разбивается на совокупность взаимосвязанных подсистем (рис. 1) до уровня ее основных компонент. При этом формализуются задачи, функции и цели этих подсистем и механизмы связи между ними (информационные и вещественные).

По результатам структурного анализа можно сделать следующие выводы.

1.  Возможное "продвижение" испытаний на самые ранние стадии проектирования с целью непрерывного контроля элементов, узлов, агрегатов и систем, характеристики которых – это составляющие компоненты (или косвенно влияющие на них) вектора качества изделия, являются эффективным средством повышения качества изделий РКТ в целом и требуют соответствующей методической подготовки.

2.  Большие материальные затраты на разработку изделий РКТ и необходимость "активного" формирования вектора качества заставляет идти по пути внедрения автоматизированных систем управления не только технологическими системами, но и организационными структурами на всех стадиях жизненного цикла.

3.  Особенностью работ над космическими и наземными системами является совмещение (интегрирование) исследования, проектирования, производства, испытаний и эксплуатации. Поскольку в настоящее время до 60% всех затрат на разработку и создание изделий РКТ составляют затраты на наземные испытания [6], количество натурных экспериментов, как правило, жестко ограничено. Поэтому представляется целесообразным в общую структуру испытаний включить отдельной составляющей (подсистемой) испытания агрегатов, узлов и изделия в целом методом имитационного моделирования.

4.  На всех стадиях жизненного цикла изделия экономически целесообразным представляется не разработка новых специализированных производственно-ориентированных систем обработки данных, а универсализация базовых систем и их адаптация к объектам исследования [7].

Необходимость опережающих исследований, наличие сопутствующих испытаний по всем стадиям жизненного цикла изделия РКТ, экономическая целесообразность, связанная с разработкой активных методов управления качеством и жестким ограничением количества экспериментов в составе наземной отработки, делают направление формализации методов имитационного моделирования в системе технологической подготовки испытаний (ТПИ) актуальным и обусловливают необходимость привлечения для его развития методов теории иерархических многоуровневых систем, математического моделирования и новых информационных технологий.

Указанная формализация методов имитационного моделирования объединяет:

-   разработку концептуальной модели системы;

-   методы формализации концептуальной модели: стратегию системного подхода и типовую совокупность математических моделей;

-   разработку моделирующих алгоритмов;

-   машинную реализацию имитационной модели.

Концептуальная модель системы ТПИ

Целью ТПИ является достижение в процессе разработки изделий РКТ оптимального соотношения между затратами и достигнутым уровнем качества.

Известно, что процесс испытаний есть экспериментальное определение количественных и/или качественных свойств объекта испытаний в результате воздействия на него внешних факторов.

При этом определение свойств объекта испытаний происходит на основе вычислительного (виртуального) или физического эксперимента или в ходе нормальной эксплуатации объекта испытаний.

Воздействующие на процесс испытаний внешние факторы находятся в функциональной связи с искомой характеристикой, а сам процесс испытаний неразрывно связан с регистрацией и переработкой больших потоков информации.

Цели, задачи, методы, средства и условия испытаний различны, а обрабатываемая информация разнородна по составу, физической природе [7] и способам получения.

Все это затрудняет создание системы ТПИ и вместе с этим стимулирует исследования в этом направлении.

Известно [8], что процесс ТПИ включает формализованные и эвристические методы.

Формализованные методы основываются на физико-механических закономерностях и находят широкое применение при автоматизированной обработке данных, поскольку могут быть реализованы на ЭВМ.

Эвристические методы, отражающие опыт и интуитивное мышление аналитика, слабо поддаются формализации и пригодны для автоматизированной обработки лишь относительно [9].

Тем не менее и в этом случае можно с помощью ситуационного анализа определить инвариантное содержание работ слабо формализуемых методик и наметить пути их типизации по всем стадиям жизненного цикла изделия [9].

Поскольку процесс испытаний "распределен" по всем стадиям жизненного цикла изделия, для формализации исследований необходимо проанализировать его организационные и функциональные аспекты в комплексной системе изготовления изделий РКТ (рис. 1).

В ходе выполнения испытаний приходится решать ряд математических [11], технологических, экономических [12] задач с построением аналитических моделей, использованием многопараметрического физического эксперимента [5] с целью оценки и анализа тех или иных показателей вектора качества изделия. Поэтому априорная схематизация предметной области испытаний может быть выполнена по группам.

Функциональные компоненты ТПИ (математические, технические, макетирование, моделирование) в предметной области процесса испытаний целесообразно объединить в группу проблемно-ориентированных модулей.

Информационные компоненты ТПИ интерпретируются как потоки информации, определяющие взаимосвязь всех процессов: сбор, переработку, хранение, управление, контроль и распределение данных, вывод информации [18].

В системе ТПИ этот блок задач представлен стандартной технологией (например, [7]) и объединен в проблемно-независимый модуль (унифицированный для всех задач испытаний), для которого характерны следующие признаки:

-   коммуникационный (отражает право на обмен и обработку информации);

-   обслуживающий (обеспечивает выполнение информационных запросов или заданий);

-   санкционирующий (отражает право доступа к различного рода информации).

Организационные компоненты ТПИ – организационная система – в дальнейшем рассматривается как совокупность правил, устанавливающих порядок работ, содержание и порядок представления информации, цели и критерии эффективности.

Организационная система предусматривает всю технологию работ в условиях автоматизированной обработки данных.

Напомним, что организационные системы классифицируются по:

·    динамическим свойствам – одновариантные и многовариантные;

·    сложности технических систем, сочетающихся с организационными – системы малого, среднего и большого масштаба;

·    используемым динамическим моделям – системы с сетевыми, линейными и другими моделями.

В качестве методологической основы для разработки организационной системы испытаний используются методы исследования операций [13].

Завершая предварительные обсуждения возможной структуры системы ТПИ, необходимо конкретизировать круг задач, реализуемых в процессе испытаний (или с точки зрения системного подхода установить границы исследуемой проблемы).

В структуре ТПИ различают:

-   отдельные функции испытаний (функциональная декомпозиция);

-   объект испытаний (объектная декомпозиция);

-   технологию испытаний (технологическая декомпозиция).

Сразу следует оговорить, что в настоящей статье рассматривается технология испытаний агрегатов и изделий РКТ, что, по сути дела, и является объектной декомпозицией системы, на основе которой в дальнейшем предполагается объектная декомпозиция моделей при проведении имитационного моделирования. Функциональная декомпозиция представлена на рисунке 3.

Технологическая декомпозиция отражает спектр автоматизированных методик испытаний (типовые технологические процедуры и алгоритмы их реализации) и средства испытаний.

Другими словами, технология испытаний {Т} есть множество, которое образуется из объединения элементов множеств  и :

,                                                (1)

где  включает: методы испытаний как совокупность технологических процедур по определению характеристик свойств объекта испытаний и формированию результатов испытаний; условия испытаний; алгоритмы выполнения операций; форму представления данных; определение точности испытаний;  включает любые технические средства, применяемые при испытаниях, в том числе испытательное оборудование, вспомогательные технические устройства, вещества и материалы, применяемые при испытаниях, и др.

На практике на различных этапах разработки ТПИ выполняется простое соединение специфических методик и операций, часто рассматриваемых изолированно друг от друга. Принимаемые технические решения не проверяются на предмет того, как варьировались бы результаты испытаний в зависимости от эффективности этих решений. Влияние субъективных факторов на выбор методик и оборудования для проведения испытаний, а также ограниченность временного ресурса являются основными причинами материальных потерь в результате неоптимального планирования и проведения испыта- ний [14,15].

Проведенный анализ функциональных задач в системе изготовления изделий РКТ позволяет выполнить технологическую декомпозицию в виде, представленном на рисунке 4.

Элементы технологической декомпозиции объединяются далее в блок методо-ориентированных модулей.

Анализ и структуризация информационного пространства задач, решаемых при ТПИ с целью разработки концептуальной модели предметной области, показал, что информационная среда может быть сведена к набору основных информационных объектов, представляющих собой проблемно-независимые модули и предметно-ориентированные модули: методо-ориентированные и проблемно-ориентированные.

Композиция функциональных задач ТПИ (рис. 3), основных информационных модулей и средств испытаний позволяет разработать концептуальную модель ТПИ, представленную на рисунке 5, при этом использованы те же обозначения, что и на рисунке 3.

Напомним, что с точки зрения системного подхода ТПИ является моделью получения и обработки данных в процессе испытаний. Как и при создании любой интегрированной системы обработки данных, необходимо организовать системное взаимодействие в рамках единой концепции ТПИ способов представления данных, языка, сетевых моделей различного уровня и методов информационной поддержки технологических подсистем (рис. 5) на основе математических моделей и методов имитационного или физического моделирования.

С помощью формального моделирования процессов испытаний может быть осуществлена оптимизация процесса обеспечения заданного качества изделий РКТ. При этом формализованная стратегия подхода к разработке методов имитационного моделирования в системе ТПИ может быть представлена в виде алгоритма, приведенного на рисунке 6.

Таким образом (в развитие рис. 1), модель  системы ТПИ формально может быть описана набором

,                                                     (2)

где  – совокупность функциональных задач ТПИ, объединенных соответственно в группы функций: планирование, оперативное управление, накопление и хранение данных, контроль;  – набор моделей обработки данных (состав элементов проблемно-независимых информационных модулей);  (или  в (1)) – набор типовых технологических процедур испытаний и логических правил их объединения по решаемой задаче (состав элементов методо-ориентирован- ных модулей);  – набор моделей предметной области исследований (состав элементов проблемно-ориентированных модулей);  – состав технических средств испытаний.

Как уже отмечалось, “продвижение” испытаний на самые ранние стадии проектирования с целью непрерывного контроля агрегатов и систем является эффективным средством повышения качества изделий РКТ в целом, но требует развития методологической базы и расширения возможностей программно-математического обеспечения.

Фрагменты типовой структуры ТПИ на примере комплексного представителя динамических свойств ракет-носителей, коим являются электрогидравлические сервоприводы (ЭГСП), или рулевые машины (РМ) как исполнительные элементы рулевых трактов (хвостовых отсеков) ракет-носителей, показаны на рисунке 7.

Кроме этого, спроектирован, изготовлен и введен в эксплуатацию динамический стенд имитационного моделирования рулевых трактов систем управления изделий РКТ в рамках ТПИ.

В результате можно сформулировать следующие выводы.

1.   Проведена оценка современного уровня развития методов и средств создания информационной основы интегрированной системы проектирования, конструирования, изготовления и испытаний изделий РКТ.

2.   На основе проведенной декомпозиции функциональной структуры системы изготовления изделий РКТ, отражающей функциональную, объектную и технологическую модели в системе ТПИ, осуществлен синтез предметной области процесса испытаний.

3.   Разработана концептуальная модель системы ТПИ и формализована на теоретико-множественном уровне в виде модели абстрактной системы.

4.   Предложен типовой комплексный представитель динамических свойств ракет-носителей тяжелого класса для проведения автономных и комплексных испытаний на динамических стендах в рамках технологической подготовки испытаний изделий РКТ.

Список литературы

1. Недайвода А.К. Технологические основы обеспечения качества ракетно-космической техники. - М.: Машиностроение, 1998. - 240 с: ил.

2. Павлов В.В. Структурное моделирование производственных систем. ‑ М.: Мосстанкин, 1987. ‑ 80 с.

3. Сапожников В.М. Монтаж и испытание гидравлических и пневматических систем летательных аппаратов. ‑ 2-е изд., доп. и перераб. ‑ М: Машиностроение, 1984. ‑ 256 с.

4. Налимов В.В., Голико- ва Т.И. Логические основания планирования эксперимента. ‑ 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Металлургия, 1981. ‑ 151 с.

5. Налимов В.В. Таблицы планов эксперимента: для факторных и полиномиальных моделей. / Под. ред. В.В. Налимова ‑ М.: Металлургия, 1982. ‑ 180 с.

6. Недайвода А.К. Теоретические основы натурной отработки ракет-носителей. ‑ СПб.: Политехника, 1996. ‑ 256 с.

7. Шпур Р, Краузе Ф.-Л. Автоматизированное проектирование в машиностроении / Пер. с нем. Г.Д. Волковой и др. (Под. ред. Ю.М. Соломенцева, В.П. Диденко). ‑ М.: Машиностроение, 1988. ‑ 648 с.

8. Свиридов А.Н. Измерение касательных напряжений при исследовании процесса обжатия поверхностей пульсирующим потоком жидкости. // Вестник машиностроения. – 1993. – №1. ‑ С. 34-36.

9. Тимиркеев Р.Г. Вопросы идентификации технологических испытаний оборудования. ‑ М.: НИАТ, 1994.

10. Альбрехт А.В., Бизяев Р.В., Владимиров А.В., Бата- лин Н.Н., Пущенко Н.Н. Информационная модель сопровождения лабораторно-стендовой отработки изделий РКТ // Общерос. науч.-техн. журн. "Полет". - М.: Машиностроение. - 2004, №1. - С 47-53.

11. Недайвода А.К., Альбрехт А.В., Шолом А.М. Физические процессы в пневмогидросистемах ЖРДУ: Учебное пособие. – Ч. 1: Системы наддува. ‑ М.: МАТИ, 1996. ‑ 156 с.

12. Поспелов Д.А. Логико-лингвистические модели в системах управления. ‑ М.: Машиностроение, 1981. ‑ 164 с.

13. Таха Х. Введение в исследование операций: В 2-х кн. / Пер. с англ. В.Я. Алтаева, В.Т. Вавилова, В.С. Даниоина, В.И. Мо-торина ‑ М.: Мир, 1985. - Кн. 1. ‑ 479 с.; Кн. 2. ‑ 496 с.

14. Круглов В.И. Оптимизация программ летных испытаний. // Сб. тез. науч.-техн. конф. МАТИ. ‑ М.: МАТИ, 1981.

15. Круглов В.И., Александровская Л.Н., Григорьев Г.И. Современные методы оценки показателей качества и надеж- ности изделий машиностроения: Учебное пособие ‑ М.: МАТИ, 1992 ‑ 80 с.

16. Месарович М., Мако Д., Такахара И. Теория иерар- хических многоуровневых систем / Пер. с англ. ‑ М.: Мир, 1973. ‑ 344 с.