Метод системного проектирования космических аппаратов на основе теории гомеостатического управления

Одним из основных требований, предъявляемых к современным космическим аппаратам, является автономность [43, 60, 61], т. е. способность достаточно длительное время выполнять свое назначение без управления оператором. Это является проявлением одной из тенденций развития современной техники. Аналогичные требования предъявляются ко многим видам современных и перспективных технических систем (автономные подводные аппараты [39], разновидности робототехнических устройств и т. п.). Активное развитие мехатроники [104, 108, 117] также следует отнести к проявлению этой тенденции.

Обеспечение автономности при управлении современными космическими системами обусловлено необходимостью уменьшения эксплуатационных затрат. Использование развитой наземной инфраструктуры [1, 46], включающей в себя Центр управления полетами, многочисленные командно-измерительные пункты (оснащенными дорогостоящими образцами передающих и приемных радиосистем и вычислительной техники), высоконадежные каналы связи между ними и т. п. для постоянного вмешательства в ход простейших процессов на борту КА существенно снижает рентабельность эксплуатации космической техники.

Требование автономности означает, что техническая система, за счет алгоритмического обеспечения должна находить, при достаточно широко меняющихся внешних условиях, возможности целенаправленного функционирования и выбирать из них оптимальные. При этом на нее накладываются жесткие, подчас директивные, ограничения на массу, размеры, энергопотребление и т. п., что, в свою очередь, ограничивает функциональные возможности. Такие требования к устройству и функционированию порождают проблему, обусловленную тем, что используемая в настоящее время методология проектирования, основанная на графическом моделировании, не обеспечивает необходимую поддержку, особенно на начальных этапах разработки. Однако именно на этих этапах принимаются основные решения по устройству вновь создаваемых изделий [112, 113]. Таким образом, возникает необходимость развития теоретической и методической поддержки принятия проектных решений.

Проектирование можно определить как процесс формирования замысла изделия и его отработки до такой степени достоверности, когда можно будет принять решение об изготовлении. Как вид деятельности оно проявилось в середине XIX века, когда был сделан переход к использованию моделей для поиска технического решения задач. Именно тогда основой для выполнения технического объекта стала детальная практическая модель1 изделия — его проект [32, 72].

Первым общепринятым видом проектной модели стал масштабный графический чертеж. «Принципиальная разница между этим ныне общепринятым способом разработки формы для изделий машинного производства и предшествовавшей ему эволюцией форм в кустарных промыслах заключается в том, что здесь поиск методом проб и ошибок отделен от производства, что эксперименты и изменения проводятся на масштабном чертеже, а не на самом изделии» «[35].

Благодаря этому, разработчики, при проектировании, обладают большей свободой при выборе технических решений, чем при кустарном способе производства. Формирование проектной модели допускает разнообразие вариантов замысла и его исполнения, а модельный способ разработки устройства, в силу невысокой, по сравнению с натурным изготовлением, трудоемкости, позволяет их прорабатывать до такой степени подробности, которая допускает обоснованный выбор наиболее удачного варианта.

За более чем столетнюю историю своего развития методология проектирования, основанная на чертежном методе, претерпела многочисленные изменения. Самым значительным можно рассматривать автоматизацию, обусловленную развитием вычислительной техники. Разработаны инструментальные средства.

1 Особенность проекта как вида модели состоит в том, что он одновременно отображает не только тот способ, с помощью которого достигается намеченный результат, но и устройство изделия, причем таким образом, чтобы однозначно был понятен процесс его изготовления.

2 Известно, что Царскосельский дворец шесть раз срывался, пока не был построен в виде, удовлетворившем заказчицу — императрицу Елизавету Петровну.

САПР, реализующие CAD/CAM-технологии (например, AutoCAD, I-DEAS, KATIA и т. п.)3 [8, 23, 84, 103].

Однако исторический анализ, проведенный в монографии [35], показал, что технологии проектирования, основанные на графических методах, уже устарели. Это, в первую очередь, выражается в том, что чертежное моделирование не обеспечивает достаточной степени формализации при проектировании современных технических систем, особенно на начальных этапах [112, 113]. Это обусловлено тем, что чертежно-графическое моделирование сложилось в период разработки механических изделий. Описания формы изделия, его составных частей и их движения было достаточно для характеристики их назначения и работы. Формирование замысла такого изделия базировалось на пространственном воображении. И графическая модель, описывавшая пространственные формы, — чертеж обеспечивала достаточную поддержку для понимания того, что представляет собой и как работает изделие в целом, как оно устроено и как его изготовить. Самые начальные фазы возникновения замысла фиксировались в виде формы создаваемого объекта, его деталей и их совместной работы в соответствии с назначением.

Усложнение техники счет увеличения масштабности: роста размерности и номенклатура составляющих, увеличения мощности используемых сил привело к усложнению требований к графической модели проектируемых изделий. Они уже не характеризовались как механизмы или конструкции, а представляли собой сложную комбинацию отдельных механизмов и конструкций. И для характеристики завершенного облика такого искусственного объекта стало применяться понятие «система» [24, 110]. Для графической модели таких изделий уже потребовался комплект чертежной документации, включавший в себя чертежи общего вида, компоновки отсеков и узлов, отдельные деталировки. «Неохватность» визуальным восприятием столь сложно устроенного объекта качественно усложнила принятие решения о переходе к изготовлению. Это увеличивало требования к расчетным.

3 Регулярные публикации по этому направлению осуществляются в журналах «САПР и графика» (www.sapr.ru). «CAD/CAM/CAE observer» («www.cadcamcae.lv'). «Автоматизация методам. Кроме оценки отдельных характеристик они должны были давать критерий завершенности модели в целом. Формирование такого критерия было одной из причин возникновения различных системных методов: системотехники [33, 73], системного анализа [68], системологии [44] и т. п.

Современные технические системы стали значительно сложнее. Это выражается не только и не столько в росте их размерности, но и в том, что их работа построена на использовании более широкого круга взаимодействующих процессов4 (механических, газодинамических, тепловых, электромагнитных и др.). Космические аппараты представляют собой одну из разновидностей таких сложных полиэнергетических систем, в работе которых необходимо обеспечивать взаимодействие механических, тепловых, электрических и т. п. взаимодействий, И в этом случае, чертеж, модель, которая может отображать только формы проектируемого изделия, уже не позволяет охарактеризовать его замысел.

Безусловно, графическое отображение применяется для описания других составляющих взаимодействий (например, электрические схемы), но именно самих по себе. Проблема состоит в том, что сам замысел современной космического аппарата как технической системы основывается на взаимодействии разнородных процессов. И чертеж, в силу присущих ему свойств не может отобразить это.

Таким образом, развитие техники привело к тому, что для формирования замысла создаваемого изделия возникла необходимость в подходах, методах, выходящих за рамки возможностей чертежного моделирования. Вместе с тем недостаточность чертежного моделирования для поддержки формирования замысла стала причиной того, что эта составляющая процесса проектирования стала выводиться за его рамки, отделяться от него. Можно отметить многочисленные упоминания о «дочертежных» предпроектных исследованиях, об исследовательском проектировании и т. п. [11]. проектирования" (хууууу.ОБр.ги/арЛ.

Обзор литературы, посвященной проблеме проектирования в ее современном понимании, показывает, что в период 60−80-х гг. XX в. произошел критический пересмотр методологии проектирования [3, 4, 6, 35, 37, 47, 99, 100, 114, 116, 119, 121, 122 и др.]. Различные методы: «мозговой штурм», синектика, морфологический анализ, фундаментальный метод Мэтчетта, методология Щедровицкого, ТРИЗ, — разработанные и предложенные в эти годы, обратили внимание не только на «дочертежную» составляющую процесса проектирования, но и на необходимость новых подходов к постановке вопросов. Можно отметить и то, что ряд вновь сформировавшихся научных дисциплин: исследование операций, линейное программирование, системный анализ [69], системотехника [33, 73] и т. п. — так же были связаны с обеспечением «предпроектного» моделирования и исследовательских постановок задач, не поддерживаемых в рамках чертежной методологии.

Указанные выше методы: «мозговая атака», синектика, фундаментальный метод Мэтчетта, методология Г. П. Щедровицкого, ТРИЗ и т. п. можно рассматривать как попытку обойтись без модельной поддержки при формировании замысла за счет фокусированной активизации мыслительных возможностей. Анализ их содержания показывает, что преимущественное внимание уделяется эвристической выработке проектного решения. Такой характер этих методов нашел отражение в определениях проектирования, выдвинутых их создателями. Так Г. П. Щедровицкий определял проектирование как перенос продуктов мышления из действительности мышления в реальность [100]. Известны так же трактовки проектирования как «осуществления очень сложного акта интуиции» [115], «вдохновенного прыжка от фактов настоящего к возможностям будущего» [118], «творческой деятельности, которая вызывает к жизни нечто новое и полезное, чего ранее не существовало» [120].

Однако, возможности эвристических методов не безграничны и, как показано в [35], ни один из них не рассматривается как схема.

4 Хотя понятие сложности в отношении технических систем не имеет строгого определения, указанные факторы безусловно являются его составляющими. процесса проектирования в целом, поскольку для отработки замысла все равно необходима модель изделия. И эвристические методы, в силу того, что при их разработке вопросы модельной поддержки процесса проектирования не ставились, не привели к разрешению возникшей методологической проблемы. Вместе с тем, активное развитие и применение эвристических методов можно рассматривать как реакцию на отставание в развитии формализованных подходов.

Таким образом, нельзя говорить о том, что в этих исследованиях была полностью решена проблема обновления методических подходов к проектированию современных сложных технических систем. Разработка процедуры и соответствующего подхода к ее модельному обеспечению для проектирования сложных технических систем, к которым предъявляется требование автономности, является целью настоящей работы и обуславливает ее актуальность.

Объектом исследования в диссертационной работе является космический аппарат, способный достаточно длительное время функционировать без вмешательства оператора. Предметом исследования — процесс проектирования как методическая последовательность формирования требований к частям и характеристикам КА.

К фундаментальным разработкам, открывшим новые возможности модельной поддержки процедуры проектирования, следует отнести идеи A.A. Богданова [18], JI. фон Берталанффи [14, 107], П. К. Анохина [7], Н. Винера [24, 25], развивших представление о том, что все происходящее в мире можно рассматривать с точки зрения системной организации и управления. При этом обоснованный A.A. Богдановым тезис: «Механизм — это понятая организация», — раскрывает смысл перехода от чертежно-графических к новым методам моделирования.

Эти положения позволяют использовать для решения проблемы модельной поддержки процесса проектирования аппарат современной теории управления. В качестве конкретного направления выбрана теория гомеостатического управления [19, 31,.

75]. Это обусловлено как перспективностью ее модельных возможностей, так и глубокой теоретической проработкой.

Особую роль в решении проблемы модельной поддержки проектирования играют работы С. П. Никанорова, создавшего школу концептуального проектирования [68 — 72]. Разработанные им теоретические положения открывают новые возможности содержательного понимания начальных этапов разработки искусственных систем, в частности космических аппаратов, и их технологизации.

Предварительные поисковые исследования показали, что целью работы является повышение качества проектирования космических аппаратов путем формализованного учета влияния факторов, учитываемых эвристически.

В результате предварительных изысканий были сформулированы и задачи исследования, результаты решения которых определили положения, которые вынесены на защиту.

1. Постановка задачи проектирования космического аппарата как синтеза управления процессом достижения цели полета, включая управление функциональным состоянием.

2. Модель гомеостатической формы структурно-функциональной организации систем.

3. Интегративно-функциональный подход к описанию технических систем.

4. Методическая схема проектной разработки на основе интегративно-функционального подхода.

5. Формализованная запись математической модели функционирования космического аппарата и ее решения, полученные на основе интегративно-функционального подхода, обслуживающие схему проектирования.

Новизна исследования состоит: в разработке теоретико-системной концепцииинтегративно-функциональном подходе, позволяющем использовать описание гомеостатической формы структурно-функциональной организации при построении системной модели функционирования космического аппарата;

— в получении вида записи системы дифференциальных уравнений, описывающих функционирование космического аппарата с учетом управления его функциональным состоянием и общий вида решения этой системы уравнений, основанном на математическом описании гомеостатической формы структурно-функциональной организации;

— в разработке методической последовательности системного проектирования КА, включающей в себя методики построения концептуальной и математической моделей.

Практическая значимость работы заключается в обеспечении теоретической и методической поддержке процесса проектирования космических аппаратов, начиная с ранних стадий, что позволяет избежать перебора вариантов устройства и снизить трудоемкость проектирования.

Применение разработанного метода позволяет:

— уменьшить степень эвристичности принятия решений при проектировании космических аппаратов;

— определять состав и характеристики проектируемого космического аппарат исходя из имитационной модели, описывающей достижение им цели полетапроводить комплексную оценку эквифинальности достижения космическим аппаратом цели полета.

Трактовка технической системы как интегративного механизма управления создает основу для ее структурно-функционального исследования, недоступную в рамках визуально-графических представлений.

Интегративно-функциональный подход позволяет сформировать конструктивные методы исследования и синтеза технических систем в виде последовательности функционально обусловленных аналитических и синтетических операций.

Методы математического моделирования технической системы создают возможность оснащения технологии их проектирования алгоритмическим и программным инструментарием, что является необходимым условием промышленного использования таких технологий. и.

Результаты работы докладывались на IV международной конференции «Математика, компьютер, образование», (Пущино, 1997 г.) — на международной научно-практической конференции «Управление большими системами» (Институт проблем управления РАН, 1997 г.) — на II межведомственном научно-практическом семинаре «Проблемы и технологии создания и использования космических систем и комплексов на базе малых КА и орбитальных станций» (ГКНПЦ им. Хруничева, 1998 г.) — на международной конференции, посвященной 60-летию Института проблем управления РАН (1999г.) — на чтениях памяти К. Э. Циолковского (1999г.) — на международной конференции «Теория активных систем» (Институт проблем управления РАН, 1999 г.) — на чтениях памяти пионеров космонавтики (Москва, 2000 г.), на 18-ом Международном постояннодействующем семинаре (WOSC) «Гомеостатика живых, природных технических и социальных систем" — на семинаре кафедры проектирования и конструкции летательных аппаратов Московского авиационного института (2000г.), на III аэрокосмическом конгрессе (Москва, 2000 г.), на международной конференции SICPRO-2000 (Институт проблем управления РАН, 2000 г.), на I выставке-конференции «CAD/CAM/PDM-2001» (Институт проблем управления РАН, 2001 г.), на международной конференции «Параллельные вычисления» (Институт проблем управления РАН, 2001 г.), на международной конференции «Когнитивный анализ и управление развитием ситуаций» (Институт проблем управления РАН, 2001 г.), «Математика, компьютер, образование», (Дубна, 2002 г.) — на между нар одной конференции «Языки науки — языки искусства» (Суздаль, 2002 г.), на международной конференции «Математика, компьютер, образование» (Пущино, 2003 г.), на международной конференции, посвященной 130-летию A.A. Богданова (Москва, 2003), на выставках-конференции «CAD/CAM/PDM-2004» (Институт проблем управления РАН, 2004 г.).

Разработка «Технология проектирования искусственных систем» выставлялась на Первом инновационном салоне (Москва, ВВЦ, 2001 г.) и получила бронзовую медаль и диплом.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 22 статьях и в сборниках тезисов 18 научных конференций. Из них 20 статей написаны без соавторов, а в остальных автору диссертации принадлежит основная идея.

Заключение

.

Исследование, проведенное при выполнении настоящей диссертационной работы, направлено на решение актуальной проблемы формализации начальных этапов процедур проектирования сложных систем. В ходе его выполнения было получено несколько результатов, представляющих интерес как для когнитивной, так и для инженерной практики. В первую очередь следует отметить решение задач исследования.

1. Сформулирована постановка задачи проектирования космического аппарата как синтеза управления процессом достижения цели полета, включая управление функциональным состоянием.

Этот результат показал возможность формирования новой постановки задачи проектирования с такой же степенью обобщенности как и ранее используемая, основанная на компоновке пространственно-временных форм.

2. Разработана модель гомеостатической формы структурно-функциональной организации систем.

Значение этого результата состоит в том, что впервые получено описание гомеостатической формы структурно-функциональной организации.

3. Разработан интегративно-функциональный подход к описанию технических систем.

Теоретико-системная концепция, названная интегративно-функциональным подходом, полученная на основе развития классических трактовок терминологического аппарата, позволяет описывать технические системы как интегративный механизм управления.

С учетом предыдущего результата получена модель технической системы как интегративного механизма управления с гомеостатической формой структурно-функциональной организации, которая используется в качестве модельной основы для процедуры проектирования.

4. Сформирована методическая схема проектной разработки на основе интегративно-функционального подхода.

Процедура проектирования представлена как последовательность операций по конкретизации исходного модельного описания создаваемого изделия. Она включает в себя методику построения концептуальной модели проектируемой системы. Разработана методика построения математической модели системы на основе ее концептуальной модели.

Сформирована общая схема проектной модели, представляющая собой форму комплекта технической документации, в которой фиксируются результаты разработки конкретной системы.

5. Разработана формализованная запись математической модели функционирования космического аппарата и ее решения, полученные на основе интегративно-функционального подхода, обслуживающие схему проектирования.

Интегративно-функциональный подход к описанию сложных систем совместно с полученным описанием гомеостатической формы структурно-функциональной организации позволили получить вид математической модели сложной технической системы как системы дифференциальных уравнений, позволяющих описывать управление целенаправленным функционированием совместно с управлением функциональным состоянием. Получен общий вид решения этой системы дифференциальных уравнений, учитывающие особенности описания гомеостатической формы структурно-функциональной организации.

В соответствии со стандартами ИСО разработка методов теоретической поддержки принятия проектных решений является одним из способов повышения качества проектирования. Проведенная разработка позволила получить теоретико-методическую поддержку на тех стадиях, на которых до настоящего времени выбор основных решений, обеспечивающих выполнение требований технических заданий, осуществлялся с помощью построения эвристических аналогий с ранее сделанными или разрабатывавшимися образцами.

Наличие достаточно подробной процедуры разработки концептуальной модели является также фактором снижения трудоемкости проекта. Формирование основных решений на этой стадии существенно снижает объем работ по математическому моделированию.

Использование более глубокого теоретического обобщения опыта об организации и управлении в организме создает сильные предпосылки для получения высококачественных решений об устройстве создаваемой системы. Они связаны с повышением уровня «интеллектуализации» управления, что обуславливает повышение автономности системы и более экономное использование ее ресурсов, что дает возможность снизить энергетические и массовые характеристики изделия.

Уже в ходе проведения исследований основные методические свойства были использованы при проектировании космических аппаратов 17Ф111, 17Ф93, космического аппарата комплекса 14К15.

В ходе разработки КА 17Ф111 за счет этого удалось уложиться в заданные сроки в условиях в ситуации, когда возникло отставание разработки от графика, грозившее срывом представления материалов эскизного проекта Межведомственной экспертной комиссии. Кроме того, за счет разработки операционной картины схемы функционирования космического аппарата удалось ликвидировать дефицит в его массовой сводке, и обеспечить соответствие общей массы изделия возможностям ракеты-носителя. Ликвидировать указанный дефицит массы при использовании традиционных методов, связанных с чертежно-графическим моделированием не удалось.

При разработке космического аппарата 17Ф93, проходившей в условиях дефицита кадров конца 80-х гг., сформированная в ходе исследования методическая схема обеспечила возможность выпуска эскизного проекта. Основной эффект был достигнут за счет того, что формализованная поддержка начальных этапов проектирования позволила значительно уменьшить количество итераций, связанных с получением всего комплекса характеристик космического аппарата.

Аналогично и при проектировании комплекса 14К15 было достигнуто снижение трудозатрат на разработку проектной документации.

В ходе исследований возможности методики были опробованы на более широком круге объектов — в частности, в приложении к организации и управлению предприятиями.

В заключение отметим, что теоретическую разработку современных системных представлений нельзя считать завершенной. Выполненная диссертационная работа позволила увидеть широкое поле для новых исследований, позволяющих найти высококачественные решения как для уже стоящих, так и для вновь возникающих задач. В качестве основного фундаментального результата, полученного в настоящей работе, можно рассматривать контекстное соединение идей JL фон Берталанффи и A.A. Богданова. Опираясь на него, можно говорить о разработке предпосылок качественного преобразования механики как концептуально-теоретической базы инженерной деятельности (при этом механика в ее классическом представлении становится частным случаем).