Методика прогнозирования характеристик технических систем регионального мониторинга

При организации хозяйственной деятельности в регионе, при решении вопросов безопасности и предупреждения естественных и искусственных неблагоприятных и катастрофических событий необходим мониторинг природной среды.

В настоящее время для решения таких вопросов привлекаются значительные ресурсы, используются космические системы регионального мониторинга, во многих странах реализуются программы создания собственных средств мониторинга на основе доступных технологий. Такой подход дает ряд преимуществ, в частности, позволяет гарантировать необходимое информационное обеспечение при изменении рыночных отношений, способствует научно-техническому развитию, быстрому освоению новых технологии в регионе (в стране), позволяет формировать систему регионального мониторинга с учетом конкретный требований и задач, в определенных условиях позволяет экономить ресурсы на получение необходимой информации.

Для реализации такого подхода на начальном этапе формирования проекта необходима оценка технико-экономических характеристик перспективных технических систем регионального мониторинга (ТС РМ), определение рациональных параметров основных подсистем.

Особенностью решаемых в этом случае задач является необходимость учета фактора времени и динамики связей, оценки влияния унификации подсистем на характеристики объекта (КА наблюдения), а также необходимость комплексного технико-экономического исследования характеристик при наличии ограничений.

В известных работах и литературе по этой проблеме [1−5] основное внимание уделяется анализу систем наблюдения, определению функциональных, массовых и энергетических характеристик объектов.

Вопросы прогнозирования характеристик перспективных ТС РМ, оценки 5 влияния динамики функциональных связей на технико-экономические характеристики системы исследованы недостаточно.

Целы работы.

Разработка математических моделей, создание методики прогнозирования характеристик перспективных космических аппаратов наблюдения (КАН) в составе ТС РМ для обобщенной (укрупненной) оценки и оптимизации параметров системы (параметров орбиты, линейного разрешения, время существования, оперативность и др.) по комплексному критерию затраты, функциональная эффективность, время (С-?-Т);

— исследование влияния функциональных ограничений, динамики связей внешних и внутренних, требований к системе на характеристики проекта.

Техническая система регионального мониторинга (ТС РМ) включает две подсистемы: наземную (наземный комплекс приема и обработки результатов — НКПОР и наземный комплекс управления — НКУ) и космическую (космические аппараты наблюдения — КАН).

В настоящей работе предметом исследования является КА наблюдения в составе технической системы регионального мониторинга, объектом исследования методика прогнозирования технико-экономических характеристик перспективных технических систем регионального мониторинга.

В работе исследуется характеристики перспективных КАН в составе ТС регионального мониторинга, т. е. полагается, что заданы параметры наземной системы. Предлагаемые математические модели и методика позволяет определить рациональный состав и параметры КАН в ТС РМ, при которых выполняется целевая задача (по периодичности наблюдения,, Е/Н и др.) и затраты средств на реализацию проекта — минимальны. При этом для снижения затрат и сроков реализации проекта используются типизация и унификация подсистем.

Основные научные результаты работы:

Разработаны математические модели для реализации конструктивного (нормативного) прогнозирования перспективных систем РМ. По сравнению с исследовательским прогнозированием, когда на основе опытных данных проводится оценка характеристик перспективной системы прямой экстраполяцией значений показателей к моменту прогноза, такой подход позволяет учитывать влияние фактора времени реализации проекта, а также динамику связей внешних и внутренних на решение. В таком случае при исследовании перспективной техники можно найти рациональное проектное решение при наличии ограничений.

В работе сформирована методика прогнозирования технико-экономических характеристик перспективных проектных решений КАН в ТС РМ с оптико-электронной системой (панхроматической съемочной системой — ПСС). Методика позволяет вести сравнительный анализ и выбор рациональных проектных решений, оценить влияние функциональных ограничений на решение. Используемые математические модели могут быть адаптированы при изменении состава МЦА и УКП.

Проведено исследование влияния количества камер ПСС в МЦА на технико-экономические характеристики перспективных КАН. Определена зависимость затрат на проект от величины пространственного разрешения, количества камер на борту и количества КАН в ТС РМ. Получены количественные оценки влияния срока реализации проекта (время прогноза) на технико-экономические показатели перспективной техники.

Практическая ценность полученных результатов.

Сформированная в работе методика прогнозирования технико-экономических характеристик перспективных проектных решений КАН в ТС.

РМ с оптико-электронной системой (панхроматической съемочной системой — ПСС) позволяет вести сравнительный анализ и выбор рациональных проектных решений, оценить влияние функциональных ограничений на техническое решение. Используемые математические модели могут быть адаптированы при изменении состава МЦА и УКП и, таким образом, расширен состав анализируемых технических решений (т.е. расширены возможности методики).

Результаты проведенных исследований технико-экономических характеристик перспективных КАН и полученные зависимости технико-экономических показателей от принимаемых проектно-плановых решений могут быть использованы при формировании технических заданий на разработку перспективной техники, при определении ряда унифицированных подсистем для построения ТС РМ.

Достоверность полученных результатов.

В основу предложенных математических моделей и методики прогнозных исследования КАН в составе ТС РМ положен опыт реализации проектных разработок, приемы формирования статистических (эмпирических) моделей, и, в частности, регрессионный метод, который используется при формировании динамических статистических моделей. Адекватность соответствующих проектных зависимостей оценивается сравнением со статистическими данными, а также с результатами исследований других авторов.

В целом достоверность предложенных методик, моделей и алгоритмов подтверждена при выполнении численных расчетов и сравнительных оценок параметров КА с характеристиками, реализованными на практике, а также при исследовании закономерности создания перспективных модификаций ТС РМ.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, 4 разделов основного текста, заключения, списка использованных источников и приложения. Объем диссертации 147 стр., 21 таблиц, 50 рисунков.

Список использованных источников

содержит 39 наименований. В приложении приведена программа расчета характеристик перспективных КАН в составе ТС РМ.

Выводы:

Таким образом методика прогнозирования характеристик технической системы регионального мониторинга позволяет получить количественные оценки технико-экономические показательней перспективных КАН, исследовать влияний условий реализации проекта на показатели эффективности и затраты на проект.

Результаты проектного расчета могут быть использованы на практике при формировании КАН ТС РМ с использованием унифицированных подсистем и в случае проведения поверочных расчетов.

4.2 Исследование влияния фактора времени на характеристики перспективных средств регионального мониторинга.

Разработанная методика позволяет провести на исследование влияния фактора времени на изменении технико-экономических характеристик КАН на величину затрат, необходимых для реализации проекта.

Фактор времени необходимо учитывать при переносе срока реализации проекта, при снижении длительности процесса разработки, производства техники, при увеличении сроков эксплуатации, при решении вопросов модернизации системы ТС РМ в планируемый период.

Остановимся в данном случае на двух моментах. Проведем количественную оценку влияния длительности процесса реализации проекта на затраты, которые потребуется при реализации этого проекта. Рассмотрим как влияет перенос срока реализации проекта (увеличение тпр) на оценку техникоэкономических характеристик создаваемой техники. В последнем случае прогнозный анализ позволит установить влияние научно-технического процесса и динамики внешней связей на решение.

4.2.1 Оценка влияния длительности процесса реализации проекта создания ТС РМ на приведенные суммарные затраты.

На рисунке 4.15 показан граф реализации проекта, а также изменение затрат при разработке, создании и эксплуатации техники. В данном случае выделен этап разработки и создания КАН и наземной системы (НС). В конце этого этапа проводится формирование системы (выведение КАН на орбиту). Доставка КАН на орбиту связана со значительными единовременными затратами (см. рисунок 4.15). Затем следует этап эксплуатации в течение планируемого срока.

КАН.

НС. с" г.

Рисунок 4.15 — Граф процесса и закон изменения затрат при реализации проекта создания КАН.

Изменение длительности реализации проекта связано с увеличением времени разработки и создания ТС РМ. Увеличение сроков разработки и создания может быть обусловлено разными причинами. Это недофинансирование проекта, что приводит к увеличению сроков выполнения работ. Это срыв сроков поставки комплектующего оборудования, внесшие изменений технических, организационных в проект и др. Увеличение срока реализации проекта, как показывает анализ модели затрат, проводит к приводит к изменению величины дифференциальных затрат на эксплуатацию КА и НС, а также к увеличению временных интервалов приведения затрат.

Расчеты показывает, что при увеличении срока реализации проекта растут суммарные приведенные затрата на проект (см. рис.4.16). При увеличении срока реализации в 1,5 раза суммарные приведенные затрат растут на 21.6%.

1,50Е+07 -1.00Е+07.

3.0ЭЕ-33 Н.

Рисунок 4.16 — Изменение суммарных приведенных затрат при увеличении длительности процесса реализации проекта.

Если нормативный коэффициент Е, который определяет процентную ставку на вложенный капитал, увеличивается, то растут приведенные затраты и, одновременно, темп приращения затраты при изменении длительности реализации проекта также возрастает. Эти моменты необходимо учитывать при формировании программы и организации работ над проектом.

4.2.2 Анализ влияния фактора времени гщ на характеристики перспективного КАН в ТС РМ.

Выше, при оценке массовых характеристик КАН использовались зависимость вида.

4.1).

Это было справедливо при краткосрочном прогнозировании технико-экономических характеристик КАН. Однако, в случае среднесрочного прогнозирования (с упреждением на 7−10 лет период) необходимо учитывать фактор научно-технического прогресса т. е. необходимо учитывать время реализации проекта.

Анализ показывает, что в этом случае имеет место динамика технико-экономических показателей, используемых при оценке характеристик перспективных КАН в ТС РМ. В таком случае при оценке массовых характеристик цсс перспективных КАН используются зависимости вида.

К мц. сс = / ЩI Я**. ъ)> (4>2).

ПщССвектор параметров, определяющий тип, и состав ЦСС, время реализации проекта.

Ниже рассмотрим вопросы получения зависимости (4.2) для оценки массовых характеристик перспективных ЦСС (ПСС), а также рассмотрим вопросы оценки технико-экономических характеристик перспективных КАН в ТС РМ.

Для заданного типа и состава ЦСС Я|сс = П^. масса ЦСС зависит от двух факторов (параметров) й -.

При формировании зависимостей такого типа на основе статистических данных по прототипам за предысторию могут использоваться разные приемы (см. раздел 1). Воспользуемся в данном случае методом формирования динамических статистических моделей (ДСМ) вида т = (4.3).

Где а (1)~ функции, определяющие изменение коэффициентов зависимости (4.3) от время реализации проекта.

Такой подход в ряде случаев, позволяет более адекватно учитывать изменение ценности опытных данных, распределенных по времени,(в нашем случае массы ЦСС) на оценку характеристики при прогнозировании.

Реализации методы формирования ДСМ включает следующие этапы.

Этап 1: Проводится формирование зависимостей ж = /, для выделенных временных сечений (временных интервалов). Время предыстории Т, на котором определена данные по образцам прототипа, разбивается на п7 интервалов. Ширина каждого интервала.

Для каждого временного интервала из общего массива статистических данных проводиться выборка соответствующего подмножество данных по прототипам. Используя последние, с помощью метода регрессий определяются коэффициенты эмпирических зависимостей заданного вида Я.

Где tr время конца i-ro интервала (- — п), a (t|) -значения коэффициентов статистических (эмпирической) зависимости для i-ro временного интервала.

Этап 2. Проводится анализ динамики значений коэффициентов a (tt). На основе полученных в п. 1 расчетны оценок (множества (ait,), t.) устанавливается зависимость, а = a (t).

Например, в простейшем случае, это линейная зависимость, а = 'а + h * ?

Тогда зависимость (4.3) для проведения перспективных проектных исследований примет вид.

Индекс / - номер коэффициентов.

Точность прогнозных оценок зависит от точности определения для любых /.

В свою очередь, точность коэффициентов зависит от :

— точности статистических данных, используемых для формирования зависимостей R ш = /" (-, a (ti))1 на I — ых интервалах,.

— объема статистических данных на каждом интервале,.

— числа интервалов п,.

— времени t.

В работе [ 34 .] более подробно изложены вопросы оценки точности при реализации динамических статистических моделей. Показано, в частности, что может быть найдена рациональная величина AT, при которой точность прогноза массовых характеристик будет максимальная.

Ниже проиллюстрируем применение метода формирования ДСМ на примере получение зависимости и прогнозной оценки масса целевой съемочной системы (ПСС).

Будем полагать, что зависимость масса ЦСС от величины R/H носит степенной характер, на любом временном интервале:

Исходные статистические данные по прототипам ПСС за период 19 932 000 г представлены в таблице (4.1).

Заключение

.

1. Разработаны математические модели для реализации конструктивного (нормртивного) прогнозирования перспективных систем РМ. По сравнению с исследовательским прогнозированием, когда на основе опытных данных проводится оценка характеристик перспективной системы путем прямой экстраполяции значений показателей к моменту прогноза, такой подход позволяет учитывать влияние фактора времени реализации проекта, а также динамику связей внешних и внутренних (ограничений) на решение. В таком случае при исследовании перспективной техники можно найти рациональное проектное решение при наличии ограничений.

2. Сформирована методика прогнозирования технико-экономических характеристик перспективных проектных решений КАН в ТС РМ с оптико-электронной системой (панхромотической съемочной системой — ПСС). Методика позволяет вести сравнительный анализ и выбор рациональных проектных решений, оценить влияние функциональных ограничений на решение. Используемые математические модели могут быть адаптированы при изменении состава МЦА и УКП.

3. Проведено исследование влияния количества камер ПСС в МЦА на техникоэкономические характеристики перспективных КАН. Определена зависимость затрат на проект от величины пространственного разрешения, количества камер на борту и количества КАН в ТС РМ. Получены количественные оценки влияния срока реализации проекта (время прогноза) на технико-экономические показатели перспективной техники.

4. Сформированная в работе методика прогнозирования технико-экономических характеристик перспективных проектных решений КАН в ТС РМ с оптико-электронной системой (панхромотической съемочной системой — ПСС) позволяет вести сравнительный анализ и выбор рациональных проектных решений, оценить влияние функциональных ограничений на техническое решение.