Методология проектного эвристико-динамичного анализа и синтеза концепции объектов морской техники

Среди специалистов по проектированию судов и средств океанотехники общепризнанным является взгляд на такие объекты как на сложные системы, состоящие из ряда подсистем нескольких уровней. В области системных методов большое значение для теории и практики проектирования морской техники имеют работы В. В. Ашика, А. В. Бронникова, В. М. Пашина, Ю. Н. Семенова и ряда других ведущих специалистов. При системном подходе подразумевается, что каждая из подсистем таких объектов выполняет определенное число функций, а их совокупность позволяет решать задачи, поставленные перед объектом [11,23,43,73,125,143,196,201].

В общей теории проектирования судов считается, что для традиционного судна среди всех его подсистем корпус выполняет самые важные функции и по степени многофункциональности превосходит остальные подсистемы, выступая и как плавучий объем, реализующий закон Архимеда, и как основной объем, внутри и на поверхности которого размещается все необходимое оборудование, и как пространственная конструкция, обеспечивающая прочность и живучесть, и как некоторая оболочка, придающая плавсредству необходимые мореходные свойства. Разработке такой концепции посвящены исследования Г. В. Бойцова, А. И. Гайковича, Г. Ф. Демешко, О. М. Палия, В. А. Постнова, Б. А. Царева и других ученых [18,23,26,44,59,68,112,149,217,234].

Итак, судно рассматривается как сбалансированная система, в которой корпус заведомо является основой для функционирования всех остальных подсистем и не всегда ориентирует проектировщика на оценку влияния остальных подсистем на всю систему. Отсюда следует, что подсистемные особенности проектируемого судна (особенно транспортных судов) в полной мере не исследуются, не выявляются, а лишь декларируются. То есть проектная модель не чувствительна к изменениям в иных (кроме корпуса) функциональных подсистемах [98,230,232]. Однако учет таких факторов актуален для сложной морской техники, например, для нефтегазопромыслового флота, состоящего из разнородных средств океанотехники и обеспечивающих судов, находящихся во взаимодействии друг с другом. Даже для классического случая доминирования подсистемы «корпус» оптимизационные модели становятся достаточно сложными.

В то же время необходимо иметь в виду, что при проектировании плавучих сооружений более сложных типов необходимо учитывать то обстоятельство, что у них имеются и обязательно проявляют свое доминирующее значение функциональные подсистемы, не относящиеся к корпусу. К ним относятся специализированные комплексы оборудования или конструкции для судов и технических средств освоения океана, гидродинамические или аэродинамические устройства скоростных судов и т. п.

Особенно это касается технических средств изучения и освоения ресурсов Мирового океана, так как плавучие сооружения такого назначения будут проектироваться и строиться во все возрастающих масштабах из-за того, что человечество уже сейчас связывает свое дальнейшее развитие с ресурсами Мирового океана [172]. Многоуровневые модели проектного анализа сложной морской техники обладают иерархической структурой и многосвязной системой прямых и обратных взаимодействий, что требует применения методов системного анализа. Его примеры даны в работах И. Г. Захарова, В. И. Михайлова, В. М. Пашина, Ю. Н. Семенова, П. А. Шауба [86,124, 143,196,241].

Аналогичную роль играет наличие большого экипажа (что свойственно ряду технических средств освоения океана — плавучие буровые установки, крановые суда, буровые платформы, трубоукладочные суда и др.) или многочисленных пассажиров (пассажирские и линейные круизные суда, суда доставки вахтовых бригад на нефтепромыслы, спасательные суда для спасения людей), когда помимо развитых надстроек и дополнительного оборудования при обосновании концепции объекта уже на самых ранних стадиях проектирования необходимо учитывать эргономико-психологические факторы, архитектурно-эстетические требования, более глубоко прорабатывать вопросы навигационной безопасности, работы людей и оборудования в особых условиях. Все это по своим последствиям требует рассмотрения проблем, связанных с влиянием характеристик объекта и его подсистем (функциональных элементов) на эффективность проектируемого объекта.

Фактически речь идет о том, чтобы на комплексной основе решать проблемы постановки задачи, разработки проектных заданий, выбора и корректировки прототипов, определения критериев, формирования логико-математических моделей и оптимизационных алгоритмов.

В то же время, даже при относительно традиционном подходе к трактовке морской техники в качестве объекта проектирования, надо учитывать, что перечисленные ранее функции самого корпуса могут находиться друг с другом в определенном противоречии. Нахождение компромиссных решений как раз и является задачей классической теории проектирования судов. Здесь имеются ввиду противоречия между требованиями грузоподъемности и ходкости, остойчивости и плавности качки и др. Оптимизационный анализ характеристик корпуса позволяет выбрать выгодные значения главных размерений корпуса проектируемого объекта, их соотношений, коэффициентов формы. Это хорошо показано А. В. Бронниковым, И. П. Мирошниченко, Ю. И. Нечаевым, Г. В. Савиновым, А. Н. Сусловым, И. В. Челпановым, рядом других исследователей. При этом считается, что в ходе проектирования остальных подсистем объекта его главные характеристики сильно меняться не придется [11,23,119,134,143,193,214,237].

Наряду с этим при проектировании объектов морской техники, у которых даже при традиционной компоновке одна из функций заведомо является определяющей (например, для спасательного судна по спасению персонала буровых платформ), дело обстоит по-иному. Тем более по-другому придется решать вопросы, связанные с удовлетворением таких требований к морской технике, которые заранее предполагают развивать внекорпусные подсистемы (например, палубные конструкции буровых платформ, надстройки крановых и трубоукладочных судов, автомобильно-пассажирског.о парома), или перейти к нетрадиционным компоновкам (судам на подводных крыльях — СПК, судам на воздушной подушке — СВП, экранопланам, плавучим буровым установкам самоподъемного или полупогружного типа, буровым платформам и др.). В этом направлении опубликованы работы К. В. Рождественского, Ю. Н. Семенова, Б. А. Царева, А. С. Портнова и других авторов [54,58,68,69,89,110,128.164,167,189, «90,199,234].

Таким образом, изменение значимости отдельных подсистем у различных проектируемых образцов морской техники может изменить сложившийся стереотип как о подсистеме «корпус», так и о других подсистемах, что внесет определенные изменения в методологию обоснования принимаемых решений. Эти изменения проявятся в следующем:

1. При появлении среди функций корпуса преобладающей, оставшиеся функции корпус не сможет выполнять удовлетворительно и может потребоваться дополнительная функциональная подсистема, либо создадутся условия для качественного изменения самого корпуса или других подсистем. В этом случае может оказаться недостаточной оптимизация характеристик одного корпуса, так как определяющим может стать влияние одной из подсистем на одну или несколько характеристик [30,44,199].

Например, преобладание функций ходкости может привести к тому, что подсистема «энергетическая установка» может стать доминирующей по балансу масс, габаритов, стоимости и пр. [57,100]. У таких судов требуется более высокая точность расчета нагрузки, иной подход к назначению запаса водоизмещения и остойчивости.

2. Если из-за особенностей назначения в составе объекта морской техники появляется развитая функциональная подсистема, то при обосновании решений она должна занять место, соизмеримое с корпусом. При этом рассматриваемые ограничения и критерии, а также схема оптимизации также будут другими [54,148].

Например, у судна с развитыми надстройками определяющая роль в вопросах вместимости будет у надстроек. К ним также перейдет приоритет при рассмотрении вопросов остойчивости, в некоторой степени управляемости, при одновременном развитии компенсирующих функциональных подсистем балластировки и подруливающих устройств. Ясно, что здесь произойдет видоизменение формы корпуса и соотношений его главных размерений [33,65].

3. При проектировании некоторых типов плавсредств, предназначенных для освоения океана, происходит качественное изменение архитектурно-конструктивного типа, при котором роль корпуса еще более снижается, его отдельные функции передаются разным подсистемам корпуса меньшего порядка или даже другим функциональным подсистемам. То есть в таком случае появляются существенные отличия от методологии проектирования обычных судов [16,17,26,63,77,171,188].

Например, у плавучей полупогружной установки, полупогружного кранового судна корпус обычного типа отсутствует и упоминавшиеся ранее функции обычного корпуса обеспечиваются иными элементами: плавучестьпогруженными понтонамивместимость — верхним корпусом и рубкой (надстройкой) — прочность — верхним корпусом, стабилизирующими колоннами и понтонамимореходные свойства — стабилизирующими колоннами и понтонами.

Для судов на подводных крыльях, используемых для доставки вахтовых бригад на морские нефтепромыслы, в расчетном режиме движения на крыльях корпус вообще временно не участвует в обеспечении плавучести, да и сама плавучесть заменяется свойством динамического поддержания, которое обеспечивается крыльями.

4. При учете новых факторов, таких как: а) Преобладание у некоторых типов плавсредств нетрадиционной производственной функции. Это может изменить приоритеты при проектировании. Например, при выборе характеристик океанографического судна, которое до 80% рейсового времени работает на океанологических станциях (то есть в дрейфе или на малом ходу при V < 5 уз). б) Вынужденно пассивная роль плавсредства по отношению к волнам, ветру, течениям и льдам. Это приводит к необходимости решать проблемы позиционирования, остойчивости, прочности и др. в) Специфика комплектования персонала, связанная в ряде случаев с преобладанием в кадровом обеспечении специалистов без морской квалификации. Это в первую очередь касается плавучих буровых установок, добычных платформ, крановых судов, трубоукладочных судов и др., на борту которых находится значительное количество буровиков, крановщиков, стропалей, сварщиков и т. д. В этом случае изменяется значимость таких подсистем, как спасательные средства, успокоители качки, средства пожаротушения. г) Повышенная опасность для человека и окружающей среды [92]. л) Длительный жизненный цикл и т. д.

Вместе с тем остаются и играют часто критическую роль все те требования, которые характерны для традиционных судов. Так для уже упоминавшихся полупогружных крановых судов совершенствование обводов понтонов (то есть замена упрощенных обводов понтонов на лекальные) может снизить волновое сопротивление при ходе на встречном волнении на 25% и более [76].

Наряду с функциональным подходом к проектированию морской техники становится целесообразным введение обозначения «объект морской техники» t объект МТ), которое позволяет более полно рассматривать проблемы начальных этапов проектирования различных морских плавучих сооружений, в том числе и судов традиционных типов. Являясь более широким, это обозначение позволяет учитывать при проектировании особенности транспортных и промысловых судов, судов служебно-вспомогательного и технического флота, а также судов и плавучих технических средств, входящих в состав нефтегазопромыслового флота. Кроме того, обозначение «объект МТ» в ряде случаев может быть отнесено к функциональной подсистеме проектируемого морского плавучего сооружения.

Возможное проявление признаков доминирования отдельных функциональных подсистем проектируемого объекта МТ требует использования дополнительных проектировочных уравнений, приводит к желательности учета ряда методологических обстоятельств, диктует необходимость в разработке иного подхода к оптимизации характеристик.

Уделяя внимание анализу функций, выполняемых объектом МТ морской техники в целом и его подсистемами, мы можем дать им более объективную характеристику, правильно сформулировать проектировочные зависимости, спрогнозировать развитие характеристик такого объекта и его подсистем.

Особо следует отметить, что выделение доминирующих подсистем (в дальнейшем — главных функциональных элементов) позволяет оценивать качественно, а в некоторых случаях и количественно, динамику структурных изменений в морской технике, повысить эффективность как самого процесса проектирования, так и проектируемого объекта. В числе работ, посвященных использованию методов системного подхода при проектировании МТ, особо следует отметить работы Ю. Н. Семенова, в которых впервые сформулированы предложения по выделению ядра объекта, а также показано за счет чего и каким образом происходит смена поколений МТ. [7,50,182,186,196.198].

В отношении используемой в работе терминологии следует сделать следующие пояснения. Как известно, под системой в самом общем смысле, понимается некоторая совокупность элементов, находящихся в отношениях и связях между собой и взаимодействующих с окружающей средой как целое.

В качестве основных в системном проектировании рассматриваются такие понятия, как собственно системаподсистема — промежуточный элемент разбиения системыэлемент — конечный элемент разбиения системысвязьфизическое или информационное взаимодействие элементов системы между собой и с окружающей средойструктура — схематическое представление модели системы, определяющее отношение элементов. Здесь и далее, если по смыслу безразлично, о промежуточном или конечном элементе разбиения системы идет речь, применяется термин «функциональный элемент» (ФЭ). Аналогичный подход принят, например, в работах [86].

Таким образом, с одной стороны, необходимым условием успешного проектирования МТ является применение функционального подхода к формированию концепции проектируемого объекта МТ. Такой подход, концентрируя внимание проектировщика на выполняемых функциях, позволяет охватывать разнообразие протекающих в системе процессов и рассматривать их в интегральном виде, как поведение системы. Универсальность функционального подхода объясняется прежде всего функциональной природой всех изучаемых явлений.

С другой стороны, полностью исследовать объект МТ только через функции невозможно из-за того, что функции реализуются лишь в определенной структуре системы. Поэтому необходим также и структурный подход, который позволяет заниматься изучением структуры в заданных условиях, определяющих отношения между системой и окружающей средой. Так как структурные отношения обладают большей устойчивостью (консервативностью), можно, абстрагируясь от связей системы с внешней средой, изучить структуру системы, то есть ФЭ и их взаимосвязи внутри системы.

Таким образом, налицо объективная необходимость в применении и функционального и структурного подходов при формировании концепции объекта МТ. При этом следует учесть то обстоятельство, что тесная связь функции и структуры порождает два вида циклов развития объектов МТ.

Цикл развития первого рода происходит от функции к структурепри этом причиной служит изменение внешних условий, потребностей, целей. Преобразование структуры обеспечивает реализацию новых функций, эффективное осуществление ранее выполнявшихся функций, редукции остальных функций, ненужных объекту МТ в данных условиях.

Цикл развития второго рода характеризуется обратным процессомизменением функций объекта МТ в результате изменения его структуры. Этот цикл возникает из-за роста актуальности потенциальных функций, минимизации вредных и бесполезных действий, снижающих эффективность функционирования объекта МТ.

Учитывая вышесказанное, можно сделать вывод, что при формировании концепции объекта МТ должны быть построены и проанализированы не только функциональная и структурная модели, но и совмещенная функционально-структурная модель проектируемого объекта МТ.

Такая функционально-структурная модель, будучи выраженная в графической или матричной форме, должна отразить и упорядочить функции проектируемого объекта (как внешние, так и внутренние), описать ФЭ, из которых состоит объект, и упорядочить отношения между ними, и, в конечном счете, дать проектировщику возможность качественно, а лучше количественно, оценить каждый ФЭ, каждую внутреннюю функцию с точки зрения функционирования этого объекта, наметить возможные пути его совершенствования и, в конечном счете, создать более эффективный образец морской техники.

Будучи сформулированной, такая функционально-структурная модель может быть полезной начиная с самых ранних стадий проектирования, когда проектировщик, используя ее, может оценить различные концепции проектируемого объекта и выбрать наиболее перспективную, и до стадии технического проектирования, когда дело дойдет до агрегатов и узлов.

Более того, информация, полученная в ходе построения и анализа такой модели, может быть полезна для целей прогнозирования развития как объекта морской техники в целом, так и его отдельных подсистем.

Учитывая, что при проектировании морской техники масштабы использования компьютеров все время растут, целесообразно также рассмотреть ряд вопросов, которые позволяют повысить эффективность решения алгоритмизированных задач проектирования за счет использования более эффективных методов построения области допустимых решений, снижения размерности решаемой задачи, упорядочения состава рассматриваемых в задаче критериев и т. д. [61,75,141,210].

При принятии проектных решений очень важно использовать практический опыт проектировщиков, обобщение которого можно считать одной из задач эвристики.

Применительно к проблеме концептуального анализа МТ эвристика полезна возможностью ограничения числа вариантов, вместо перемножения числа сочетаний оптимизируемых характеристик на основе комбинаторики. Опытный проектировщик интуитивно отбрасывает варианты, содержащие несколько крайних значений. В настоящей работе это реализуется благодаря принципу локальной классификации (раздел 3).

Для разных объектов МТ и различных уровней проектного анализа эвристические модели изменяются и должны рассматриваться в динамике. Это относится, например, к последовательному изменению количественных ограничений: сначала на основе обобщенной статистики, затем — статистики цля более частных функциональных подгрупп, далее — на основе результатов решения внешней задачи оптимизации. В итоге число допустимых вариантов можно сделать вполне обозримым, сопоставимым с числом вариантов у опытного проектировщика.

Такой эвристико-динамичный анализ является одной из составных частей искусственного интеллекта. В современных проектно-аналитических разработках интеллектуальные технологии уже применяются в значительном объеме благодаря работам В. М. Пашина, П. А. Шауба, Ю. Н. Семенова, А. И. Гайковича, Н. В. Никитина, Г. В. Савинова и др. Поэтому главной задачей является дальнейшее повышение эффективности конкретных подходов, основанных на концепции искусственного интеллекта, а не общая теоретическая постановка этой проблемы.

В настоящем исследовании в качестве конкретных аспектов теории искусственного интеллекта применимы некоторые новые принципиальные положения, связанные с вопросами постановки задачи в общем случае и при наличии прототипа (принцип целевого приоритета, раздел 2): оценкой и выбором концепции проектируемого объекта МТ (принцип концептуальной ценности, раздел 4) — оценкой свойств, не имеющих количественного выражения I раздел 6).

Для рассматриваемой темы нет необходимости использовать всю совокупность методов теории искусственного интеллекта, а достаточно ограничиться эвристико-динамичными аспектами. Имеются ввиду те подходы, благодаря которым в проблеме анализа и синтеза решений по МТ на концептуальном уровне развиты новые методические подходы либо ускоряющие аналитические процедуры, либо повышающие эффективность отработки оптимизируемых параметров.

В их числе принцип доминантного выделения, позволяющий сократить размерность решаемой задачи за счет выделения существенных факторов и критериев (раздел 5) — принцип динамичного совершенствования прототипа, позволяющий повысить результативность оптимизационного поиска (раздел 5) — принцип баланса информации, дающий возможность проектировщику принимать решения в условиях дефицита информации (раздел 4) — принцип минимального уровня, ускоряющий поиск приближенно эффективных решений (раздел 7).

Таким образом, формулирование совокупности принципов и методов, позволяющих сформировать и обосновать концепцию проектируемого объекта МТ, названную в работе методологией проектного эвристико-динамичного анализа и синтеза, представляет собой важную задачу и может явиться новым значительным вкладом в теорию проектирования морской техники.

Эвристико-динамичный анализ и синтез — это активная форма проектирования, сочетающая функционально-структурный подход с динамичной организацией процессов анализа, синтеза и выбора концепции объекта МТ.

На основе разработанной методологии выполнялся ряд конкретных исследований и практических разработок, которые позволили подтвердить ее работоспособность и получить конкретные полезные. выводы по различным аспектам проектирования морской техники и ее подсистем.

Диссертационное исследование, посвященное рассматриваемой проблематике, состоит из 8 основных разделов.

Первый из них посвящен рассмотрению современного состояния дел в методологии проектирования объекта. Рассмотрены проблемные вопросы постановки задач, разработки алгоритмов по формированию области допустимых решений, а также принятию решений в многокритериальных задачах, особенностей решения проблемы формирования и выбора концепции проектируемого объекта.

Второй раздел связан с рассмотрением структуры и логической организации постановки задач проектирования морской техники. Дается иерархия задач выбора проектных решений и отмечается связь этой иерархии с общими закономерностями развития технических систем. Отмечается важность иерархии описания проектируемого объекта МТ и ее связь с иерархией задач выбора решений. Уделено внимание вопросам декомпозиции проектируемого объекта МТ на подсистемы, выделения главных ФЭ и выявления их роли в развитии объекта, а также формулированию алгоритма постановки задач при проектировании морской техники.

В третьем разделе изложены особенности формирования концепции объекта МТ при различной постановке задачи. В разделе рассмотрены вопросы классификации функций, выполняемых объектами МТ, построения некоторых видов моделей проектируемого объекта МТ, использования принципов морфологического анализа и синтеза при формулировании концепции объекта МТ.

Четвертый раздел посвящен разработке методики оценки концепции объекта МТ и качества проектных решений в начальной стадии проектирования, позволяющей учесть опыт и интуицию проектировщика, учесть влияние принципиальных изменений в концепции объекта МТ на его потребительные свойства, оперативно выполнять такую оценку, обеспечить достаточную точность получаемых результатов.

В пятом разделе рассмотрены некоторые вопросы повышения эффективности решения алгоритмизируемых задач проектирования. В частности, при формировании области допустимых вариантов решений предлагается использовать адаптивно-динамичные диалоговые алгоритмы, основанные на ЛПГ поиске и выборе решений, удовлетворяющих параметрическим, функциональным и критериальным ограничениям. Кроме того, рассмотрена проблема снижения размерности решаемой задачи за счет оптимизации состава варьируемых параметров и отсеивания несущественных критериев.

В шестом разделе обсуждаются вопросы классификации задач принятия решений и общей постановки статической детерминированной задачи, а также излагаются подходы в решении ряда принципиальных проблем многокритериальных задач проектирования объектов МТ, в том числе нормализации критериев, определения весовых коэффициентов, оценке свойств проектируемого объекта МТ, не имеющих количественного выражения.

Седьмой раздел посвящен рассмотрению особенностей основных подходов при выборе решений в области компромисса, а также рассмотрению некоторых аспектов принятия решений в многокритериальных задачах проектирования морской техники при различных состояниях информационной среды.

В восьмом разделе рассмотрены закономерности развития МТ и вопросы прогнозирования ее развития, а также особенности алгоритма построения аппроксимирующей функции и ее использования.

В приложении рассмотрен ряд примеров использования принципов морфологического подхода при решении проектных задач в начальной стадии проектирования, приведен пример использования программы S-func при построении S-функции.

Применение основных положений методологии, рассмотренных в перечисленных разделах, показано на примере использования ряда программных комплексов, разработанных на ее базе.

Общая характеристика диссертационной работы.

Актуальность Анализ результатов эксплуатации морской техники и процесса ее проектирования показывает, что принятые на начальных этапах проектирования решения иногда бывают недостаточно обоснованы. Это приводит к большим потерям финансовых и трудовых ресурсов народного хозяйства.

Особенно важна в теории проектирования судов проблема принятия обоснованных концептуальных решений, так как многие объекты МТ имеют большую строительную стоимость, длительный жизненный цикл и, следовательно, высокую цену потребления, величина которой в основном определяется решениями, принятыми на уровне концепции.

При принятии проектных решений очень важно использовать практический опыт проектировщиков, обобщение которого можно считать одной из задач эвристики. Для разных объектов МТ и различных уровней проектного анализа эвристические модели изменяются и должны рассматриваться в динамике. Такой эвристико-динамичный анализ является одной из составных частей проблемы применения искусственного интеллекта. Для рассматриваемой темы нет необходимости использовать всю совокупность методов теории искусственного интеллекта, а достаточно ограничиться эвристико-динамичными аспектами.

Концепция объекта МТ понимается как совокупность принципиальных проектных решений, обеспечивающих реализацию функций, обусловленных назначением объекта МТ. Причем под морской техникой, наряду с судами (танкерами, спасательными судами, научно-исследовательскими судами, буксирами и т. д.) подразумеваются также плавучие буровые установки, буровые платформы, дноуглубительные снаряды разных типов, плавучие краны и другие технические средства изучения и освоения океана.

Важность обоснованного принятия решений на начальных этапах проектирования таких объектов обуславливается также тем, что в соответствии с закономерностями развития общества его потребности постоянно растут, что выражается в смене поколений для техники любого назначения, в том числе и морской техники. Эта особенность, с одной стороны, требует повысить динамику разработки проекта объекта МТ на всех его этапах, с другой стороны, обеспечить проектируемому объекту высокую потребительную стоимость на максимально длительный срок за счет реализации в проекте наиболее прогрессивных решений, учитывающих потенциальные потребности общества.

Кроме того, из-за роста потребностей общества все чаще встает вопрос о создании таких объектов МТ, у которых, вследствие особенностей их назначения и выполняемых функций, существенно меняется роль традиционных подсистем, либо появляются принципиально новые подсистемы, значительно изменяющие привычные представления о судне и оказывающие определяющее влияние на процесс его создания.

Наконец, изменение традиционных взаимоотношений между заказчиками и судостроителями привело к тому, что изменился процесс разработки проектов МТ, изменились функции проектной организации. Учет этого требует соответствующих изменений в методологии проектирования.

Таким образом, в теории проектирования морской техники актуальными являются следующие, не до конца решенные в настоящее время, проектно-аналитические проблемы:

• совершенствование логики постановки задач на концептуальном этапе проектирования;

• применение эвристико-динамичного анализа и синтеза при формировании и обосновании концепции проектируемого объекта;

• повышение полноты и эффективности решения алгоритмизируемых проектных задач;

• обоснование проектных характеристик объектов МТ и их отдельных подсистем с учетом сложного характера и противоречивости критериев оптимизации;

• прогнозирование развития морской техники.

Решение совокупности этих проблем возможно на базе разработки методологии концептуального проектирования, основанной на принципах функционально-динамичного анализа и синтеза, более полном использовании творческих возможностей человека в постановке проектных задач, поиске, оценке и принятии решений, учете закономерностей развития морской техники.

Цель работы — создание основ методологии проектного эвристико-динамичного анализа и синтеза концепции объектов МТ, предназначенной как для повышения эффективности непосредственно процесса проектирования, так и получения высоких потребительных свойств проектируемой техники, для чего необходимо:

• разработка методологии постановки задач при формировании концепции морской техники с позиций эвристико-динамичного подхода;

• совершенствование процесса формирования и выбора концепции проектируемого объекта на основе принципов эвристико-динамического анализа и синтеза;

• совершенствование компьютерного проектирования морской техники за счет активного диалога и адаптации процесса поиска решения к особенностям конкретной задачи;

• создание и использование эффективных способов, методов и методик решения задачи оптимизации характеристик проектируемых объектов МТ;

• разработка методических принципов прогнозирования развития морской техники с позиций функционально-динамического подхода.

Связь темы работы с отраслевыми планами. Представленная работа обобщает многолетние исследования автора по ряду научно-исследовательских тем, выполненных при проведении автором разработок в ЦМКБ «Алмаз», по планам НИР ЛКИ в 1977;1980 годах и ГМТУ в 1993;1997 годах, планам.

Академии судостроения в 1981;1987 годах, в том числе по договорам с ВНИИМОРГЕО, НИИ океанологии им. акад. П. П. Ширшова (РАН), ЦНИИ СЭТ, НПО «Ритм», а также по договорам о творческом содружестве с ДВГТУ, ВГАВТ, ЗАО «Редан-КБ», Русской морской технической компанией, ОАО «Северная верфь», АООТ «Балтийский завод» .

Таким образом, тема работы тесно связана с планами НИР организаций судостроительной промышленности, РАН и Минвуза России.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней сформулированы основные положения нового научного направления в теории проектирования морской техники — концептуальное эвристико-динамичное проектирование объектов МТ.

В рамках этого научного направления:

• Сформулированы предложения по совершенствованию логики постановки задач на концептуальном этапе проектирования.

• Выработаны новые подходы по проведению анализа и синтеза функционально-структурной модели объекта морской техники на этапе концептуального проектирования.

• Разработана методология оценки и выбора концепций функционально-структурной модели объекта морской техники и его подсистем, основанная на эвристико-динамичном подходе, оценке значимости функций и функциональной ценности подсистем.

• Предложены методы и модели оценки качества проектных решений и выбора предпочтительного варианта объекта морской техники, включая оценку качества проектных решений для случая дефицита информации.

• Конкретизированы методические разработки и алгоритмы для решения многокритериальных задач с учетом состояния информационной среды, а также предложен новый способ выделения области компромиссных решений.

При разработке этого научного направления автором предложены новые методологические положения, структурно-логические зависимости и уравнения, которые позволили реализовать теоретическую часть нового направления, сформулировать необходимые алгоритмы и программы, позволяющие ставить задачу, проводить проектный анализ и синтез, принимать обоснованные концептуальные решения по проектируемому объекту МТ, оценивать качество проектных решений (включая случаи дефицита информации).

Практическая ценность работы заключается в том, что она позволяет по-новому, более эффективно и обоснованно решать задачи выбора проектных решений для объектов морской техники различного назначения на начальных этапах проектирования, повышать рентабельность и конкурентоспособность объектов морской техники.

Основные положения методологии отражены в ряде методик и использованы в проектно-конструкторских организациях и на верфях для решения актуальных проектных задач при создании судов (проекты 93 104 и 95 132), кораблей (проекты 1135.6, 11 511, 23 505, 31 511) и другой МТ.

Кроме того, материалы и выводы работы представляют интерес для дополнения учебных дисциплин по проектированию судов, морских плавучих сооружений и другой морской техники, принятию решений, анализу и синтезу морской техники в кораблестроительных вузах и факультетах.

Реализация результатов работы в промышленности. Предложенные автором методы и рекомендации, а также разработанные автором лично и при его участии программные комплексы использовались в ряде организаций при проектировании и постройке судов и плавсредств (ТУП ЦМКБ «Алмаз», ЗАО «Редан-КБ», Русская морская техническая компания, ОАО «Северная верфь», АООТ «Балтийский завод», ФГУП ЦНИИТС).

Основные методологические рекомендации автора использованы в организациях, с которыми проводились совместные работы, а также в учебном процессе СПбГМТУ, ДВГТУ, ВГАВТ, Академии судостроения.

Апробация работы. Основные положения и результаты многократно докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях.

СПбГМТУ, Горьковского политехнического института, НКИ им. адм. С. О. Макарова, ОИИМФ, Севастопольского приборостроительного института, Дальневосточного политехнического института, НТО им. акад. А. Н. Крылова, а также были представлены на следующих основных научных конференциях: Всесоюзная научно-техническая конференция «Основные направления развития судов и плавучих сооружений на ближайшую перспективу», Ленинград, 1984; Международная конференция «Морские месторождения нефти и газа в России», СПб, 1994; Международная конференция «МОРИНТЕХ-95», СПб, 1995; Международная конференция «МОРИНТЕХ-97», СПб, 1997; Вторая международная конференция по судостроению «ISC-98», СПб, 1998; Международная конференция «Кораблестроение и океанотехника» SOPP-98, Владивосток, 1998; Международная конференция «МОРИНТЕХ-99», СПб, 1999.

Публикации. Основные материалы диссертации отражены в 43 работах автора, из которых 24 являются личными публикациями, а 19 выполнены в соавторстве. Из публикаций 8 являются учебно-методическими разработками и конспектами лекций, а остальные опубликованы в журнале «Технология судостроения», отраслевом сборнике «Кибернетика на морском транспорте», сборниках трудов СПбЕМТУ, Горьковского политехнического института, Дальневосточного государственного университета, НТО им. акад. А. Н. Крылова, ЦНИИМФ, а также в материалах и в сборниках трудов международных конференций DEVELOPMENT OF OFFSHORE. OIL AND GAS FIELDS IN RUSSIA, 1994; MORINTECH'95, MORINTECH'97, ISC'98, SOPP-98, MORINTECH'99.

Предмет защиты — совокупность результатов научных исследований, включающих методики, прикладные разработки, модели и алгоритмы, развивающие теорию проектирования и оптимизации судов и другой морской техники и формирующие основы нового научно-практического направленияконцептуальное эвристико-динамичное проектирование объектов МТ, которое.

25 обеспечивает решение научно-технических проблем, возникающих при создании сложных объектов МТ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основе выполненных разработок можно сформулировать следующие выводы и рекомендации, в совокупности характеризующие основные положения методологии проектного эвристико-динамичного анализа и синтеза концепции объектов морской техники:

1. Показана необходимость формирования концепции проектируемого объекта морской техники на базе сформулированной методологии, являющейся новым научным направлением в развитии теории проектирования морской техники.

Принятие обоснованных концептуальных решений обеспечивает проектируемому объекту минимальную цену потребления на протяжении жизненного цикла при выполнении требований заказчика.

Инвариантность ряда положений методологии дает возможность использовать их также при проектировании подсистем судов и плавучих инженерных сооружений.

2. Обоснована методическая необходимость отказа от традиционного подхода, при котором подсистема «корпус» является единственной доминирующей подсистемой всего плавучего морского инженерного сооружения. Одновременно признано целесообразным введение обозначения «объект морской техники», позволяющего более полно рассматривать проблемы (особенности) начальных этапов проектирования различных морских плавучих сооружений, в том числе и судов традиционных типов.

3. Сформулированы предложения по совершенствованию структуры и логической организации постановки задач на концептуальном этапе проектирования. Показано, что постановка задачи при проектировании морской техники в существенной степени определяет величину получаемого эффекта в результате ее успешного решения.

В этой связи следует особое внимание обращать на формулировку задачи, отдавая (при наличии возможности) приоритет решению задач верхних уровней иерархии.

4. Предложен эффективный алгоритм постановки задач при разработке новых образцов морской техники на базе прототипов. При этом, как установлено, наилучшие результаты при минимальных затратах могут быть получены в том случае, если проектируемый объект морской техники имеет достаточные резервы эволюционного развития.

Проведенные исследования показывают, что развитие объектов морской техники, также как и ряда других технических объектов, может быть описан S-функцией, отражающей эволюционную фазу развития.

5. Для повышения эффективности проектных работ сформулированы рекомендации выделения наиболее значимых ФЭ проектируемого объекта, названных в работе главными функциональными элементами, то есть ФЭ, которые в наибольшей степени влияют на получение высоких потребительных свойств проектируемого объекта.

Для количественной оценки потенциальных возможностей совершенствования ФЭ и выделения главных ФЭ впервые предложен показатель — потенциал развития z'-ro ФЭ — PR-, учитывающий функциональную ценность z-ro ФЭ для проектируемого объекта, влияние z'-ro ФЭ на критерии развития, а также перспективы его развития на этапе эволюции посредством оценки положения этого ФЭ на S-функции.

6. Представлена классификация функций объекта морской техники для этапа формирования его концепции и установлено, что проектируемый объект на этапе формирования своей концепции может быть описан многоуровневыми моделями: функциональной, структурной и совмещенной функционально-структурной, которые в полной мере позволяют сформулировать все ФЭ и существенные связи в объекте. Показано особое значение функционально-структурной модели при проектировании объекта МТ, в том числе при оценке значимости функций и ФЭ для объекта в целом.

7. Предложен подход к сравнительной оценке различных вариантов концепций проектируемого объекта МТ на основе показателя удельной функциональной ценности.

8. Сформулирована на базе методов морфологического анализа и синтеза модифицированная методика формирования концепции проектируемого объекта по выполняемым им функциям, интегрирующая морфологический и вариационный подходы, при различных постановках задачи, в том числе: при ограничении ресурсовпо требуемым свойствампри формировании общего расположения, обосновании концепции подсистем проектируемого объекта.

9. Разработана методика оценки и выбора концепций объекта МТ и его ФЭ, основанная на оценке значимости функций и функциональной ценности подсистем, а также методика оценки качества проектных решений МТ, включая случаи дефицита информации.

10. Показано, что эффективность работ на начальной стадии проектирования морской техники может быть увеличена за счет повышения эргатичности математических моделей проектирования, в том числе за счет более полного использования творческих возможностей проектировщика в постановке задачи, в выборе решения и т. д.

11. Подчеркнуто преимущество систематического поиска в многомерных областях варьируемых параметров с использованием ЛПгпоследовательности, которая является наиболее равномерно распределенной последовательностью, и, по сравнению с поиском на обычной кубической сетке или случайным поиском, дает минимальную потерю информации о рассматриваемой области.

12. Сформулирован и реализован адаптивно-динамичный подход к постановке и решению многокритериальных оптимизационных задач, реализующий достоинства ЛПГ поиска и морфологических принципов.

13. Для уменьшения размерности решаемых многокритериальных задач предложено использовать методы снижения размерности признаковых пространств. На примере линейной модели рассмотрено применение модифицированного метода Плакетта-Бермана. Такие методы позволяют уменьшить число варьируемых параметров в зависимости от оценки степени их влияния на функцию отклика и надежности полученной оценки.

Снижению размерности задачи служит также используемое в методологии отсеивание несущественных критериев на основе установления корреляционных связей между критериями.

14. Для преодоления «информационного» дефицита о значимости отдельных критериев при решения многокритериальных задач предложено использовать метод Монте-Карло.

15. Показано, что при принятии решений на начальных этапах проектирования морской техники проектировщику приходится рассматривать и оценивать также и свойства, не имеющие количественного выражения. Для принятия решений предлагается при оценке таких свойств использовать адаптированную шкалу оценок на основе функции Харрингтона.

16. Предложен способ решения многокритериальных задач, позволяющий выделять приближенно эффективные решения без значительных затрат времени. Способ, использующий порядковые шкалы, базируется на утверждении, что решение, имеющее наивысший ранг по всем критериям, является лучшим в рассматриваемом множестве решений. Рассмотрены частные случаи нахождения множества приближенно эффективных решений.

17. Сформулирован способ решения многокритериальных задач в условиях ситуационной неопределенности.

18. Показано, что развитие отдельных типов плавучих морских инженерных сооружений подчиняется общим закономерностям развития морской техники.

19. Разработана методика и программное обеспечение для построения аналитической модели развития объекта морской техники. Показано, что использование предложенных моделей позволяет создавать новые образцы морской техники при максимально возможном использовании потенциала развития проектируемого объекта.

Помимо перечисленного, получен ряд других новых результатов и рекомендаций, изложенных непосредственно в соответствующих разделах.

Показано также, что дальнейшего исследования требует проблема оценки качества задания на проектирование объекта МТ.

Использование рекомендаций настоящей работы при проектировании и постройке объектов МТ позволяет:

• повысить глубину анализа проектных проблем и оперативность их решения без снижения точности результатов:

• повысить эффективность работы главного конструктора на 15−20%;

• повысить качество и конкурентоспособность выпускаемой продукции, в том числе добиться снижения производственных затрат на 10−15%;

• получить экономический эффект 15% и более за счет оптимизации проектно-конструкторских решений.

Кроме того, использование материалов настоящей работы в учебных дисциплинах кораблестроительных вузов и факультетов позволяет повысить качество подготовки специалистов.

С учетом сформулированных положений в качестве основных результатов на защиту выносится следующее:

• Совокупность методологических разработок, создающих предпосылки формирования нового научно-практического направления: эвристико-динамичного анализа и синтеза в теории проектирования и оптимизации судов, обеспечивающего эффективное концептуальное проектирование морской техники.

• Совокупность предложений по совершенствованию логики постановки задач на концептуальном этапе проектирования.

• Методологические разработки по проведению функционального анализа на этапе формирования концепции морской техники: рекомендации по выделению главных функционатьных элементов, методика оценки потенциала развития функциональных элементов проектируемого объекта, алгоритм постановки задачи.

Совокупность положений и рекомендаций по формированию концепций объекта морской техники, алгоритмы формирования концепции по схеме базовой точки и модифицированному методу последовательных классификаций.

Методика оценки и выбора концепций объекта морской техники и его подсистем, основанная на оценке значимости функций и функциональной ценности подсистем.

Методика оценки качества проектных решений морской техники, включая случаи дефицита информации.

Методологические разработки по повышению эффективности эргатических систем проектирования с внедрением программных методик в практику проектирования морской техники. Совокупность рекомендаций по совершенствованию методологии разработки математических моделей проектирования морской техники, включая формирование области допустимых вариантов, использование адаптивно-динамичного алгоритма для постановки и решения многокритериа. льных задач, снижение размерности рассматриваемой задачи за счет оптимизации состава варьируемых параметров и исследования корреляции критериев.

Методические разработки и алгоритмы для решения многокритериальных задач с учетом состояния информационной среды, новый способ выделения области компромиссных решений. Методологические разработки по прогнозированию развития объектов морской техники и их подсистем.