истемный подход как основа инженерной деятельности

ЧЕЛПАНОВ И.В.

 

Л Е К Ц И Я № 0.1

 

Тема: Введение

 

Текст лекции по дисциплине «Объекты морской техники»

 

 

Санкт-Петербург

Введение

Современная морская техника (корабли, суда, средства разведки и добычи на шельфе и др. — в дальнейшем суда) представлена слож­нейшими объектами, в которых сосредоточены практически все направления и новейшие до­стижения науки и техники.

Пожалуй, наиболее характерной особеннос­тью процесса проектирования является одновре­менное стремление достичь наивысшей возмож­ной эффективности судна и удовлетворить мно­гочисленным, чаще всего противоречивым тре­бованиям к его свойствам. Практически любой вопрос, возникающий при разработке проекта, по существу, есть поиск того или иного компро­мисса [2, 3]. Какими должны быть удлинение судна, полнота формы корпуса, компоновка и размеры его отсеков? Какова рациональная схе­ма конструкции, какой материал следует исполь­зовать для различных частей корпуса, как рас­пределить его по отдельным связям? Подобные вопросы-постановки отличаются предметом ис­комых решений, но имеют единую причину воз­никновения — различный характер влияния про­ектных решений на свойства проектируемого суд­на. Увеличение длины судна, например, во многих случаях способствует, с одной стороны, улучшению его ходовых качеств, а с другой — приводит к нежелательному увеличению массы корпуса. Размещение машинного отделения в корме позволяет расположить грузовые трюмы в самой удобной для погрузки и разгрузки сред­ней части корпуса, однако при этом затрудняет­ся удифферентовка. Выбор высокопрочной ста­ли ведёт к уменьшению массы корпуса при одновременном росте стоимости. Ещё более слож­ными являются вопросы выбора систем оружия для боевых кораблей и специализированных комплексов при наличии альтернативных вариантов. Такие «проектные конфликты» многочисленны, однако их компромиссное решение далеко не всегда очевидно.

Бесспорно, степень совершенства судов оп­ределяется в первую очередь уровнем развития науки, техники и технологии в целом, а также глубиной проникновения специализированных судостроительных дисциплин в физику изучае­мых ими явлений. Тем не менее, нельзя недо­оценивать роль методов, дающих возможность при поиске компромисса количественно «взве­шивать» все возможные последствия принимае­мых проектных решений. В самом деле, даже простые «проектные конфликты», типа перечисленных выше, не имеют однозначного решения и в каждом конкретном проекте подвергаются специальному рассмотрению. А поскольку по мно­гим из таких «конфликтов» часто не существует единой точки зрения, остаётся без ответа во­прос о том, создан ли самый лучший в данных условиях вариант судна.

истемный подход как основа инженерной деятельности

Что же происходит на практике? Обратимся к процессу проектирования, представив его не в виде традиционных этапов и стадий, а в содержа­тельном виде, т. е. по характеру решае­мых проектантом задач [4–7].

Судно как сложная техническая система со­стоит из ряда подсистем: корпус, энергетичес­кая установка, гидродинамический комплекс, судовые устройства и др. Важнейшим систем­ным принципом является согласованное проек­тирование всех подсистем с подчинением еди­ной цели — достижению наивысшей эффектив­ности судна при выполнении требований к его свойствам и техническим средствам. Следуя это­му принципу, можно выделить такие составля­ющие разработки проекта, которые формируют судно как единую систему. Их можно объеди­нить общим понятием — системное проектирование, или с учётом того, что это фактически поиск компромиссных решений, — системная оптимизация. Принцип согласованного проек­тирования подсистем можно было бы реализо­вать строго и в полном объёме, сведя систем­ное проектирование к единой математически сформулированной задаче оптимизации с кри­терием, характеризующим эффективность суд­на, и условиями-ограничениями, отражающи­ми требования к его свойствам и элементам. По целому ряду причин прямое решение такой за­дачи нереально ни сегодня, ни в отдалённом будущем. Не случайно практика проектирования ещё до провозглашения принципов системного подхода как средства совершенствования проек­тов, стремясь к его реализации, выработала определённые приёмы и традиции. Сложился стереотип, согласно которому системное проек­тирование свелось к решению задач верхнего и нижнего уровней. Верхний уровень — это определение основных элементов и характеристик суд­на: главных размерений, интегральных характе­ристик формы корпуса, компоновки основных отсеков и т. п. Предметом нижнего уровня является проектирование (определение элементов) подсистем при фиксированных элементах судна и заданных для каждой подсистемы лимитах масс, объёмов, координат центра тяжести (ЦТ), размеров неко­торых отсеков и т. п., полученных при решении задач верхнего уровня. Процесс определения элементов на верхнем и нижнем уровнях осуществляется в не­сколько приближений до получения сбаланси­рованного проекта, в котором выполнены тре­бования технического задания на проектирова­ние. При этом системная оптимизация и согла­сование проектных решений верхнего и нижнего уровней есть важ­нейшая функция главного конструктора проекта, успешность выполнения которой при отсутствии формализованной методологии зависит от его квалификации и опыта.

Указанные задачи, носящие явно выражен­ный оптимизационный характер, решаются в проектах путём сравнения определённого числа альтернативных вариантов. При рассмотрении альтернативных вариантов подсистем достаточ­но просто оценить прямое влияние подсистем (комплексов, отдельных технических решений) на судно, т. е. непосредственно стоимость, мас­су, энергопотребление и т. п. Однако имеется и косвенное влияние, обусловленное тем, что масса судна, кубатура, стоимость и другие характе­ристики возрастут в существенно большей степени, чем непосредственный прирост, вы­званный конкретным техническим решением.

Именно учёт косвенного влияния и представ­ляет наибольшие трудности для проектантов под­систем, которые в настоящее время практичес­ки такой возможности не имеют.

В качестве иллюстрации многообразного и сложного характера влияния подсистем на судно рассмотрим надводный корабль с гидроакусти­ческой станцией (ГАС). Анализ влияния ГАС произведён при следующих исходных предполо­жениях [6]:

— корабль-прототип, на который предполага­ется установить ГАС, не имеет свободных пло­щадей, объёмов, мощностей и излишнего запа­са водоизмещения;

— недопустимо уменьшение скорости и дально­сти плавания корабля.

На рис. 0.1 изображена «проектная спираль» влияния установки ГАС на различные характе­ристики корабля.

Рис. 0.1. Влияние гидроакустического комплекса на характеристики корабля (Δ₁ – увеличение массы за счёт обтекателя, забортной воды в нём и т.п. на 200 т; Δ₂ – возрастание массы ЭЭУ на 2 т и объёма помещений на 200 фт³, запасов топлива на 12 т и ёмкости цистерн на 550 фт³; Δ₃ – увеличение массы жилых помещений и оборудования на 40 т; Δ₄ – увеличение запасов топлива вследствие роста сопротивления движению на 150 т и ёмкости цистерн на 5100 фт³; Δ₅ – возрастание на 40 т водоизмещения вследствие увеличения площадей для размещения ГАС; Δ_Σ – суммарный рост водоизмещения корабля на 600 т)

Прямая «цена» установки ГАС: масса 60 т, потребность в электроэнергии 100 кВт, числен­ность обслуживающего персонала 8 чел., потреб­ная площадь помещений 1500 фт² (на рис. 0.1 — это первый, внутренний виток спирали). Кос­венное влияние включения ГАС в состав проек­та состоит в следующем (второй, наружный ви­ток спирали):

1) конструкция обтекателя ГАС, забортная вода в нём и т. п. увеличивают массу корабля на 200 т;

2) мощность электроэнергетической установ­ки (ЭЭУ) возрастёт, в результате чего её масса увеличится на 2 т, объём необходимых помещений на 200 фт³. Дополнительные запасы топ­лива составят 12 т, для размещения которых не­обходима ёмкость 550 фт³;

3) размещение дополнительных 8 членов эки­пажа приведёт к увеличению массы корабля на 40 т (жилые помещения, кондиционирование, оборудование, снабжение и т. п.);

4) устройство носового обтекателя ГАС увеличит сопротивление на экономическом ходу, что потребует 150 т дополнительного топлива и 6100 фт³ объёма для его размещения;

5) указанная потребность в площадях для размещения ГАС в 1500 фт² приведёт к увеличению размерений корабля и его водоизмещения на 70 т.

Перечисленное в пп. 1-5 влияние обусло­вит эффект второго порядка: необходимость до­полнительного увеличения размерений, рост со­противления движению, потребной мощности, запасов топлива и т. д. В данном примере этот вторичный эффект оценивается приростом во­доизмещения в 66 т. Таким образом, вследствие косвенного влияния подсистем на корабль его водоизмещение возросло на 600 т при массе устанавливаемой ГАС 60 т.

Рассмотренный пример не является, конеч­но, откровением ни в количественном отношении, ни в смысле многочисленности факторов, на которые оказывают влияние, казалось бы, частные технические решения. В нём фактичес­ки раскрываются причины, по которым увели­чение водоизмещения существенно превышает приращение масс, вызывающих это увеличение. Само же превышение широко известно под на­званием коэффициента приращения водоизмеще­ния или коэффициента Нормана. Он служит мощным средством ускорения процесса последова­тельных приближений при определении водо­измещения и главных размерений судов в на­чальных стадиях проектирования. В отличие от обычного коэффициента Нормана, который учи­тывает в качестве прямого влияния только при­рост массы, в рассмотренном примере допол­нительно учтён прямой прирост объёмов, пло­щадей, потребной мощности и численности эки­пажа. Поэтому коэффициент приращения водоизме­щения получен равным 10, тогда как, согласно работе [3], для таких кораблей он со­ставляет 3,5-4,0.

Аналогичный характер сложного влияния можно показать на принципиально другом при­мере — выборе марки стали при проектирова­нии конструкции корпуса [10]. Так, для сухо­грузного судна грузоподъёмностью около 10 тыс. т при использовании для средней части корпуса стали с пределом текучести 360 Н/мм² вместо обыч­ной углеродистой масса корпуса уменьшается на 320 т при соответствующем росте стоимости суд­на. В действительности водоизмещение умень­шится на значительно большую величину, ибо, сохраняя неизменными заданную грузоподъём­ность и мощность энергетической установки в со­ответствии с техническим заданием, мы долж­ны будем уменьшить главные размерения. При этом скорость возрастёт, запасы топлива при задан­ной дальности плавания уменьшатся и т. д. В конечном итоге, и сама стоимость претерпит существенно более сложные изменения и будет отличаться от произведения первоначальной экономии массы стали на её цену.

Главная цель рассмотрения этих примеров — показать, что так называемое косвенное влия­ние подсистем на основные характеристики суд­на нельзя оценить каким-либо универсальным коэффициентом. Для такой оценки необходи­мы многочисленные исходные данные практи­чески по всему кораблю или судну, чего, ко­нечно, нет в распоряжении проектантов подси­стем и технических средств. Каким же образом они могут принимать технические решения, со­блюдая системные принципы проектирования на уровне корабля? Для этой цели нужен специаль­ный аппарат.

Задачи системного проектирования — наи­более подходящая сфера применения математико-вычислительных методов оптимизации. Пока ещё роль таких методов в практике проектирова­ния недостаточно велика, хотя имеется немало разработок [9, 11-19]. Это можно объяснить не­достаточной степенью их совершенства, как в системном плане, так и с точки зрения удобства повседневного использования.

Для создания и внедрения методов систем­ной оптимизации необходимы построение адек­ватных математических моделей оптимизируемого объекта, разработка эффективных численных методов и, в частности, алгоритмов нахожде­ния оптимума в нелинейных задачах, создание компьютерных программ (систем). Не менее сложны, как уже упоминалось, вопросы согласо­ванной оптимизации задач, решаемых проек­тантами на разных уровнях проектирования.

В дополнение к рассмотренным проблемным вопросам следует отнести также необходимость учёта изменчивости «внешних факторов». Нет необходимости доказывать, что многочисленные исходные данные по судам и кораблям являются в той или иной мере неопределёнными. Это в первую очередь относится к данным эксплуата­ционного характера. Для грузовых судов — это массогабаритные характеристики груза, интенсивности грузовых работ в портах, тарифные став­ки и др. Для кораблей подобные примеры ещё более очевидны. Нельзя не обратить внимания и на тот факт, что в начальных стадиях проекти­рования судов и в исследовательском проекти­ровании кораблей заметные погрешности сопут­ствуют расчётам нагрузки масс, потребной мощ­ности или достижимой скорости, стоимости по­стройки и эксплуатации. В то же время именно в начальных стадиях или в исследовательском проектирова­нии принимаются принципиальные ре­шения об эффективности судна или корабля и выборе их наилучших вариантов. Указанную из­менчивость и неопределённость можно объектив­но учесть при вероятностной оценке эффектив­ности [8].