Содержание к диссертации
Введение
1. Системный анализ процессов повышения качества многоцелевой авиационной системы 18
1.1. Проблемная постановка задачи исследования 18
1.2. Постановка задачи поиска целевых решений, связанных с повышением потребительских качеств многоцелевой авиационной системы 24
1.3. Моделирование многоцелевой авиационной системы 32
1.4. Системный анализ информационных стратегий проектирования многоцелевой авиационной системы 37
1.5. Разработка модели оценки результативности и эффективности процесса проектирования многоцелевой авиационной системы 43
Выводы по главе 1 50
2. Анализ состояния и концепция развития информационной базы многоцелевой авиационной системы 52
2.1. Анализ особенностей структуры парка ЛГС 52
2.2. Состояние российского рынка ЛГС 61
2.2.1. Оценка потенциальных потребителей ЛГС 61
2.2.2. Специфика использования ЛГС в России 63
2.3. Проблемы учета особенностей ЛГС в процессе проектирования 65
Выводы по главе 2 70
3. Принципы оценки эффективности потребительских качеств при формировании облика и состава многоцелевой авиационной системы 71
3.1. Особенности учета неопределенности при поиске проектных решений 71
3.1.1. Неопределенность как свойство процесса проектирования 71
3.1.2. Объективные факторы неопределенности оценки эффективности проектных решений 73
3.1.3. Проблема оценки эффективности проектных решений по векторному критерию 76
3.2. Детерминированные модели оценки эффективности проектных решений 80
3.2.1. Модель оценки эффективности с использованием «расчетного случая» 80
3.2.2. Особенности методов выбора проектных решений на основе «коэффициентов Нормана» 82
3.2.3. Проблемы решения проектных задач на основе детерминированных моделей 85
3.3. Особенности многоцелевого (теоретико-множественного) подхода к оценке эффективности проектных решений 87
3.3.1. Содержание задачи выбора проектных решений на основе теоретико-множественного подхода 87
3.3.2. Учет неопределенности целей 88
3.3.3. Учет неопределенности системы предпочтений ЛПР 91
Выводы по главе 3 100
4. Разработка математической модели и методов оптимизации ЛГС как многоцелевой системы 101
4.1. Постановка задачи оценки ЭПК и оптимизации облика ЛГС 101
4.2. Оценка эффективности ЛГС как многоцелевой системы 106
4.2.1. Формирование системы предпочтений при поиске проектных решений 106
4.2.2. Формирование совокупности частных показателей эффективности ЛГС 114
4.2.3. Особенности модели оценки эффективности ЛГС на множестве заданий 119
4.3. Моделирование транспортных возможностей самолета 125
4.3.1. Диаграмма транспортных возможностей самолета (областей достижимых заданий) 125
4.3.2. Годовой фонд летного времени 130
4.3.3. Модель самолета как элемента транспортной системы 133
4.3.4. Оптимальные области специализации 137
Выводы по главе 4 144
5. Исследование влияния характеристик многоцелевой системы на ее эффективность 146
5.1. Примеры решения задачи многоцелевой оптимизации 146
5.1.1. Оценка влияния критерия на оптимальное распределение заданий 146
5.1.2. Оценка влияния изменения структуры парка ЛГС на его эффективность 149
5.1.3. Оценка влияния структуры множества заданий на парк ЛГС... 155
5.2. Примеры оценки эффективности решений по нескольким показателям 162
Выводы по главе 5 170
Заключение 172
Список использованных источников 176
- Постановка задачи поиска целевых решений, связанных с повышением потребительских качеств многоцелевой авиационной системы
- Проблемы учета особенностей ЛГС в процессе проектирования
- Детерминированные модели оценки эффективности проектных решений
- Формирование системы предпочтений при поиске проектных решений
Введение к работе
Авиационная промышленность обеспечивает высокий статус России как страны передовых научных технологий и играет важную роль в подъеме экономики, повышении конкурентоспособности страны. Объекты и процессы авиационной промышленности могут применяться в самых разных сферах и должны развиваться опережающими темпами для обеспечения решения многих насущных государственных задач. Стабильная работа авиационной промышленности создает предпосылки для сохранения и развития целого ряда других высокотехнологичных и интеллектуальных отраслей промышленности ввиду большой длины и разветвленное технологических цепочек, образующихся в процессе создания современной авиатехники.
Авиационная промышленность обладает также достаточным потенциалом для развития экспорта наукоемкой продукции и импортозамещения. Это относится как к военной, так и к гражданской авиатехнике. В последнее время с появлением положительных тенденций в развитии ряда отраслей экономики страны возникает настоятельная необходимость в разработке нового поколения малой авиации России. В настоящее время сравнительно многочисленный парк легких гражданских самолетов (ЛГС) уже не в полной мере отвечает потребностям российского рынка в авиаперевозках и других авиауслугах. Анализ состояния парка ЛГС показал, что в перспективе эта тенденция будет усиливаться.
Выполненный прогноз потребностей российского рынка в авиауслугах, типаже и количестве легких воздушных судов (ВС) основан на конъюнктуре российского авиарынка и на мировой практике развития легкой авиации (см. раздел 2.2). Тенденции развития, возможная доля использования легких ВС и их предпочтительные классы различны для каждого из сегментов рынка авиаперевозок и авиауслуг, которые к настоящему времени еще не устоялись
и частично пересекаются. Но в сумме их развитие определило будущую динамику спроса на авиауслуги легких ВС всех классов.
Оценку потребностей российского рынка авиатехники и динамики развития спроса на новые.самолеты можно выполнить, анализируя данные ряда прогнозов:
изменения численности парка и провозных мощностей эксплуатируемых сегодня российскими авиакомпаниями типов воздушных судов;
динамики спроса на авиаперевозки и авиауслуги российских авиакомпаний на соответствующих сегментах рынка;
появления перспективных предложений ВС на российском рынке авиатехники.
Российский авиарынок сегодня имеет избыточную провозную мощность эксплуатируемого парка самолетов предыдущих поколений (в том числе легких), но одновременно уже существует и разрабатывается ряд предложений отечественных ВС нового поколения в основных классах. Естественно, что предложение новых ВС смежных классов, обладающих расширенной зоной эффективных условий эксплуатации, приведет к значительному пересечению областей их возможного применения.
Границы областей конкуренции ВС смежных типоразмеров в принципе обусловливаются объективными различиями в эффективности перевозок в соответствии с их транспортными возможностями. Потребность в новых типах самолетов определяется развитием дефицита провозных способностей парка по отдельным сегментам рынка перевозок в соответствии с прогнозами перспективной структуры спроса и ожидаемым развитием требований к качеству перевозок.
В связи с этим можно выделить следующие технико-экономические, технологические и эксплуатационные особенности ЛГС (Рис. 1):
1. Значительное многообразие вариантов конструкторских, технологических и др. проектных решений при нормативно ограниченной размерности,
номенклатуры систем и оборудования. Например, по числу реализованных компоновочных решений ЛГС намного превосходят все остальные классы самолетов, включая, военные.
Эксплуатация ЛГС на трассах, существенно различающихся по климатическим условиям, протяженности, навигационному обеспечению и оборудованию, классу аэродромов (в отличие от магистральных самолетов). Для ЛГС характерны рейсы с промежуточными посадками и широким диапазоном высот и скоростей полета. Эти особенности учитываются при решении транспортных задач.
Выполнение одним и тем же типом ЛГС различных задач: перевозка грузов и пассажиров, сельскохозяйственные работы, санитарная служба и др. Поэтому для конструкции ЛГС более актуальны (чем для других классов ВС) возможности модификации и переоборудования во время эксплуатации.
Многообразие вариантов проектных решений
ВНЕШНЯЯ СРЕДА
Различные сложные варианты эксплуатации
Технико-экономические, технологические и эксплуатационные особенности ЛГС
Широкий спектр
выполняемых
авиауслуг
Высокая степень
неопределенности
авиарынка
Дополнительные требования
Рис. 1 Взаимосвязь технико-экономических, технологических и эксплуатационных особенностей ЛГС
8 Отличительными особенностями рынка ЛГС являются:
зависимость спроса и предложения от широкого многообразия условий применения;
высокая степень неопределенности спроса и предложения из-за неустойчивой конъюнктуры и практического отсутствия в нашей стране устоявшейся специализированной производственной базы для широкой номенклатуры типов ЛГС.
Важно отметить, что географические, климатические и социально-экономические особенности России выдвигают ряд дополнительных требований к облику новых ЛГС, предназначенных для эксплуатации в нашей стране. В частности, обширные малонаселенные районы, широкий диапазон характеристик базирования и эксплуатации ЛГС для местных воздушных линий (МВЛ) в России (температура и влажность, высота аэродрома над уровнем моря, прочность покрытия взлетно-посадочной полосы (ВПП), рельеф местности и др.) обуславливает специфику конструкции и оборудования ЛГС. Так, например, в условиях Севера необходима установка на самолет современного навигационного оборудования в полном комплекте «ППП», систем обогрева и теплозащиты кабины и подогрева двигателя, антиобледенения, очистки стекол, мощного светотехнического оборудования и т.д.
Современный этап развития легкой авиации характеризуется ее усложнением и соответственно относительно высокими затратами финансовых и временных ресурсов, что существенно ограничивает производственные возможности авиапромышленности России в этой области.
В таких условиях при создании новых самолетов необходимо опираться на долговременные прогнозы конъюнктуры рынка и финансовой ситуации, условий применения, технического уровня и др.
Самолет должен не только обладать рациональной конструкцией, но и быть «устойчивым» к ошибкам прогнозирования исходных данных, которые служат одним из источников неопределенности и неоднозначности оценки
эффективности потребительских качеств (ЭПК) самолета на всех этапах разработки (см. п. 2.1.1).
Практика мирового авиастроения показывает, что успешная работа производителя авиационной техники на рынке требует постоянного совершенствования деятельности, связанной с непрерывным улучшением качества выпускаемой продукции. Решение данной проблемы в первую очередь связано с эффективностью принимаемых конструкторских решений, с модернизацией конструкции ВС, совершенствованием производственных процессов и технологии изготовления. Осуществление перечисленных мероприятий требует больших капиталовложений и временных ресурсов. Это увеличивает экономический риск производителя авиатехники, связанный с опасностью понести большие убытки, если продукция не будет пользоваться достаточным спросом. Наиболее перспективным решением для снижения указанного риска является предварительная количественная оценка качества продукции на начальных этапах жизненного цикла. Оценку качества целесообразно производить уже при разработке технического задания, что предусмотрено нормативной документацией, устанавливающей порядок разработки и постановки продукции на производство. На данном этапе рассматривается, как правило, ряд схемных вариантов и выполняется отбор допустимых конструктивных решений. В настоящее время такой анализ проводит сам разработчик авиатехники, принимая окончательные решения, исходя из собственного опыта, используя различные средства моделирования, функционального анализа, данные испытаний и др. В соответствии с требованиями международных стандартов ИСО 9000:2000 года при анализе проекта должны быть учтены требования и пожелания все заинтересованных сторон, в том числе и потребителей. Привлечение последних к вышеуказанному анализу существующими методами практически невозможно из-за его специфики и сложности восприятия. Таким образом, актуальной задачей является разработка новых методов оценки качества продукции на стадии проектирования, позволяю-
10 щих производителю (с учетом требований потребителя) принимать эффективные конструкторские решения.
Для успешного решения этих проблем парк ЛГС представим как многоцелевую авиационную систему, под которой будем понимать комплексную систему с различными уровнями иерархии, объединенными функциональными и структурными связями для реализации инновационных технологий на всех этапах жизненного цикла.
С учетом вышеизложенного можно сделать вывод о необходимости разработки научно-методического обеспечения оценки ЭПК многоцелевой авиационной системы в процедурах принятия проектных решений. Разрабатываемые методы и модели на основе единого методического подхода с использованием современных средств математического моделирования и информационных технологий должны позволять:
во-первых, наиболее полно, всесторонне и корректно учитывать задачи и условия применения многоцелевой авиационной системы;
во-вторых, минимизировать затраты времени и средств на проектирование, производство и эксплуатацию.
Практическая важность и недостаточная проработка перечисленных задач позволяют сделать вывод об актуальности выбранной темы диссертации и направлении исследований.
Объектом исследования в диссертационной работе является многоцелевая авиационная система (парк легких гражданских самолетов).
Предметом исследования являются процессы моделирования и оптимизации управления качеством многоцелевой авиационной системы с позиций системного подхода.
Целью диссертационного исследования является разработка научно-методического обеспечения моделирования и оптимизации управления качеством многоцелевой авиационной системы (на примере легких гражданских самолетов).
Для достижения указанной цели требуется решить следующие задачи:
Выполнить системный анализ информационных стратегий проектирования многоцелевой авиационной системы.
Выполнить анализ задач поиска целевых решений, связанных с повышением потребительских качеств многоцелевой авиационной системы.
Разработать модель оценки эффективности потребительских качеств и оптимизации многоцелевой авиационной системы.
Проанализировать структуру информационной базы многоцелевой авиационной системы (парка легких гражданских самолетов как специфического класса авиасистем).
Разработать методику оценки эффективности потребительских качеств многоцелевой авиационной системы с учетом существующего технического уровня и многообразия выполняемых задач.
Разработать метод формирования информационной и математической моделей комплекса потребительских качеств многоцелевой авиационной системы.
Разработать алгоритм и программу оценки эффективности многоцелевой авиационной системы с учетом неполной и нестрогой системы предпочтений.
Разработать методику управления качеством формирования оптимального состава многоцелевой авиационной системы на основе новых и модификации существующих математических моделей.
Апробировать предлагаемый метод управления качеством проектных решений при разработке многоцелевых систем в условиях неопределенности с получением численных результатов, иллюстрирующих его преимущества.
Методы исследования. В качестве методов исследования приняты методы анализа, синтеза и оптимизации, математические и информационные модели состояния и динамики качества объектов. Использован многоцелевой подход, основанный на математической модели оптимизации в теоретико-
12 множественной постановке. При декомпозиции задачи, разработке моделей и алгоритмов использовались принципы системного подхода и экспертных оценок. Математически задача оптимизации оптимального парка ЛГС сформулирована как задача многокритериальной дискретной оптимизации. Также использованы методы концепций Всеобщего управления качеством (TQM) и Six sigma, методы системного анализа и теория сложных систем.
При проведении исследований использованы достижения и разработки в области методологических основ управления качеством, изложенной в работах отечественных ученых и специалистов Адлера Ю.П., Азарова В.Н., Аз-гальдова Г.Г., Белобрагина В.Я., Бойцова В.В., Бойцова Б.В., Версана В.Г., Гличева А.В., Глудкина О.П., Дубицкого Л.Т., Комарова Д.М., Круглова М.И., Крянева Ю.В., Лапидуса В.А., Огвоздина В.Ю., Окрепилова В.В. и др., а также системные концепции зарубежных ученых Э.Деминга, Д.Джурана, К.Исикавы Ф.Кросби, Г.Тагути, А.Фейгенбаума, Х.Д. Харрингтона, В. Шу-харта и др.
В области проектирования самолетов использованы разработки Пияв-ского С.А. и Брусова B.C.
Научная новизна работы состоит в разработке научно-методического обеспечения процедур анализа и оптимизации математических и информационных моделей управления качеством процессов повышения эффективности потребительских качеств многоцелевой авиационной системы.
Впервые поставлена задача оценки ЭПК ЛГС в терминах многоцелевого подхода, с учетом неопределенности и неоднозначности, обусловленными:
значительным усложнением систем и агрегатов;
увеличением затрат времени и средств на разработку;
прогнозным характером оценок рыночной конъюнктуры, а также условий применения и технического уровня.
Достоверность результатов. Результаты работы подтверждаются сопоставлением полученных данных с результатами исследования других авто-
13 ров, анализом влияния внешних факторов (наборов критериев оптимальности, структуры сети авиалиний) на облик ЛГС, сформированный на основе многоцелевого подхода с применением математической модели и процедуры оптимизации.
Практическая значимость. Практическая значимость результатов работы состоит в разработке единого, основанного на долгосрочных прогнозах и учитывающего влияние внешних факторов методического обеспечения управления качеством процесса проектирования, позволяющего создавать устойчивые к ошибкам прогнозирования модели облика ЛГС с учетом задач и условий его применения, а также проводить оценку потребительских свойств и затрат на разработку, производство и эксплуатацию ЛГС.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международной конференции «Авиация и космонавтика» в 2005-2006г.г., на научно-методических семинарах кафедры «Технологическое проектирование и управление качеством» Московского авиационного института (государственного технического университета). Основные положения диссертации опубликованы в 4-х работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников. Диссертация содержит 50 рисунков, 13 таблиц. Общий объем работы составляет 181 страница.
Во введении отражена аналитическая оценка сложившейся проблемной ситуации в области многоцелевых авиационных систем (легких гражданских самолетов) в части повышения эффективности их потребительских качеств на основе прогнозов перспективной структуры спроса и ожидаемого развития требований рынка, а также анализа технико-экономических, технологических и эксплуатационных особенностей систем.
14 Обосновывается актуальность научного диссертационного исследования, выбираются объект, предмет, определяются цели и задачи исследования, а также выделяются полученные результаты, обладающие научной новизной и практической ценностью.
Приводятся данные о фактическом внедрении, авторских публикациях, апробации работы и структуре диссертации.
В первой главе проведен системный анализ процессов повышения качества многоцелевой авиационной системы и выполнена проблемная постановка задачи исследования, в рамках которой разработана схема структуры и системных связей. Это позволило выработать обобщенный подход к их анализу и оценке эффективности. Показано, что функционирование многоцелевой авиационной системы связано с процессами проектирования и производства конкурентоспособных самолетов, а также с решением задач информационной поддержки изделия, возникающих в производственно-экономических механизмах на протяжении жизненного цикла.
Поиск целевых решений, направленных на повышение потребительских качеств многоцелевой авиационной системы, связан с оценкой требований заинтересованных сторон и стратегией непрерывного улучшения качества процессов проектирования и поиска оптимальных проектных решений.
Разработанная методика оценки результативности и эффективности многоцелевой авиационной системы позволяет последовательно переходить от содержательных представлений о системе к ее формальному описанию, основанному на диаграмме причинно-следственных связей.
Обобщенная модель для оценивания результативности и эффективности процесса проектирования многоцелевой авиационной системы использована для исследования категорий, влияющих на потребительские качества многоцелевой авиационной системы.
15 Во второй главе выполнен анализ состояния и развития информационной базы многоцелевой авиационной системы (на примере ЛГС как специфического класса авиасистем).
Современный этап развития легкой авиации характеризуется ее усложнением и высокими затратами финансовых и временных ресурсов на всех этапах жизненного цикла. Поэтому при создании новых самолетов для достижения успеха необходимо уже на стадии проектирования минимизировать производственные и коммерческие риски. Стадия проектирования должна быть устойчива к ошибкам прогнозирования, особенно при формировании цели создания самолета, обеспечивая высокий уровень потребительских свойств при изменениях требований как внутренней, так и внешней среды многоцелевой авиационной системы на всех этапах ее жизненного цикла.
Сделан вывод о необходимости разработки единого методического подхода к оценке эффективности потребительских качеств ЛГС в процедурах принятия проектных решений, позволяющих полно, всесторонне и корректно учитывать задачи и условия его применения, а также минимизировать затраты времени и средств на проектирование, производство и эксплуатацию ЛГС.
В третьей главе разработаны принципы оценки эффективности потребительских качеств при формировании облика и состава многоцелевой авиационной системы.
Описана математическая модель процесса проектирования самолета, как поиска некоторой совокупности проектных решений, которые обеспечат наибольшую эффективность при достижении поставленной цели, для формального описания которой в модели проектирования необходимо использовать множество значений характеристик задач и условий функционирования многоцелевой авиационной системы.
Для оценки эффективности проектных решений и их выбора в условиях неопределенности предложено применять многоцелевой (теоретико-множественного) подход. Введенные правила свертки вектора эффективно-
сти в скалярный функционал позволяют осуществлять процесс выбора решений в условиях множественности показателей качества как формальную процедуру оптимизации.
В четвертой главе выполнена постановка задачи оценки эффективности потребительских качеств и оптимизации облика ЛГС и разработаны модели системы предпочтений ЛПР на множестве частных показателей и оценки эффективности ЛГС на множестве заданий.
На основе системы уравнений движения самолета и модели оборачиваемости разработана процедура оценки эффективности проектных решений для ЛГС, выполняющих нерегулярные перевозки на сети авиалиний с неопределенными характеристиками.
Предложенная процедура формирования системы предпочтений ЛПР разработана как элемент системы поддержки принятия решений в условиях неопределенности. Эта процедура позволяет в диалоговом режиме формально описать множество неопределенностей, характеризующих систему предпочтений, позволяя вычислять на нем оценку эффективности, в т.ч. при определении значения целевой функции в прямых методах оптимизации.
Для оценки эффективности самолета разработана модель стоимостного показателя интегрального типа, позволяющая определить стоимостные характеристики ряда этапов жизненного цикла самолета.
С помощью моделирования диаграммы транспортных возможностей самолета определены его важнейшие потребительские свойства. Для построения областей достижимых заданий и оценок потребительских свойств самолета приведены основные зависимости для расчета взлетно-посадочных характеристик, а также важнейших показателей эксплуатационной эффективности самолета.
Для оценки эффективности решений распределения заданий из альтернативных областей между «конкурирующими» типами самолетов и определения областей наиболее эффективного применения каждого из них с учетом
17 функционирования самолетов в единой системе разработаны алгоритмы, позволяющие оценить влияние изменения основных характеристик отдельных типов самолетов на эффективность многоцелевой авиационной системы в целом.
В пятой главе приведены результаты апробации научно-методического обеспечения моделирования и оптимизации управления качеством многоцелевой авиационной системы в условиях неопределенности с получением численных результатов, иллюстрирующих его преимущества.
Даны примеры решения типовых задач оценки ЛГС как многоцелевой системы на основе единых моделей облика самолета и стоимости. В каждом примере множества заданий формировались по прогнозам авиаперевозок.
Рассмотрены задачи оценки решений в условиях множественности показателей эффективности (потребительских свойств) ЛГС для различных вариантов системы предпочтений ЛПР.
Каждая из пяти глав диссертации завершается выводами по главе.
В заключении приведены выводы, вытекающие из полученных в диссертации результатов.
В списке использованных источников перечислены работы, использованные при проведении диссертационного исследования.
Постановка задачи поиска целевых решений, связанных с повышением потребительских качеств многоцелевой авиационной системы
Применительно к самолету (как к объекту проектирования и элементу многоцелевой авиационной системы) множество внешних условий (элементов внешней среды, см. Рис. 1.1) описывается совокупностью выполняемых летных операций, заданной с определенной степенью информированности. Многоэлементность решения будет определяться семейством (системой) однотипных и разнотипных самолетов, а множество решений - допустимым множеством параметров системы самолетов.
Процесс проектирования самолета можно представить как поиск таких технических решений, которые повышают его эффективность, улучшают потребительские качества и, следовательно, конкурентоспособность.
В современной экономической науке конкурентоспособность принято оценивать соотношением «цена/качество». Конкурентоспособность изделия -это более высокое по сравнению с изделиями - аналогами соотношение показателей качества и затрат на приобретение и потребление изделия. Показатель конкурентоспособности - это численное выражение конкурентоспособности. Качество продукции - это степень соответствия характеристик продукции, требованиям потребителя. Например, существует метод количественной оценки показателей конкурентоспособности группы аналогичных изделий. Модель оценки конкурентоспособности самолета включает выбор критериев оценки технического совершенства проекта (соответствие техническому уровню, весовая эффективность, прямые эксплуатационные расходы, топливная эффективность) определяющие качество изделия и экономические показатели (стоимость 1 кг конструкции).
Очевидно, что более целесообразным будет тот вариант проектного решения, который повысит эффективность самолета в наибольшей степени. Следовательно, повышение эффективности самолета предполагает поиск оптимальных проектных решений в ходе выполнения процедуры принятия решений.
Знание требований потребителя (внешнего и внутреннего) и проведение эффективных измерений является ключевым моментом стратегии непрерывного улучшения качества процессов и продукции, состоящей из трех частей, которые сфокусированы на процессах проектирования и поиска оптимальных проектных решений (Рис. 1.2).
Совершенствование процесса проектирования (оптимизация) заключается в разбиении множества внешних условий на области наиболее эффективного применения каждого типа самолета системы и в выборе его оптимальных параметров. Эти действия направлены на решение проблемы путем устранения причин, оказывающих негативное влияние на результаты работы. Совершенствование процесса проектирования многоцелевой авиационной системы нацелено на достижение цели X с помощью построения системы У достижения поставленной цели. Х- цель, достижение которой необходимо обеспечить, и которую можно представить как совокупность заданий и условий их выполнения (например, если цель - доставка некоторого груза из пункта А в пункт Б, то задание можно описать расстоянием между этими пунктами и весом груза, а условия его выполнения - характеристиками аэропортов вылета и назначения, скажем, прочностью покрытия и длиной ВПП, и погодными условиями на трассе. Y- система, заданная вектором параметров и характеристик, и представляющая собой совокупность средств достижения поставленной цели и способов их использования (средство достижения цели из предыдущего примера описывается параметрами самолета, наземного комплекса и т.п., а способ использования - профилем полета, законом управления и т. п.).
Тогда за показатель эффективности системы Y можно принять некоторый функционал F(X,Y), который отражает ее качество (несовершенство) при достижении системой поставленной цели X.
Показатель эффективности системы непосредственно связан с потребительскими качествами многоцелевой авиационной системы, структура которых приведена на Рис. 1.3.
Структура потребительских качеств многоцелевой авиационной системы описывается, как правило, в виде дерева. Его промежуточные вершины являются групповыми показателями, отражающими различные стороны эффективности самолета (экономическую эффективность, весовое совершенство, ЛТХ, и т. д.). Конечными вершинами служат количественные показатели, учитывающиеся при оценке эффективности. Каждая группа показателей может включать как другие группы более низкого уровня, так и количественные показатели, которыми оканчиваются все ветви дерева.
Для многоцелевой авиационной системы выделим следующие группы показателей эффективности (потребительских качеств): Экономические показатели: себестоимость перевозки; стоимость; прибыль; другие. Массовые: взлетная масса; масса пустого самолета; коммерческая нагрузка; масса топлива; другие. Летно-технические: максимальная скорость; крейсерская скорость; дальность полета; другие. Взлетно-посадочные: длина разбега; длина пробега; другие. Геометрические: площадь крыла; удлинение; стреловидность; относительная толщина; другие. Показатели комфорта: условия для отдыха; условия для работы; уровень шума в салоне; другие. Эксплуатационные: диапазон рабочих температур; время подготовки к вылету; ремонтопригодность; другие. Структурирование показателей позволяет корректно решить обычную при поиске проектных решений проблему согласования противоречивых интересов участников проектирования. Эта возможность строго формально обеспечивается естественным свойством дерева показателей включать в состав различных групп одни и те же показатели (их группы). Для построения (уточнения) структуры потребительских качеств многоцелевой авиационной системы может быть использован метод ОИАСК (О -определение, И - измерение, А - анализ, С - совершенствование, К - контроль): 1. Определение требований потребителя (перечень оцениваемых ка честв). 2. Измерение, уточнение (конкретизация) показателей. 3. Анализ показателей, их ранжирование. Нахождение причин возникновения возможных несоответствий в требованиях.
Проблемы учета особенностей ЛГС в процессе проектирования
Особенности ЛГС, связанные с их назначением, географическими и экономическими условиями эксплуатации, проектирования и производства (разделы 2.1 и 2.2 /29, 30, 32, 33, 37, 38, 43, 44, 47/), сводятся к представленному ниже перечню. 1. Размерность и область использования ЛГС четко ограничены нормами летной годности АП-23 (FAR-23), согласно которым к этому классу относятся: - легкие самолеты МВЛ коммьютерной категории со взлетным весом не более 8600 кг и числом пассажиров - не более 19; - самолеты АОН (прежнее название - самолеты применения авиации в народном хозяйстве - ПАНХ), выполняющие любые виды авиационных работ, за исключением пассажирских коммерческих перевозок, и определяемые нормами АП-23 (FAR-23) как воздушные суда нормальной, общей и акробатической категории со взлетным весом до 5700 кг и числом пассажиров не более 9 (сюда же относятся самолеты РОСТО - учебные и спортивные). 2. В РФ сложилась сравнительно стабильная структура парка ЛГС, вклю чающего, в основном, устаревшие типы самолетов: - 15-19-местные самолеты, представленные самолетами MB Л L-410 и Ан-28; - 9-12-местные многоцелевые самолеты Ан-2, наиболее широко распространенные в России, и разработанные в последнее время на базе этой модели Ан-3 и Т—101 «Грач»; - 5-7 местные самолеты М-101 «Гжель» и СМ-92 «Финист» из разработок последних лет (незначительно представлены в парке); - 3-4-х местные самолеты Як-18Т и Ил-103 (этот класс является наиболее массовым за рубежом, но малочисленен в России); - 1-2-х местные самолеты, в основном принадлежащие РОСТО, а также самолеты типа «И-1», «Авиатика-890» в АОН; варианты некоторых перечисленных выше самолетов, используемых как легкие грузовые и административные. 3. Отмечаются определенные закономерности в распределении парка ЛГС и их специализации по регионам РФ: - региональные (внутренние) перевозки включают как внутри-, так и межрайонное воздушное сообщение, объем которого сократился в последнее время в 5, а для самолетов Ан-2 - в 10 раз (тем не менее, на внутренних авиалиниях пассажироперевозки осуществляют более 100 авиакомпаний и примерно столько же занято на авиационных работах); - авиакомпании, обслуживающие периферийные, малонаселенные регионы имеют в своем составе большое количество самолетов Ан-2, а также 77% парка самолетов Ан-28 и 50% - L-410; - значительное число легких самолетов (в основном Ан-2) функционирует в летных училищах, которые также составляют важный сегмент рынка ЛГС; - в южном регионе России малая авиация представлена только одним ти пом самолетов - Ан-2, который большое количество малых авиакомпаний, имеющих от 1 до 5 самолетов, используют как «аэротакси»; более крупные авиакомпании выполняют на Ан-2 работы по обслуживанию сельского хозяй ства. 4. Несмотря на затянувшийся кризис, появились предпосылки для раз вития ЛГС в различных направлениях: - объем работ малой авиации в отраслях экономики, в отличие от использования на MB Л, в последнее время быстро увеличивается: на 17% в приведенных летных часах и на 60% при обработке площадей в сельском хозяйстве; - увеличились грузовые перевозки на малых самолетах за счет нового сегмента перевозок - экспресс-доставка грузов; - растут перевозки служебных пассажиров в АОН; - увеличивается потребность в ЛГС для перевозки почты; - появилась тенденция увеличения спроса на авиауслуги в таких отраслях народного хозяйства как нефтяная и газовая промышленность (до 40%) всех авиаработ), лесоохрана, аэрофотосъемка, спасательные и санитарные работы; - в области услуг для сельского хозяйства прогнозируются серьезные изменения структуры парка сельскохозяйственных самолетов: - до 2010 г. экономически выгодным будет применение самолетов малой грузоподъемности - 100-400 кг, относительно дешевых для обработки 5-8 млн. га; - после 2005 г. сформируется спрос на сельскохозяйственный самолет средней (800-1000 кг), а к 2015 году - большой грузоподъемности. 5. Российский рынок ЛГС, который сегодня находится в депрессивном со стоянии, имеет значительный потенциал роста по мере укрепления экономи ки страны. При ожидаемом успешном развитии экономики потенциальный спрос российских коммерческих структур и частных владельцев легких самолетов на период до 2015 г. оценивается следующим образом: - 2200-2900 самолетов вместимостью до 9 мест и 250-380 коммьютерных самолетов; - 500-750 легких и средних сельскохозяйственных самолетов и 100-150-тяжелых. В случае реализации пессимистического сценария экономического развития оценки потенциального спроса снижаются с 3050-4200 самолетов рассматриваемых классов до 2000. Такой вариант экономического развития наиболее критичен для величины ожидаемого спроса на 7-9 и 15-19-местные самолеты, а также для средних и тяжелых сельскохозяйственных самолетов. Емкость российского рынка легких самолетов значительна и потенциальный спрос охватывает все классы ЛГС.
Среди многоцелевых самолетов следующим по спросу классом после 1-3-местных являются 4-6-местные ЛГС (28% по численности). Самолеты этой размерности более, чем другие, будут востребованы в традиционных сферах ПАНХ и также найдут широкое применение для решения новых задач АОН. Практическое отсутствие в российском парке современных ЛГС обусловливает значительную емкость их рынка. Важным стимулом потенциального спроса на ЛГС нового поколения является ожидаемое развитие требований к качеству и эффективности перевозок и работ, поскольку существующие провозные мощности легкого парка авиакомпаний (главным образом, Ан-2) формально значительно превосходят сегодняшний спрос на авиаперевозки и работы.
Детерминированные модели оценки эффективности проектных решений
Проблема адекватного моделирования многообразия целей (заданий) проектируемого самолета и других сложных систем является одной из центральных как для теории, так и для практики проектирования. Ее решение связано с определением структуры и содержания технического задания (ТЗ), облика создаваемой системы, а также предопределяет подходы и методы, используемые при проектировании. Эффективность функционирования любой транспортной системы, в частности парка самолетов, определяется, прежде всего, рациональным выбором проектных параметров входящих в нее элементов (объектов) yv...yp. Самолет, как правило, создается для выполнения некоторой совокупности заданий (целей) X = {xt}, / = 1,2... - совокупностей задач и условий функцио-нирования (п.ЗЛ.2). Поэтому, как показано в II, 21/, сравнительный анализ эффективности альтернативных вариантов и их оптимизацию необходимо осуществлять на основе критерия объединенной операции F(X,y) (см. ниже 3.13), оценивающему эффективность выполнения всей совокупности целей X. Оптимизация параметров самолета в соответствии с таким критерием затруднена, с одной стороны, неопределенностью информации о сфере его применения, ас другой - большой вычислительной сложностью, обусловленной размерностью задачи, ее комбинаторным характером и многоэкс-тремальностью функционала (3.13) /21/. Существует два принципиально возможных подхода к решению этой проблемы. В сложившейся практике проектирования используется упрощенная (од-ноцелевая, согласно терминологии /5/) постановка задачи оптимального проектирования, когда множество X обычно заменяется одним характерным, называемым «расчетным» или «номинальным», заданием (целью) х , а параметры системы выбираются из условия его эффективного выполнения. Примером расчетного задания для транспортного самолета является перевозка груза т на дальность L при заданных характеристиках аэродрома и т. д. Известно /5, 21/, что такой подход может приводить к ошибкам проектирования.
При оценке эффективности в рамках такой модели считают точно известными следующие параметры: - характеристики единственного расчетного задания (случая), для реализации которого, по сути, и предназначен создаваемый ЛА; - допустимое множество проектных параметров, отражающее возможности ЛПР; - функция эффективности, сопоставляющая каждому ЛА из числа допустимых меру его качества. Процесс проектирования как процесс принятия решений в результате сводится к формальному определению на допустимом множестве проектных решений такого сочетания параметров ЛА, которое обеспечивает экстремальное значение функции эффективности. Следует учесть, что каждое новое техническое решение, включенное в арсенал ЛПР, изменяет и возможности для создания самолета, т.е. деформирует некоторым образом область допустимых значений параметров самолета (см. 3.1.1). Поэтому для обоснованной оценки влияния технического решения на облик самолета и его эффективность необходимо скорректировать систему связей математической модели, описывающей эту область. Хотя такая коррекция затрагивает обычно несколько расчетных соотношений модели допустимого множества Yx, она приводит к необходимости весьма трудоемкой перестройки алгоритма определения значения оценки эффективности и, следовательно, всей вычислительной процедуры.
Поэтому для учета влияния принимаемых (новых) проектных решений на эффективность самолетов обычно служат приближенные методы, такие, как метод проектирования «от прототипа», метод коэффициентов и др. Эти методы основаны на линеаризации показателя эффективности и позволяют вычислять его прирост по изменению параметров проектного решения по соответствующим коэффициентам. Теоретические основы проектирования «от прототипа» были сформулированы на рубеже ШХ-ХХ в.в. французским инженером-кораблестроителем Жаком-Огюстом Норманом для определения водоизмещения проектируемых судов /39/. В дальнейшем этот метод (дифференциальный метод или метод градиентов) широко использовался в 20-30-х г.г. XX в. при разработке дирижаблей и самолетов, а дифференциальные поправки назывались коэффициентами Нормана. Развитием метода коэффициентов Нормана применительно к задачам проектирования самолетов является широко распространенный в 60-х годах метод градиентов Томашевича-Бадягина, основанный на линеаризации улучшаемого показателя эффективности (или свойства) самолета торому признаку (параметру или характеристике) . На этой основе были введены понятия ущерба и целесообразности тех или иных конструктивных, технологических и др. мероприятий /13/. Отметим одну принципиальную особенность вычисления показателя эффективности и его производных, без учета которой невозможно корректное использование этого метода в практике проектирования. Для этого рассмотрим показатель эффективности Щу,со), в которому- независимая переменная, а со - зависимая, определяемая неявной функцией от_у: В этом случае Щу,со) фактически является функцией независимых переменных, которая вычисляется указанным в (3.11) сложным способом, а его полная производная с учетом правила дифференцирования неявных функций проектных решений относится к классу задач на условный экстремум: Для вычисления же производной с учетом дополнительных связей О что само по себе является сложной задачей, необходимо также применять и более полные математические модели облика и функционирования самолета. Существуют и принципиальные ограничения использования метода градиентов (3.10) в проектировании. В частности, этот метод не позволяет корректно оценить проектные решения, которые значительно изменяют облик прототипа и, следовательно, значения параметров и функциональных характеристик самолета (ЛТХ, ВПХ и т. д.). Кроме того, этот метод неприемлем, если проектные параметры и показатели эффективности не являются дифференцируемыми (а многие проектные зависимости, как известно, имеют ступенчатый характер изменения, не являются непрерывными и т. п., что обусловлено, например, спецификой моделирования ограничений в ТЗ, норм летной годности и другими факторами). В этом случае не только резко возрастает погрешность в оценке, но может быть получен обратный результат.
От этих проблем в значительной мере свободна модель оптимального проектирования в так называемой одноцелевой постановке /2, 13/, разработка которой стало важным этапом развития теории и методов проектирования самолетов. Эта модель позволила перейти к внедрению систем автоматизированного проектирования (САПР) в процесс создания ЛА различных классов, определить. Эта модель предопределила схему взаимодействия заказчика и разработчика ЛА, формирования ТЗ на новый ЛА и способы оценки его эффективности.
Формирование системы предпочтений при поиске проектных решений
Для учета неоднозначности системы предпочтений при оценке эффективности проектных решений была использована процедура, разработанная в рамках развития многоцелевого подхода как элемент системы поддержки принятия решений (СППР) в условиях неопределенности /39 - 41/. Эта процедура в диалоговом режиме позволяет в естественных для участников проектирования понятиях формально описать множество неопределенностей, характеризующих систему предпочтений, позволяя вычислить на нем оценку эффективности, в том числе, при определении значения целевой функции в прямых методах оптимизации. Система предпочтений формируется ЛПР на основе следующих операций. 1. Формируется банк оцениваемых решений (Таблица 4.1 и Рис. 4.2). 2. Задается склонность пользователя к риску (Рис. 4.3) при выборе (поиске) вариантов в виде одного из двух способов оценки их эффективности: - по средней оценке; - по наихудшему показателю.
Оценка по среднему значению, предполагающая компенсацию потерь, характерна для более оптимистичного пользователя и сводится к назначению показателя (3.19). Оценка по наихудшему показателю (3.20) соответствует гарантирующему подходу, свойственному игровой модели принятия решений, когда пользователь старается минимизировать максимально возможные потери. 3. Задается структура показателей (Таблица 4.2, Рис. 4.4), которая описывается в виде дерева. Его промежуточные вершины являются групповыми показателями, отражающими, по представлению ЛПР, различные стороны эффективности самолета (экономическую эффективность, весовое совершенство, ЛТХ, и т. д.). Конечными вершинами служат количественные показатели, учитывающиеся ЛПР при оценке эффективности (Таблица 4.1). Каждая группа показателей может включать как другие группы более низкого уровня, так и количественные показатели, которыми оканчиваются все ветви дерева. Структурирование показателей позволяет корректно решить обычную при поиске проектных решений проблему согласования противоречивых интересов участников проектирования (с увеличением числа двигателей, например, повышается надежность и живучесть самолета и в то же время ухудшаются его эксплуатационные характеристики, растет стоимость). Эта возможность строго формально обеспечивается естественным свойством дерева показателей включать в состав различных групп одни и те же показатели или их группы. 4. Ранжируются показатели каждой группы (Таблица 4.2 и Рис. 4.4) по их относительной важности с точки зрения обеспечения эффективности объекта в целом.
Процедура ранжирования сводится к заданию пользователем номера группы важности для каждого показателя. Ранжирование может быть нестрогим и неполным, что повышает обоснованность системы предпочтений и, в итоге, результатов поиска. Нестрогость состоит в том, что пользователь имеет право включать в одну группу несколько показателей, которые он считает равноценными. Такая возможность позволяет решить типичную для многих задач принятия решений проблему «парадокса Кондорсэ», когда из трех показателей 1-ый представляется пользователю более важным, чем 2-ой, 2-ой - чем 3-ий, а 3-ий - важнее 1-го. В этом случае все три показателя достаточно включить в одну группу важности. Подсистема допускает и такое проявление нестрогости предпочтений, когда одна или несколько групп может не содержать ни одного показателя, если пользователь полагает, что разрыв по важности между показателями смежных групп слишком велик. Такое решение аналогично решению жюри какого-либо конкурса не присуждать призерам, скажем, II места, ограничившись I и III. Неполнота ранжирования проявляется в том, что пользователь вправе не включать ряд показателей ни в одну группу важности, если не в состоянии оценить их важность по отношению к другим показателям, хотя и считает необходимым учесть их при поиске решения. В этом случае их степень важности неопределенна и они образуют «нулевую» группу показателей («нулевой» номер здесь - чисто условное понятие, не связанное с местом данной группы в ряду остальных групп важности). 4. Задаются предельно-допустимые и идеальные значения показателей. Предельно-допустимое значение соответствует границе диапазона, выход за которую делает для пользователя неприемлемым вариант объекта при любом значении других показателей. Смысл идеального значения показателя состоит в том, что выход за эту границу практически не оказывает влияния на принятие решения. Например, при дальности полета 20000 км достигается любая точка земной поверхности и ее дальнейшее увеличение уже не влияет на эффективность самолета в смысле досягаемости по дальности. Введение в качестве нормы пространства абсолютных отклонений (см. /16/) интервала [/п,/утах], где /7т1П и / шах - соответственно идеальное и предельно-допустимое значения j -го показателя, позволяет ЛПР полнее и содержательнее отразить свои представления об эффективности объекта и условиях его функционирования, решая проблему сопоставимости разнородных показателей.
