Russian Federation
Russian Federation
The article describes some aspects of formalization and optimization of the characteristics of complex technical products. The necessity of "parallel" improvement of components while optimizing the characteristics of the product is proved. It is proposed to use a systematic approach as the basis for these processes, and the problem of optimizing the characteristics of the product being developed is also formulated in general terms.
terms of reference, complex technical product, system approach, requirements, development
Современный уровень научно-технического прогресса и уровень развития инноваций позволяют создавать и в последующем эксплуатировать сложные технические изделия (СТИ) различного назначения с высокими конструктивно-эксплуатационными показателями. Однако качественное решение этих задач, а также сокращение сроков разработки может быть обеспечено только при условии широкого внедрения математических методов и автоматизированной системы управления на всех стадиях проектирования и испытания СТИ.
Известно множество публикаций в данной предметной области, среди них работы ученых и специалистов в области управления жизненным циклом сложных технических изделий, таких как: А.И. Буравлев [1], Ю.Л. Вященко [2], А.С. Афанасьев [2], Д.П. Гасюк [3], В.Н. Половинкин [4], А.В. Дышкантюк [4], Л.А. Мартыщенко [5], А.Е. Филюстин [5] и мн. др. При их несомненной теоретической ценности и практической значимости, следует отметить, что постановка задачи оптимизации характеристик в них не нашла должного рассмотрения.
В этой связи данная задача и порядок ее решения представляется актуальными. Вербально она может быть сформулирована следующим образом. Необходимо определить оптимальные значения конструктивно-эксплуатационных характеристик СТИ или отдельных его элементов, которые обеспечивают экстремум принятой целевой функции, определяющей основной критерий качества образца, и реализацию установленных тактико-техническим заданием (ТТЗ) требований при заданных условиях его эксплуатации [6 - 13].
Корректное решение рассматриваемых задач оптимизации возможно только на основе системного подхода, т.е. при формализации должны учитываться условия эксплуатации СТИ, сложившаяся или предполагаемая система технического обслуживания, характеристики других систем или изделий, с которыми взаимодействует разрабатываемое изделие или его элементы [14 - 19]. При этом СТИ должно рассматриваться как сложная система, состоящая из множества подсистем и имеющая, как правило, многоэтапный процесс функционирования [20 - 27]. Это приводит к необходимости решения задачи оптимизации в несколько взаимоувязанных этапов, каждый из которых обычно реализуется на основе своего специфического алгоритма [28 - 36]. Иными словами, процесс решения подобных задач должен иметь сложную иерархическую структуру (рис. 1).
На верхнем уровне производится оптимизация характеристик системы в целом, на основе чего разрабатываются ТТЗ и техническое задание (ТЗ) на отдельные подсистемы, которые принимаются в качестве исходных данных для формулировки и решения задач оптимизации характеристик подсистем, рассматриваемых на более низких иерархических уровнях. На основе результатов взаимного согласования характеристик отдельных подсистем и системы в целом, а также проверки их соответствия заданным ТТЗ (ТЗ) могут проводиться повторные решения задач оптимизации после корректировки условий их постановки (целевых функций, ограничений, принципиальных схем конструкций, математических моделей) или ТЗ на разработку подсистем. Найденные в результате решения задачи характеристики подсистем и системы в целом должны быть полностью согласованы между собой, обеспечивать экстремумы выбранных критериев качества СТИ и соответствовать заданным в ТТЗ требованиям.
Следует отметить, что многоэтапность и иерархичность структуры процесса оптимизации характеристик СТИ связаны не только с тем, что разрабатываемое изделие представляет собой сложную систему, но также и с тем, что проектирование отдельных систем осуществляется, как правило, различными организациям, которые в итоге совместно с головными предприятиями должны создать изделие как единое целое с высокими качественными показателями.
Рис. 1. Содержание процесса оптимизации характеристик СТИ
Решение задач оптимизации характеристик изделия (или отдельных его подсистем) также представляет собой сложный многоэтапный процесс (рис. 2), который включает: постановку и математическую формулировку задачи; решение оптимизационной задачи; анализ полученных результатов.
Рис. 2. Порядок оптимизации характеристик объектов СТИ
При постановке задачи оптимизации на основе ТТЗ, исходя из назначения СТИ, определяется объект разработки, из ряда возможных альтернативных вариантов выбирается его целесообразная (или оптимальная) принципиальная схема, проводится анализ предполагаемых (прогнозируемых) условий эксплуатации изделия и устанавливаются характеристики внешних воздействий и возмущений 
. Определяется номенклатура основных характеристик, проектных параметров изделия 
, оптимальные значения которых требуется найти. На основе анализа назначений, условий эксплуатации системы и ТТЗ (ТЗ) на ее разработку формируется критерий качества системы, т.е. целевые функции задачи оптимизации.
. (1)
Определяются ограничивающие условия в виде функциональных
или параметрических 
неравенств. При этом константа 
и 
определяются ТТЗ (ТЗ), условиями эксплуатации СТИ и опытом разработки аналогичной продукции.
На этапе постановки задач оптимизации должна быть разработана математическая модель, с достаточной полнотой и точностью описывающая процесс функционирования изделия и связывающая ее выходные характеристики 
c оптимизируемыми параметрами 
и возмущениями 
с помощью функциональных зависимостей или систем уравнений (алгебраических, дифференциальных, интегральных)
. (2)
Если процесс функционирования разрабатываемого изделия является многоэтапным, то математические модели должны формироваться применительно к каждому этапу.
Таким образом, задача оптимизации характеристик разрабатываемого СТИ в общем виде формулируется следующим образом: найти значения характеристик и проектных параметров изделия, процесс функционирования которого описывается уравнением вида (2), при условии максимизации (или минимизации) целевой функции 
и удовлетворения принятых ограничений.
Исходя из вида и сложности математической модели целевой функции (1), ограничивающих условий, внешних возмущений , а также числа оптимизируемых параметров , определяется метод решения уравнений (2) (аналитический, численный, статистических испытаний), разрабатываются алгоритмы статистической обработки результатов моделирования и решения задачи оптимизации.
Задачи оптимизации характеристик отдельных элементов изделия и особенно его подсистем во многих случаях, в частности, при их эскизной обработке, могут быть сформулированы в сравнительно простой форме. При этом для решения указанных задач часто могут успешно применяться аналитические методы оптимизации, которые позволяют не только найти оптимальные значения искомых характеристик, но и определять влияние на них различных факторов.
На практике для получения аналитических решений задач оптимизации характеристик СТИ часто применяются методы исследования функций на экстремум. При этом в случае малого числа оптимизируемых параметров и небольшом числе ограничений может использоваться метод подстановки, когда из ограничивающих условий одни оптимизируемые параметры можно выразить через другие в явном виде. Тогда после подстановки этих зависимостей в критерий качества удается его представить как функцию одного из оптимизируемых параметров 
в виде
. (3)
После чего оптимальное значение находят решением уравнения 
.
Если метод подстановки применить не удается, то часто аналитическое решение задач оптимизации может быть получено на основе метода множителей Лагранжа, когда из целевой функции 
и ограничений 
записывается функция Лагранжа
, (4)
где 
– множители Лагранжа.
Оптимальные значения характеристик 
находятся в результате решения системы уравнений
.
После определения оптимальных значений параметров на основе математического моделирования производится подробный анализ конструктивно-эксплуатационных характеристик СТИ при заданных условиях эксплуатации и проверка соответствия его характеристик требованиям ТТЗ (ТЗ).
При отсутствии решения, удовлетворяющего требованиям, т.е. в случае если критериальные требования не удовлетворяются, представляются возможными два варианта действий [37 - 41]:
для разработчика – расширение множества альтернатив проектно-конструкторских решений;
для заказчика – снижение требований (снижение значений характеристик, сокращение набора функций). Вполне очевидно, что данный выбор должен осуществляться с позиций баланса интересов каждой стороны.
Таким образом, на основании изложенного представляется возможным сделать следующие выводы:
1. Оптимизация характеристик СТИ представляет собой сложный многоаспектный процесс, требующий учета множества факторов.
2. Предложенная процедура позволяет формализовать процесс оптимизации характеристик разрабатываемых и модернизируемых изделий и может послужить теоретическим базисом для внедрения в практику разработки СТИ систем поддержки принятий решений на основе экспертных систем и искусственного интеллекта, содержащим соответствующее обеспечение: математическое (модели процессов функционирования СТИ и его элементов; модели, описывающие порядок действий разработчика, алгоритмы оптимизации характеристик образцов СТИ), программное (программы реализации моделей и алгоритмов на ЭВМ) и информационное (база данных по типовым, стандартным, конструктивным элементам, материалам, ГОСТам, нормалям, таблицам допусков, стоимости и т.д.).
3. Наличие единого информационного контура, объединяющего с помощью информационных каналов в единое целое ЭВМ заказчика, головных и смежных разработчиков, исполнителей, наличие в нем единой обеспечивающей базы, возможность концентрации информации в ЭВМ и оперативного ее получения на любых этапах опытно-конструкторских работ позволяют вести систематический контроль за процессом разработки изделий и оказывать активное влияние со стороны заказчика и головных разработчиков, что в итоге позволит повысить обоснованность выбора конструкторских решений и сократить сроки проектирования.
1. Buravlev, A.I. Upravlenie tehnicheskim obespecheniem zhiznennogo cikla vooruzheniya i voennoy tehniki / A. I. Buravlev, A. A. P'yankov. - Moskva: Izdatel'skiy dom "Granica", 2015. - 304 s. - ISBN 978-5-94691-708-7.
2. Vyaschenko Yu.L. Sistemnaya inzheneriya, riski, nadezhnost' v razrabotke i proizvodstve izdeliy voennogo naznacheniya / Yu. L. Vyaschenko i dr. Balt. gos. tehn. un-t - SPb., 2018. - 572 s.
3. Gasyuk D. P. Funkcional'noe modelirovanie processov zhiznennogo cikla vooruzheniya i voennoy tehniki / D. P. Gasyuk, V. A. Dubovskiy, P. A. Drogovoz // Vestnik akademii voennyh nauk. 2020. № 3 (72). - S. 105-112.
4. Polovinkin, V.N. Sistemnyy podhod k ocenke zhiznennogo cikla vooruzheniya VMF i metody ego realizacii / V. N. Polovinkin, A. V. Dyshkantyuk // Morskoy sbornik. - 2009. - № 7. - S. 23 - 28.
5. Martyschenko, L. A. Voenno-nauchnye issledovaniya i razrabotka vooruzheniya i voennoy tehniki: uchebnik Ch-1 / L. A. Martyschenko, A. E. Filyustin, E. S. Golik, A. A. Klavdiev. - SPb: MO RF, 1993. - 301 s.
6. Gar'kushev A.Yu., Sazykin A.M. Optimizaciya vnedreniya novyh tehnologiy v perspektivnye obrazcy artilleriyskogo vooruzheniya // Izvestiya Rossiyskoy akademii raketnyh i artilleriyskih nauk. 2012. № 4 (74). S. 39-44.
7. Anisimov V.G., Anisimov E.G. Matematicheskie modeli i metody v upravlenii razvitiem slozhnyh tehnicheskih sistem.- Sankt-Peterburg, 2004.- 280 s.
8. Vedernikov Yu.V., Gar'kushev A.Yu., Sazykin A.M. Nauchno-metodicheskoe soprovozhdenie integracii vysokotehnologichnyh innovaciy v processy razrabotki vysokotochnogo oruzhiya // Voprosy oboronnoy tehniki. Seriya 16: Tehnicheskie sredstva protivodeystviya terrorizmu. 2014. № 3-4 (69-70). S. 66-75.
9. Anisimov V.G., Anisimov E.G., Kezhaev V.A., Svertilov N.I., Shatohin D.V. Metody i modeli standartizacii i unifikacii v upravlenii razvitiem voenno-tehnicheskih sistem.- Moskva: Voennaya akademiya General'nogo shtaba Vooruzhennyh Sil Rossiyskoy Federacii; 2004.- 279 s.
10. Chvarkov S.V. Model' planirovaniya processov proizvodstva raketno-artilleriyskogo vooruzheniya / S.V. Chvarkov [i dr.] // Izvestiya Rossiyskoy akademii raketnyh i artilleriyskih nauk. 2018. № 3 (103). S. 141-147.
11. Anisimov V.G., Anisimov E.G., Afonin P.N., Gapov M.R., Saurenko T.N. Model' i metod optimizacii resheniy pri upravlenii razvitiem tehnicheskih sredstv tamozhennogo kontrolya // V sbornike: Tamozhennye chteniya - 2017. Sovremennaya nauka i obrazovanie na strazhe ekonomicheskih interesov Rossiyskoy Federacii: sbornik materialov Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferencii s mezhdunarodnym uchastiem : V 3 t.. 2017. S. 11-21.
12. Zegzhda P.D. Model' formirovaniya programmy razvitiya sistemy obespecheniya informacionnoy bezopasnosti organizacii / P.D. Zegzhda, D.P. Zegzhda [i dr.] // Problemy informacionnoy bezopasnosti. Komp'yuternye sistemy. 2021. № 2 (46). S. 109-117.
13. Turchak A.A. Formalizaciya i optimizaciya zhiznennogo cikla sozdaniya bortovyh radioelektronnyh kompleksov: monografiya / A. A. Turchak, A. N. Shestun, A. A. Sencov; pod red. Yu. M. Smirnova. - SPb.: POLITEH-PRESS, 2021. - 294 s.
14. Anisimov V.G., Anisimov E.G., Gercev V.N. Ocenivanie effektivnosti sistemy raketno-artilleriyskogo vooruzheniya raketnyh voysk i artillerii // Voennaya mysl'. 2001. № 4. S. 39-46.
15. Anisimov V.G., Zegzhda P.D., Suprun A.F., Anisimov E.G. The problem of innovative development of information security systems in the transport sector // Automatic Control and Computer Sciences. 2018. T. 52. № 8. S. 1105-1110.
16. Tebekin A.V. Sposob formirovaniya kompleksnyh pokazateley kachestva innovacionnyh proektov i programm / A.V. Tebekin, T.N. Saurenko [i dr.] // Zhurnal issledovaniy po upravleniyu. 2018. T. 4. № 11. S. 30-38.
17. Chvarkov S.V. Uchet neopredelennosti pri formirovanii planov innovacionnogo razvitiya voenno-promyshlennogo kompleksa / S.V. Chvarkov [i dr.] // Aktual'nye voprosy gosudarstvennogo upravleniya Rossiyskoy Federacii: Sbornik materialov kruglogo stola.- Voennaya akademiya general'nogo shtaba vooruzhennyh sil Rossiyskoy Federacii, Voennyy institut (Upravleniya nacional'noy oboronoy). 2018. S. 17-25.
18. Vasil'kovskiy S.A., Sazykin A.M. Model' i metod sinteza oblika voenno-tehnicheskih sistem putem proektnoy komponovki iz unificirovannyh moduley // Izvestiya Rossiyskoy akademii raketnyh i artilleriyskih nauk. 2015. № 2 (87). S. 10-13.
19. Krikun V.M., Vasil'kovskiy S.A. Mnogourovnevaya zadacha standartizacii tehnicheskih kompleksov // Standarty i kachestvo. 1992. № 1. S. 30-32.
20. Anisimov E.G., Anisimov V.G., Saurenko T.N., Chvarkov S.V. Ekonomicheskaya politika v sisteme nacional'noy bezopasnosti Rossiyskoy Federacii // Nacional'nye prioritety Rossii. 2016. № 3 (21). S. 22-32.
21. Bug S.V., Koritchuk V.V., Saurenko T.N. Model' obosnovaniya programmy innovacionnogo razvitiya sistemy trenazhernyh kompleksov ministerstva Oborony Rossiyskoy Federacii // Nauchnye problemy material'no-tehnicheskogo obespecheniya Vooruzhennyh Sil Rossiyskoy Federacii. 2021. № 1 (19). S. 30-42.
22. Chernysh A.Ya., Mel'nik D.A. Model' podderzhki prinyatiya resheniy pri formirovanii programm innovacionnogo razvitiya predpriyatiy elektrotehnicheskoy otrasli mashinostroeniya // Vestnik Rossiyskogo ekonomicheskogo universiteta imeni G.V. Plehanova. 2021. T. 18. № 4 (118). S. 140-151.
23. Myasnikov A.V., Konoplev A.S., Suprun A.F., Anisimov V.G., Kasatkin V.V., Los’ V.P. Constructing the model of an information system for the automatization of penetration testing // Automatic Control and Computer Sciences. 2021. T. 55. № 8. S. 949-955.
24. Zegzhda P.D. Metodicheskiy podhod k postroeniyu modeley prognozirovaniya pokazateley svoystv sistem informacionnoy bezopasnosti / P.D. Zegzhda, A.F. Suprun [i dr.] // Problemy informacionnoy bezopasnosti. Komp'yuternye sistemy. 2019. № 4. S. 45-49.
25. Tebekin A.V. Metodicheskiy podhod k modelirovaniyu processov formirovaniya planov innovacionnogo razvitiya predpriyatiy / A. V. Tebekin, T.N. Saurenko [i dr.] // Zhurnal issledovaniy po upravleniyu. 2019. T. 5. № 1. S. 65-72.
26. Saurenko T.N Optimizaciya parametricheskih ryadov produkcii predpriyatiya s uchetom sluchaynosti rynochnogo sprosa / T.N. Saurenko [i dr.] // Zhurnal issledovaniy po upravleniyu. 2022. T. 8. № 1. S. 10-16.
27. Saurenko T.N Optimizaciya parametricheskih ryadov produkcii predpriyatiya s uchetom sluchaynosti rynochnogo sprosa i upuschennoy vygody / T.N. Saurenko [i dr.] // Zhurnal issledovaniy po upravleniyu. 2022. T. 8. № 2. S. 3-9.
28. Chernysh A.Ya. Ocenka effektivnosti perspektivnyh avtomatizirovannyh informacionno-upravlyayuschih sistem voennogo naznacheniya na osnove naturnyh ispytaniy / A.Ya. Chernysh [i dr.] // Nauchnyy vestnik oboronno-promyshlennogo kompleksa Rossii. 2022. № 1. S. 37-41.
29. Anisimov V.G. Metodicheskiy podhod k ocenke nadezhnosti ciklicheski primenyaemyh slozhnyh tehnicheskih sistem / V.G. Anisimov, E.G. Anisimov [i dr.] // Zhurnal tehnicheskih issledovaniy. 2021. T. 7. № 4. S. 57-62.
30. Anisimov V.G., Anisimov E.G., Bosov D.B. Setevye modeli i metody resursno-vremennoy optimizacii v upravlenii innovacionnymi proektami.- Moskva, 2006.- 117 s.
31. Anisimov V.G. Modeli organizacii i provedeniya ispytaniy elementov sistemy informacionnogo obespecheniya primeneniya vysokotochnyh sredstv / V.G. Anisimov, E.G. Anisimov [i dr.] // Trudy Voenno-kosmicheskoy akademii im. A.F. Mozhayskogo. 2015. № 648. S. 6-12.
32. Tebekin A.V. Evolyucionnaya model' prognoza chastnyh pokazateley innovacionnyh proektov (na primere tehnicheskih innovaciy) / A.V. Tebekin, T.N. Saurenko [i dr.] // Zhurnal issledovaniy po upravleniyu. 2019. T. 5. № 6. S. 55-61.
33. Gar'kushev A.Yu., Gasyuk Yu.D. Modelirovanie priemo-sdatochnyh ispytaniy raketno-artilleriyskogo vooruzheniya // Izvestiya Rossiyskoy akademii raketnyh i artilleriyskih nauk. 2015. № 2 (87). S. 95-100.
34. Koval'chuk A.M., Romanyuta A.E., Sazykin A.M. Ocenka effektivnosti perspektivnogo vooruzheniya i voennoy tehniki na osnove naturnyh ispytaniy // Izvestiya Rossiyskoy akademii raketnyh i artilleriyskih nauk. 2022. № 1 (121). S. 42-46.
35. Anisimov V.G., Anisimov E.G. Formal'naya struktura zadach standartizacii i unifikacii pri upravlenii razvitiem slozhnyh tehnicheskih sistem // Zaschita i bezopasnost'. 2004. № 4 (31). S. 26-31.
36. Anisimov A.V. Problema sravneniya i vybora varianta postroeniya sistemy bezopasnosti / A.V. Anisimov, A.E. Anisimov [i dr.] // Aktual'nye problemy zaschity i bezopasnosti: Trudy Chetvertoy Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferencii.- Sankt-Peterburg: Nauchno-proizvodstvennoe ob'edinenie special'nyh materialov 2001.- S. 348-351.
37. Tebekin A.V., Peschannikova E.N. Stohasticheskaya model' dinamiki chastnyh pokazateley tehnicheskih innovaciy // Zhurnal issledovaniy po upravleniyu. 2021. T. 7. № 1. S. 36-43.
38. Saurenko T.N., Los' V.P. Ocenka effektivnosti sistem zaschity komp'yuternyh setey ot virusnyh atak // Problemy informacionnoy bezopasnosti. Komp'yuternye sistemy. 2022. № 1 (49). S. 11-17.
39. Sazykin A. M., Koval'chuk A. M., Romanyuta A. E. Metodicheskiy podhod k ocenke nadezhnosti vooruzheniya i voennoy tehniki na osnove ogranichennogo ob'ema naturnyh ispytaniy // Voprosy oboronnoy tehniki. Seriya 16: Tehnicheskie sredstva protivodeystviya terrorizmu. 2022. № 3-4 (165-166). S. 95-98.
40. Svidetel'stvo o gosudarstvennoy registracii programmy dlya EVM № 2020619073 Rossiyskaya Federaciya. Programmnyy modul' podderzhki prinyatiya resheniya po rezul'tatam etapa zhiznennogo cikla slozhnoy tehnicheskoy sistemy voennogo naznacheniya: № 2020617663: zayavl. 14.07.2020: opubl. 10.08.2020 / V. A. Dubovskiy, N. I. Dubovskaya; zayavitel' Federal'noe gosudarstvennoe kazennoe voennoe uchrezhdenie vysshego obrazovaniya «Voennaya akademiya material'no-tehnicheskogo obespecheniya imeni generala armii L.V. Hruleva» Ministerstva oborony Rossiyskoy Federacii.
41. Anisimov, V. G. Metody i modeli optimizacii v upravlenii razvitiem slozhnyh tehnicheskih sistem / V. G. Anisimov, E.G. Anisimov [i dr.]. - SPb: Politehnika, 2004. - 279 s.
