Анализ конфигурации космических аппаратов средствами специализированной среды инструментальной поддержки
, ,
( им. академика , Россия, Железногорск
Сибирский федеральный университет, Россия, Красноярск)
В условиях современной рыночной экономики, порождающей жесткую конкуренцию практически в любой сфере деятельности человека, эффективность достижения поставленных задач в космических программах напрямую зависит от успешности разработки и проектирования космических аппаратов (КА), участвующих в проектах. Предлагается программное обеспечение, реализующее специализированную среду для обеспечения формирования множества Парето альтернативных вариантов подсистем КА. Результатом разработки программы стала общая концепция построения архитектуры и структуры среды инструментальной поддержки многокритериального анализа, настраиваемой на особенности прикладной области.
Введение. В условиях современной рыночной экономики, порождающей жесткую конкуренцию практически в любой сфере деятельности человека, эффективность достижения поставленных задач в космических программах напрямую зависит от успешности разработки и проектирования космических аппаратов (КА), участвующих в проектах. При этом КА, как и любая другая сложная техническая система, описывается большим количеством альтернативных вариантов его конфигурации. Это обусловлено его многоуровневой структурой, формируемой множеством подсистем, представленных различными вариантами реализации.
Процесс проектирования осложняется тем, что при централизованной процедуре принятия главным конструктором (ЛПР верхнего уровня) окончательного решения о структуре КА, задачи по анализу альтернативных вариантов отдельных бортовых систем распределяются между другими ответственными специалистами (ЛПР нижнего уровня). В результате ЛПР верхнего уровня, руководствуясь техническими показателями и критериями эффективности КА как целостной системы, может сделать выбор не самой лучшей подсистемы по мнению лица, ответственного за ее проработку. При этом часто принятие решения является неочевидным из-за схожести параметров альтернативных вариантов и наличия множества противоречивых критериев, не поддающихся ручному анализу. Для получения сопоставляемых критериев приходится проводить расчеты по сложным формулам, учитывающим характеристики подсистем различного уровня иерархии. Отсюда следует, что для определения наиболее эффективного варианта системы или сокращения числа альтернатив перед более детальной экспертизой необходимо использовать методы многокритериального анализа, реализованные в соответствующем программном обеспечении.
Методология эффективного проектирования при одновременном привлечении к этому процессу вычислительных мощностей ЭВМ значительно сокращает сроки и стоимость разработки КА, повышая качество проектирования, эффективность использования бортовых ресурсов и выходные характеристик аппарата. В настоящее время существуют различные виды инструментальных программных средств, обеспечивающих требуемую поддержку. Например, можно использовать универсальные математические пакеты, такие как MathCAD [1], MATLAB [2], STATISTICA [3] и другие, позволяющие проводить многокритериальный анализ. Но их применение приводит к ряду трудностей, снижающих эффективность этапа проектирования КА. Рассмотрим наиболее значимые из них:
- пакеты программ обладают сложным внутренним языком, знание которого необходимо для проведения основных работ;
- пакеты содержат ограниченный набор инструментальных средств, и процесс интеграции новых требует привлечения специалистов-математиков и профессиональных разработчиков;
- подготовка входных данных и результаты формируются в виде, ориентированном на специалистов-математиков, а не конечного пользователя, решающего определенную прикладную задачу.
Привлечение специалистов-математиков к процессу проектирования КА порождает необходимость дополнительного их обучения особенностям предметной области. Обратная ситуация по повышению уровня математических знаний у пользователей-прикладников также требует затрат на повышение квалификации. В результате к проекту привлекается большое количество людей, не связанных непосредственно с производственным процессом, что приводит к трате дополнительных материальных ресурсов и увеличению общего времени его реализации.
Альтернативной группой инструментов, которые могут быть использованы для поддержки многокритериального анализа, являются специализированные программные средства, разработанные на заказ для решения конкретной задачи некоторой прикладной области [4,5]. Их разработка подразумевает преодоление ряда трудностей технического и научного характера, обуславливаемых особенностями решаемой задачи. При этом в случае работы со сложной технической системой, состоящей из совокупности подсистем, может сформироваться ситуация, в которой отдельные элементы программного обеспечения будут дублировать функции друг друга. Такие решения эффективны на ранней стадии создания инструмента и выступают прототипом для разработки более универсального средства, ориентированного на группу схожих задач и обладающего механизмами настройки под конкретные условия и прикладную область.
Разработка КА является одной из задач создания сложных технических систем. Успешность проекта, которому принадлежит эта задача, в целом напрямую зависит от эффективности решения этой задачи, что, в свою очередь, требует привлечения большого количества людей и материальных ресурсов. Это обусловлено не только высокой динамикой развития современного научного и технического мира, но и жесткой конкуренцией на мировом рынке космических программ. В настоящее время при разработке КА используется ряд уже наработанных подсистем, различающихся не только реализованной функциональностью, но и набором свойств, формирующих в соответствии с принципом эмерджентности характеристики КА как целостного объекта. При этом общее количество возможных конфигураций аппарата настолько велико, что выбор окончательного решения затрудняется не только по причине анализа большого множества альтернативных вариантов, но из-за возможности получения требуемой функциональности и характеристик различными путями. В итоге анализ ручным способом становится не только малоэффективным, но и практически недостижимым решением, из чего следует, что создание программных систем поддержки процесса принятия решения является актуальной задачей.
Архитектура прототипа специализированной среды инструментальной поддержки. Разработанная программа реализует специализированную среду, обеспечивающую формирование множества Парето альтернативных вариантов подсистем на основании данных, описывающих их, характеристиках КА как целостной системы и функций, задающих критерии выбора. Общая структура системы представлена на рисунке 1.
 |
Рисунок 1 – Общая структура специализированной системы МКА
Система состоит из следующих элементов:
- модуль ввода-вывода, предназначенный для взаимодействия с внешними устройствами, обеспечивающими хранение обрабатываемых в программе данных;
- группа модулей, которые содержат информацию о параметрах различных подсистем КА, а также обеспечивают обработку и отображение данных различных вариантов этих подсистем;
- модуль общих данных, в котором хранятся сведения о различных ограничительных параметрах, тактико-технических характеристиках и других сведениях, относящихся к КА в целом;
- модуль выполнения расчетов, в котором реализованы вычислительные алгоритмы программы;
- модуль управления расчетами, предназначенный для управления вычислениями, сохранения полученных результатов и организации интерактивного взаимодействия пользователя со всей системой в процессе выполнения расчетов.
Модуль ввода-вывода осуществляет доступ к файловой системе компьютера для организации хранения данных о конфигурации КА, используемых при проведении расчетов. Сведения о характеристиках КА хранятся в виде проекта, что обеспечивает одновременное сохранение или загрузку данных по всем модулям. При изменении определенных данных в ходе выполнения расчетов модуль позволяет сохранять модифицированные проекты под другими именами и впоследствии загружать любой из них. Проект, задающий конфигурацию космического аппарата, имеет иерархическую структуру. Он содержит файлы, определяющие параметры подсистем КА, файл с общими параметрами КА, а также файлы, задающие установки проекта. Модуль ввода-вывода реализует три основные функции: создание нового проекта, загрузка ранее сохраненного проекта и сохранение модифицированного проекта.
Состав группы модулей подсистем определяется структурой КА. Каждый из них связан с модулем ввода-вывода, для организации получения и выдачи необходимой информации при загрузке/выгрузке проекта. Отдельный модуль хранит информацию о параметрах альтернативных вариантов описываемой подсистемы, которые в процессе расчетов подвергаются многокритериальному анализу. Во время работы программы пользователь может добавить в любую из подсистем дополнительную альтернативу, используя для этого графический интерфейс. Помимо этого, реализована возможность модификации уже введенных данных о подсистемах и удаление отдельных альтернатив.
Модуль общих данных по принципу свой работы аналогичен группе модулей подсистем. Отличие заключается в том, что он обеспечивает хранение данных, описывающих параметры КА в целом. В нем отсутствует возможность введения альтернативных вариантов. Параметры КА представляют собой пороговые значения, которым должно соответствовать окончательное решение. Эти параметры разбиваются по тематическим группам в соответствии с их целевым назначением.
Модуль выполнения расчетов состоит из совокупности реализованных в программном коде алгоритмов и методов поддержки многокритериального анализа. В частности, минимизацию по Парето и специальные алгоритмы дополнительного сжатия множества Парето.
Модуль управления расчетами обеспечивает взаимодействие между пользователем и модулем выполнения расчетов. Он позволяет пользователю выбирать необходимые методы и вводить данные, требуемые для выполнения расчетов. Для этого задействован соответствующий пользовательский интерфейс, который обеспечивает выбор реализованных алгоритмов, отображение информации о проделанных вычислениях и их результатах, а также выбор функций, используемых в качестве критериев оценки альтернатив.
Интерфейс работы пользователя реализован в виде однооконного приложения с разделением окна на несколько рабочих областей: область меню, область выбора окон подсистем, панель инструментов, кнопку запуска вычислений, область отображения подсистем. При этом все области окна находятся на экране в неизменном виде – за исключением области отображения подсистем, которая определяется выполняемыми функциями программы (рисунок 2).
Рисунок 2 – Окно программы после ее запуска
После создания нового проекта пользователю предоставляется общий список функций, используемых в качестве критериев оценки альтернатив при многокритериальном анализе. Он отбирает те из них, которые будут использованы в конкретном расчете. Следующим этапом он вводит альтернативные варианты подсистем КА. Для этого необходимо выбрать нужную подсистему из представленного списка, затем добавить вариант и непосредственно редактировать его показатели (рисунок 3).
Рисунок 3 – Ввод и редактирование параметров альтернатив выбранной подсистемы
Для выполнения расчетов по подготовленному проекту достаточно нажать на кнопку «Вычислить», расположенную в нижнем левом углу окна программы (рисунок 3). По завершению расчетов пользователь может посмотреть полученные результаты в окне вычислений. Для этого необходимо в меню окон выбрать пункт «Расчеты». Пользователю представляется информация о показателях эффективности; номерах вариантов, отобранных в результате вычислений; количестве обработанных вариантов; числе вариантов, данные которых удовлетворяют заданным пограничным условиям; числе отобранных вариантов. На рисунке 4 представлен результат сжатия по Парето, состоящий из трех вариантов КА.
Рисунок 4 – Окно результатов после проведения минимизации по Парето
Помимо просмотра результатов, можно перейти на вкладку «Варианты систем», где представлена информация по вариантам подсистем (заданных их номерами) каждой конфигурации КА, полученной в результате сжатия по Парето (рисунок 5). Это позволяет начать сопоставление альтернатив подсистем, отобранных в результате расчетов, и сравнительному анализу их параметров.
Рисунок 5 – Отображение вариантов подсистем для отобранных конфигураций КА
Переключение на вкладку «Подробности» позволяет дополнительно проанализировать проведенные расчеты и сопоставить используемые критерии с полученными результатами (рисунок 6). В этом режиме для каждого из используемых критериев приводятся показатели: значение минимума, значение максимума, оставшийся минимум, оставшийся максимум, разброс между минимумом и максимумом, заданная верхняя граница максимума. Следует отметить, что расчет организуется таким образом, что критерием выбора всегда является максимальное значение параметра. Поэтому, если реальный критерий стремится к минимуму, то происходит его расчет с обратным знаком (то есть осуществляется переход к отрицательным числам).
Рисунок 6 – Отображение вариантов подсистем для отобранных конфигураций КА
Справа в этом же окне имеются кнопки, позволяющие выполнять функции дополнительного сжатия решения. Количество этих функций может расширяться. Однако в настоящее время реализованы уменьшение количества вариантов путем удаления несущественных критериев и дополнительное сжатие полученного множества Парето за счет уменьшения величины максимальных критериев. Несущественность критерия определяется разницей между его минимальным и максимальным значением относительно некоторой средней величины. Полученное отклонение пересчитывается в процентах. И если эта величина (с точки зрения пользователя) является несущественной, то такой критерий можно исключить. В итоге возможно дополнительное сжатие полученного множества Парето. Манипуляции осуществляются после нажатия кнопки «Удалить несущественные параметры». В результате этого открывается модальное окно «Сужение удалением несущественных параметров». Саму операцию сужения можно выполнять в двух режимах: автоматическое сужение за счет удаления одного критерия с минимальной величиной отклонения и переход в режим ручного выбора с последующим удалением всех отмеченных критериев одновременно.
Общая концепция среды инструментальной поддержки многокритериального анализа. Результатом разработки представленного программного обеспечения стала общая концепция построения архитектуры и структуры среды инструментальной поддержки многокритериального анализа, которая отвечает следующим основным принципам:
- среда должна быть одинаково эффективна в различных прикладных областях, не должна зависеть от их условий и быть настраиваемым инструментом;
- среда должна обладать гибкой архитектурой, позволяющей на этапе настройки менять конфигурацию отдельных подсистем для обеспечения эффективной адаптации под прикладную область и требования пользователя;
- среда должна иметь доступный и дружественный интерфейс, ориентированный на конечного пользователя, не обладающего специальными знаниями, выходящими за пределы его предметной области.
Концептуально среда строится из трех уровней (рисунок 7).
Рисунок 7 – Общая схема архитектуры среды инструментальной поддержки
Ядро представляет собой совокупность методов поддержки многокритериального анализа. Отдельные методики и подходы реализуются в виде программных модулей, подключаемых к внутреннему интерфейсу. Главная функция ядра – осуществление технических расчетов в процессе решения задачи. Ядро состоит из двух подсистем: интерфейс подключения программных модулей и подсистема программных модулей. Назначением первой является интеграция программных модулей, реализующих алгоритмы поддержки многокритериального анализа, и затем обеспечение их взаимодействия с уровнем работы пользователя. Вторая подсистема представляет собой общую совокупность подключенных к ядру модулей.
Уровень работы пользователя организует работу пользователя в среде и состоит из четырех элементов: подсистема формирования модели прикладной области, подсистема инструментария поддержки многокритериального анализа, подсистема формирования замечаний по настройке, подсистема внешнего взаимодействия. Назначением первой является организация доступа пользователя к модели прикладного объекта, сформированной администратором на этапе настройки, и расширение ее до модели прикладной области за счет добавления альтернатив и выбора критериев их оценки. Назначением второй является организация доступа пользователя к инструментам, реализованным в ядре. Третья обеспечивает взаимодействие пользователя и администратора с целью максимально эффективной настройки среды под решаемую задачу. Четвертая представляет собой непосредственно интерфейс пользовательской части среды.
Уровень настройки реализует методики для подстройки среды под условия решаемой задачи и состоит из трех элементов: подсистема конфигурирования модели прикладного объекта, подсистема конфигурирования технических средств, подсистема внешнего взаимодействия. Назначение первой – формирование модели прикладного объекта для дальнейшего использования пользователем. Вторая предназначена для регулирования доступа пользователя к инструментам ядра. Третья подсистема представляет собой непосредственно интерфейс административной части среды инструментальной поддержки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шушкевич в MathCAD 2000: Учеб. Пособие/ , – Гродно: ГрГУ, 20–с: ил
2. Веремей MATLAB в учебном процессе для специалистов по теории управления и информационным технологиям [Электронный ресурс] – Режим доступа : http://2005.edu-it. ru/docs/4/4-07.Veremej. doc
3. Лазарева в систему STATISTICA: Мет. указ. / , Р. Н. Абалуев. Тамбов: Изд-воТамб. гос. техн. ун-та, 20– с.: ил
4. Шахраманьян поддержки принятия решений для страхования / , [Электронный ресурс] – Режим доступа :
http://www. dataplus. ru/arcrev/number_40/14_strah. html
5. Комплексная система поддержки принятия решений в Новороссийском порту [Электронный ресурс] – Режим доступа : http://www. dataplus. ru/arcrev/number_24/13_novoros. htm
