Роль и место систем моделирования на этапах жизненного цикла ВВТ
НАУКА И ВОЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ № 2/2008, стр. 21-25
Роль и место систем моделирования на этапах жизненного цикла ВВТ
УДК 519.826.5
Э.Г. ЛАЗАРЕВИЧ,
главный научный сотрудник Научно-исследовательского
института Вооруженных Сил Республики Беларусь,
доктор технических наук, профессор
Полковник В.М. БУЛОЙЧИК,
начальник кафедры Военной академии Республики Беларусь,
доктор технических наук, профессор
А.В. ГЕРЦЕВ,
главный конструктор ООО «Белфортекс», кандидат технических наук, старший научный сотрудник
В статье приводится обоснование целесообразности и необходимости проведения моделирования для осуществления разработки перспективных образцов вооружения и военной техники (ВВТ) и осуществления военно-научного сопровождения жизненного цикла от момента создания ВВТ до утилизации.
Научно-исследовательский институт Вооруженных Сил Республики Беларусь является головной организацией, осуществляющей военно-научное сопровождение научно-исследовательских работ (НИР) и опытно-конструкторских работ (ОКР), выполняемых в интересах Вооруженных Сил Республики Беларусь.
Военно-научное сопровождение - это организационно-научная деятельность, направленная на повышение качества научных исследований и обеспечения необходимых оперативно-тактических и технических характеристик создаваемых (модернизируемых) и принимаемых на вооружение образцов вооружения и военной техники. Военно-научному сопровождению подлежат все ОКР, а также НИР, выполняемые научными организациями, учреждениями образования и предприятиями республики, не входящими в структуру Министерства обороны [1]. Военно-научное сопровождение охватывает все этапы жизненного цикла изделий ВВТ от начала исследования и обоснования разработки до окончания эксплуатации изделия и его утилизации.
В настоящее время получили распространение две модели жизненного цикла (ЖЦ) изделий ВВТ: каскадная модель и спиральная модель.
Каскадная модель характерна для изделий ВВТ, время разработки которых сравнительно невелико, т.е. такое, при котором изделие за время разработки и производства не успевает морально устареть. В этом случае ЖЦ разбивается на этапы. Переход от одного этапа к следующему происходит только после завершения работы на предыдущем этапе. Каждый этап завершается выпуском полного комплекта документации, достаточной для продолжения работ другой бригадой разработчиков. Можно выделить следующие стадии жизненного цикла изделий ВВТ [2]:
исследование и обоснование разработки;
разработка;
производство;
эксплуатация;
капитальный ремонт;
утилизация.
Преимущества каскадного подхода при разработке изделий ВВТ состоят в следующем: логически планируемая последовательность этапов работ позволяет планировать сроки завершения работ и соответствующие затраты; на каждом этапе формируется полный комплект проектной документации. Однако каскадный подход обладает рядом недостатков, вызванных тем, что реальный процесс проектирования современных сложных образцов ВВТ не укладывается в поэтапную жесткую схему. В процессе проектирования постоянно возникает потребность в возврате к предыдущим этапам и уточнении или пересмотре ранее принятых решений. Кроме того, при каскадном подходе требования к изделию ВВТ заморожены в виде исходного тактико-технического задания на все время создания изделия. В случае изменения или уточнения требуемых характеристик в течение длительного периода создания сложного образца ВВТ потребители получают изделие, не удовлетворяющее их изменившимся потребностям. Создаваемое изделие может устареть в процессе его проектирования и производства.
Спиральная модель ЖЦ изделий ВВТ свободна от перечисленных недостатков. В этой модели ЖЦ основное внимание уделяется первым двум этапам: исследованию и обоснованию разработки; проектированию. На этих этапах создаются математические и имитационные модели проектируемого изделия, моделируется виртуальная среда, в которой будет функционировать изделие. С помощью моделей обосновываются технические решения и проверяется их реализуемость, создаются прототипы изделий. Каждый виток спирали завершается созданием определенной версии проектируемого изделия, уточняется среда функционирования изделия, уточняется и корректируется тактико-техническое задание, производится оценка качества функционирования изделия, планируется, если это необходимо, очередной этап спирали. В результате итерационного процесса проектирования выбирается обоснованный вариант создания изделия, который доводится до реализации. Следует отметить, что проектирование и создание многих образцов ВВТ не всегда сопровождалось моделированием для обоснования выбора технических решений. Многие технические решения принимались интуитивно, на основе многолетнего опыта разработчиков. Такой вариант принимаемых решений зачастую был оправдан при каскадном способе представления ЖЦ. Этот подход приводил в некоторых случаях к созданию морально устаревших изделий. Для предотвращения возможности приобретения устаревших и не отвечающих современному научно-техническому уровню образцов ВВТ в Советском Союзе при каждом виде ВС были созданы научно-исследовательские институты, одной из основных задач которых было военно-научное сопровождение НИР и ОКР создаваемых образцов вооружения. В этих институтах основным математическим аппаратом, используемым для военно-научного сопровождения, было моделирование. Для каждого вида Вооруженных Сил и рода войск были созданы модели изделий ВВТ, системы моделирования и моделирующие комплексы, которые функционируют до настоящего времени, постоянно обновляются и совершенствуются.
Роль систем моделирования и моделирующих комплексов при создании новых и модернизации существующих образцов ВВТ на современном этапе бурного роста научно-технического прогресса и резкого усложнения образцов ВВТ существенно возросла. Соответственно возросла и роль систем моделирования при военно-научном сопровождении НИОКР для военного сектора. Это связано со следующими обстоятельствами:
Во-первых, на начальных этапах разработки невозможно использовать реальную среду для создания воздействия на проектируемые алгоритмы изделия.
Во-вторых, стоимость создания на последующих этапах разработки элементов реальной среды очень высока. Так один самолето-вылет обходится примерно в $10 000 [3], а пуск ракеты земля - воздух малой дальности - порядка $ 100 000. Для создания реальной обстановки в одном эксперименте могут потребоваться сотни целей и ракет, а таких экспериментов требуются десятки. Отсутствие систем моделирования приводит к тому, что разрабатываемые изделия невозможно проверить в условиях максимальной загрузки, заданной в ТТЗ.
В-третьих, некоторые требования, заданные в ТТЗ, невозможно проверить в реальной среде вследствие отсутствия реальных систем, например высотных и гиперзвуковых целей, или невозможности обеспечения безопасности, например полет на сверхнизких высотах.
Кроме того, все эксперименты, проводимые с использованием систем моделирования, можно проводить скрытно, без выхода в эфир.
Рассмотрим применение моделирования на различных этапах военно-научного сопровождения ЖЦ в ходе создаваемой автоматизированной системы управления, например АСУ зенитной ракетной бригады.
Рис.1. Моделирующий комплекс АСУ зрбр
Моделирующий комплекс должен позволять реализовывать
и оценивать разрабатываемые алгоритмы функционирования КП зрбр
(на рис. 1 показаны серым цветом).
Этап исследования и обоснования разработки.
На этом этапе необходимо провести исследования и обосновать целесообразность создания АСУ, обосновать требования к новому образцу АСУ, оценить эффективность функционирования зрбр и прирост эффективности за счет создания АСУ. Обычно разрабатывается несколько вариантов предложений и выбирается лучший вариант. Поскольку реального образца АСУ еще не существует и натурный эксперимент провести нельзя, то исследования можно провести только на моделях. Модели обычно имитируют среду, окружающую разрабатываемую автоматизированную систему. Для разработки средств автоматизации АСУ зрбр потребуется разработка моделирующего комплекса, включающего модели следующих средств:
воздушного нападения противника;
вышестоящего командного пункта (КП);
соседних КП зрбр;
соседних КП радиотехнических войск (РТВ), включая радиотехнический батальон и роты (КП ртб, КП рлр);
подчиненных КП зенитных ракетных дивизионов (зрдн);
зенитных ракетных комплексов (ЗРК);
радиоэлектронной борьбы (РЭБ).
С помощью перечисленных моделей создается виртуальная окружающая среда, которая позволяет задавать как существующие, так и перспективные средства воздушного нападения противника, существующие и перспективные средства зенитных ракетных комплексов, средства радиоэлектронной борьбы и другие средства, входящие в состав автоматизируемой зрбр.
Моделирующий комплекс для проведения исследований и обоснования целесообразности создания АСУ зрбр представлен на рисунке 1.
Этап разработки.
Этап разработки включает ряд подэтапов, требующих оценки технических решений и оценки соответствия полученных тактико-технических характеристик требованиям ТТЗ. Подэтапы, требующие проведения военно-научного сопровождение включают: разработку эскизного проекта; разработку технического проекта и рабочей конструкторской документации; изготовление опытного образца и проведение испытаний. Для приемки эскизного и технических проектов проводимой ОКР на соответствие требованиям ТТЗ также необходим моделирующий комплекс, представленный на рисунке 1. В моделирующем комплексе уточняются средства воздушного нападения противника, средства зрбр (виртуальная среда функционирования зрбр), алгоритмы функционирования АСУ, полученные на этих этапах проектирования. Испытания опытного образца проводятся предприятием-разработчиком АСУ зрбр с участием организации заказчика, проводящего военно-научное сопровождение ОКР с целью предварительного оценивания работоспособности опытного образца и проверки соответствия его основных параметров, характеристик и алгоритмов функционирования требованиям ТТЗ. Проведение реальных натурных испытаний такой сложной системы, как АСУ зрбр, является очень дорогостоящей процедурой, которая была не по силам даже в условиях СССР. Проведение испытаний АСУ можно провести с помощью полунатурного моделирующего комплекса (рис. 2). К опытным средствам образца КСА АСУ (на рисунке 2 показаны серым цветом) по штатным каналам связи подключается полунатурный моделирующий комплекс. Этот комплекс, в отличие от моделирующего комплекса (рис. 1), должен иметь средства сопряжения с разрабатываемыми КСА АСУ, а также средства организации вычислений в реальном времени, средства регистрации и обработки (на рисунке 2 отмечены штриховкой). Состав моделей, используемых в полунатурном моделирующем комплексе, тот же, что и в моделирующем комплексе (рис. 1). По результатам испытаний, в случае соответствия опытного образца требованиям ТТЗ, обосновывается постановка образца на производство. В противном случае процесс проектирования идет на очередной этап спирали.
Этап эксплуатации.
Современные образцы ВВТ на этапе эксплуатации могут неоднократно подвергаться модернизации. Это связано со многими причинами. Одной из основных причин является несоответствие сроков морального старения образца ВВТ и элементной базы, на которой он собран. За период эксплуатации современного образца ВВТ элементная база, на которой он собран, может неоднократно устареть, что ставит сложные, порой непреодолимые проблемы для его эксплуатации [4]. Указанная проблема решается путем внедрения технологии виртуальной элементной базы [5]. Модернизация образца вооружения, связанная с изменением его параметров и характеристик, может рассматриваться как разработка нового образца со своими этапами жизненного цикла. При модернизации эксплуатируемой АСУ зрбр безусловно необходим разработанный ранее моделирующий комплекс (рис. 1) для обоснования целесообразности проведения модернизации и полунатурный моделирующий комплекс (рис. 2) для проверки соответствия параметров, тактико-технических характеристик, алгоритмов функционирования модернизируемого образца уточненному ТТЗ.
Следует отметить, что на этапе эксплуатации необходимо постоянно проводить обучение боевых расчетов, периодически проводить учения и компьютерные военные игры (КВИ). Проведение учений и военных игр с привлечением реальных средств (ракет, целей и т.д.) очень дорого и небезопасно. Разработанные моделирующие комплексы при соответствующей доработке могут успешно применяться для обучения личного состава, проведения учений и КВИ. Учения обычно проводятся на реальных КСА АСУ, к которым подключаются средства имитации. Моделирующий комплекс для проведения учений представлен на рисунке 3.
Для обучения боевых расчетов могут использоваться как реальные КСА АСУ, так и программные макеты КСА АСУ. Их подключение можно осуществлять по локальной сети. Моделирующий комплекс для обучения боевых расчетов и проведения КВИ представлен на рисунке 4.
Рис. 2. Полунатурный моделирующий комплекс
Рис. 3. Моделирующий комплекс для проведения учений
Рис. 4. Моделирующий комплекс для обучения
Разработанные моделирующие комплексы могут также широко применяться для моделирования боевых действий и проведения расчетов. В этих моделирующих комплексах должны использоваться только модели реальных средств.
Как видно из приведенного примера, на всех этапах военно-научного сопровождения жизненного цикла сложных образцов ВВТ используются различные модели и моделирующие комплексы. Хотя назначение этих моделирующих комплексов различно, состав моделей, входящих в комплексы моделирования, практически один и тот же. Следовательно, в организации, осуществляющей военно-научное сопровождение НИОКР, необходимо иметь (разработать) библиотеки моделей, на основе которых можно создавать моделирующие комплексы различного назначения. Библиотеки моделей позволят создать единую виртуальную среду, которая обеспечит разработку, испытания, обучение боевых расчетов на различных этапах жизненного цикла различных сложных образцов ВВТ и систем вооружения.
Создание такой виртуальной среды должно опережать разработку изделий. Это позволит обосновать целесообразность проведения разработки, сформировать обоснованное ТТЗ, значительно сократить затраты и уменьшить время разработки, обеспечить высокое качество функционирования разрабатываемых изделий.
В настоящее время во всем мире идет активное создание и применение систем моделирования для сопровождения различных этапов ЖЦ сложных образцов ВВТ [6, 7]. В республике Беларусь также начинают создаваться системы моделирования. Однако процесс их создания развивается очень медленно, что несомненно сказывается на качестве военно-научного сопровождения при создании перспективных образцов вооружения. Создание и внедрение в РБ современных систем моделирования связано с рядом сложных проблем. Рассмотрим некоторые из них.
Проблема финансирования.
Данная проблема связана с недооценкой роли систем моделирования при создании сложных образцов ВВТ. Современные моделирующие комплексы представляют собой сложную информационную систему, зачастую более сложную, чем те образцы ВВТ, для исследования и испытания которых они предназначались. Например, система моделирования JCATS, разработанная Калифорнийским университетом США, начала создаваться в 1974 году и поступила на вооружение корпуса морской пехоты только в 1998 году [6]. Система моделирования «Свислочь-1», единственная из систем моделирования, принятых на снабжение в ВС РБ, создавалась более пяти лет. Для создания систем моделирования требуются большой опыт и высокая квалификация разработчиков. Разработчики сложных систем моделирования должны не только в совершенстве знать современные технологии программирования, но и в совершенстве знать предметную область. Например, создание системы моделирования «Свислочь-1» в такие сжатые сроки стало возможным только благодаря тому, что ее разработчики имели большой опыт создания подобных систем моделирования и высокую квалификацию в предметной области ВВС и воск ПВО (опыт моделирования подобных систем на испытательном полигоне с начала 70-х годов прошлого столетия). Опыт показывает, что на разработку современных систем моделирования уходят годы даже в том случае, когда прикладная область хорошо знакома разработчикам. На разработку систем моделирования в новой прикладной области может потребоваться до 5 - 7 лет. В разработке относительно простых систем моделирования обычно принимает участие 5 - 10 человек. Для разработки систем моделирования уровня вида ВС потребуются 30 - 40 специалистов.
Исходя из сроков разработки, количества привлекаемых специалистов и их уровня квалификации складывается и стоимость разрабатываемых систем моделирования. По неофициальным данным стоимость приобретения Польшей и Украиной центров моделирования, оснащенных серийной системой моделирования типа JCATS, составила более $ 10 000 000. Стоимость системы моделирования «Свислочь-1», по оценке Торгово-промышленной палаты РБ, составляет около $3 000 000 [8].
Первично созданная система моделирования для выполнения ранее перечисленных задач сопровождения ЖЦ ВВТ, проведения учений и КВИ должна постоянно совершенствоваться. Следует отметить, что для поддержания функционирования систем моделирования и их постоянного совершенствования также требуются высококвалифицированные специалисты и соответствующие финансовые затраты, естественно, значительно меньшие, чем на разработку таких систем. Об этом нельзя забывать, иначе разработанные или приобретенные системы моделирования со временем теряют свою актуальность и применение.
Таким образом, с одной стороны опыт разработки сложных образцов ВВТ показывает, что без применения моделирующих комплексов практически невозможно их создание.
С другой стороны, в связи с высокой стоимостью разработки и приобретения сложных моделирующих комплексов, бытует мнение, что можно ограничиться полумерами: воспользоваться на некоторых этапах ЖЦ экспертными оценками или ограничиться упрощенными моделями. Следует отметить, что это мнение глубоко ошибочно на современном уровне создания сложных систем вооружения, о чем свидетельствуют факты поступления на вооружение морально устаревших образцов ВВТ, которые должным образом не были проверены и испытаны.
Об этом же свидетельствует такой факт. В 1975 году авторы данной статьи принимали участие в испытаниях АСУ зрбр «Сенеж» на Научно-исследовательском испытательном полигоне СССР (НИИП). Первоначально алгоритмы функционирования данной АСУ проверялись в ходе реальных налетов авиации «противника». При этом одновременно участвовало порядка десяти «целей». В это же время был создан первый моделирующий стенд (МС-1), обеспечивавший максимальную «загрузку» боевых алгоритмов данной АСУ (т.е. имитацию боевых действий группировки из 17 ЗРК и воздушного удара из 50 целей), которая была прописана в ТТЗ. В результате эксперимента было установлено, что система при таких нагрузках (которые могут иметь место в ходе реальных боевых действий и которые в ходе испытаний создавать экономически нецелесообразно) неработоспособна. После этого была проведена доработка математического и программного обеспечения и АСУ «Сенеж» успешно прошла испытания и была принята на вооружение. Этот эксперимент послужил основой для принятия решения о создании на полигоне комплексной испытательной моделирующей установки (КИМУ). С этого момента все АСУ испытывались с помощью КИМУ, при этом 80 - 90% экспериментов были модельными.
Проблема поддержки жизненного цикла.
В существующих ГОСТах, в частности СТБ серии В-15 [2; 9], закреплена каскадная модель ЖЦ, которая практически замораживает тактико-технические требования и ТТЗ на все время создания и эксплуатации образца ВВТ. Процесс создания и эксплуатации современных сложных образцов ВВТ не укладывается в жесткие рамки каскадной модели. Связано это с двумя обстоятельствами. С одной стороны, архитектурная сложность современных образцов ВВТ приводит к тому, что время их разработки существенно затягивается. С другой стороны, благодаря бурному росту научно-технического прогресса и информационных технологий зачастую принятые в разрабатываемых образцах технические решения устаревают. Требуется корректировка ТТЗ, но формально существующие ГОСТы, привязанные к каскадной модели ЖЦ, тормозят процесс корректировки исходного ТТЗ, что приводит к возможности принятия на вооружение морально устаревших образцов ВВТ и формальному оправданию случившегося. Необходимо скорректировать ГОСТ по созданию изделий ВВТ, в основу которых закрепить спиральную модель ЖЦ сложных образцов ВВТ.
Таким образом, в настоящее время без детального моделирования основных процессов, влияющих на боевую эффективность проектируемого образца вооружения, создание высококачественного оружия становится невозможной. Кроме того, без применения моделирующих комплексов практически невозможно:
обосновать тактико-технические требования и сформировать ТТЗ на перспективный образец вооружения;
провести испытания и оценить соответствие параметров и характеристик образца вооружения требованиям ТТЗ;
оценить эффективность функционирования образца вооружения в различных условиях его применения;
провести военно-научное сопровождение ЖЦ образца вооружения.
Создаваемое в этих целях математическое и программное обеспечение может послужить основой для разработки комплексных систем моделирования, необходимых при создании виртуальной среды, в которой можно было бы проводить компьютерные учения, тренировки боевых расчетов пунктов управления и исследование вариантов организации боевых действий. Разработка такого математического и программного обеспечения должна осуществляться по единому замыслу и с учетом универсального интерфейса взаимодействия разрабатываемых моделей, что обеспечит снижение сроков и затрат на их создание.
ЛИТЕРАТУРА
1. Положение о военно-научном сопровождении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ: Утверждено приказом МО 29.01.2007, №72. - г. Минск.
2. СТБ В 15.001-2006. Система разработки и постановки на производство оборонной продукции. Военная техника. Общие положения // Госстандарт. - Минск, 2006. - 27 с.
3. Смирнов К., Строкань С. Двойная игра // Журнал «Власть». - Октябрь 2001. - № 40(442).
4. Колганов С.К., Лазаревич Э.Г. Новая технологическая основа. Системы на кристалле - путь к созданию перспективных образцов радиоэлектронной аппаратуры // Воздушно-космическая оборона. - 2006. - № 1. - С. 27-30.
5. Лазаревич Э.Г., Семак Ю.И., Хорошавина Г.Ф. Продление жизненного цикла сложных радиоэлектронных систем за счет внедрения технологии виртуальной элементной базы // Наука и военная безопасность. - 2008. - № 1.
6. «Simulating Warfare Is No Video Game». Livermore's JCATS combat simulation program proves invaluable for officers and rehearsing mission. S&TR January/February 2000, Fait Shimamoto, p. 4-11.
7. Майк Каст. Моделирование испытаний перспективных военных систем // Национальная защита. - Апрель 2005 (Mike Cast. Simulations test army future combat system // National Defense. - Fpril 2005).
8. Расчет стоимости права пользования объектом интеллектуальной собственности «Программы для ЭВМ «Система моделирования для оценки эффективности группировки ПВО («Свис-лочь-1»)» от 14.07.2005. //Унитарное предприятие патентных услуг «Белпатентсервис» Белорусской торгово-промышленной палаты. - Минск, 2005.
9. СТБ В. 15.202-2006. Система разработки и постановки на производство оборонной продукции. Военная техника. Порядок выполнения опытно-конструкторских работ по созданию изделий и их составных частей. // Госстандарт. - Минск, 2006. - 115 с.
