Math-Net.Ru
Общероссийский математический портал
Б. Г. Волик, Автоматизация управления подводными лодками (опыт созда- ния автоматизированных управляющих систем многоагрегатными технически- ми комплексами), Автомат. и телемех. , 1999, выпуск 6, 23–30
Использование Общероссийского математического портала Math-Net.Ru подразумевает, что вы прочитали и согласны с пользовательским соглашением
http://www.mathnet.ru/rus/agreement Параметры загрузки:
IP: 139.59.245.186
7 ноября 2022 г., 00:11:18
Автоматика и телемеханика,№ 6, 1999
УДК 623.827: 658.012.011.56
⃝c 1999 г. Б. Г. ВОЛИК, д-р техн. наук
(Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН, Москва)
АВТОМАТИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ ПОДВОДНЫМИ ЛОДКАМИ (ОПЫТ СОЗДАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ
МНОГОАГРЕГАТНЫМИ ТЕХНИЧЕСКИМИ КОМПЛЕКСАМИ)
На примере глубокой комплексной автоматизации первой подводной лодки- истребителя, реализованной в начале 60-х годов, обсуждаются общие проблемы построения управляющих систем многоагрегатными техническими комплекса- ми, актуальные и для современной практики автоматизации.
1. Введение
В 60-летней истории научных исследований Института проблем управления ра- боты по автоматизации атомных подводных лодок заслуживают специального рас- смотрения не только как вклад в укрепление обороноспособности страны, отмечен- ный Ленинской и Государственными премиями и наградами правительства, но и как первый опыт глубокой комплексной автоматизации многофункционального объекта сложной структуры взаимодействия его агрегатов и технологических систем. Эта работа была выполнена в конце 50-х и начале 60-х годов. Она положила начало но- вому периоду автоматизации кораблей в СССР и России. Новизной отличалась сово- купность технических решений, обеспечивающих согласованное, с незначительным участием человека-оператора, функционирование технических и боевых средств ко- рабля во всех номинальных (штатных) и предаварийных ситуациях. И что очень важно – изменилось отношение создателей флота к автоматизации, а именно: утвер- дилось понимание автоматизации как одного из главных направлений в обеспечении ударного потенциала, боевой устойчивости и живучести корабля.
Организация и принципы управления подводными объектами, выработанные в те годы, за последующий примерно 30-летний период изменились незначительно. Су- щественные изменения произошли в технических средствах автоматизации с пере- ходом на программируемые средства обработки информации и в технической струк- туре в связи с применением сетевых структур обмена информацией.
Необходимость в коренном изменении решений по автоматизации возникла с по- явлением в составе отечественного флота подводных лодок-истребителей подводных и надводных кораблей вероятных противников. Тактические схемы применения ло- док этого класса предполагают активные действия по отношению к силам против- ника в получении информации, обеспечении скрытности, смене позиций применения оружия. Выполнение этих условий обусловливает повышенные требования к точно- сти и скорости принятия решений и их исполнения, поиск путей обеспечения пре- восходства перед силами вероятного противника в скорости хода, маневренности и акустико-шумовых характеристиках. Тактико-технические оценки параметров тако- го корабля показали, что наряду с выполнением жестких технических требований необходимо более чем в три раза сократить объем участия человека-оператора в управлении оборудованием и системами корабля.
2. О включении человека-оператора в структуру управляющих систем Основными звеньями современных управляющих систем, реализацию функций которых возлагают на человека-оператора, можно считать звенья принятия решений (выработка управляющей информации и/или воздействий) и звенья преобразования входной информации в некоторую заранее установленную совокупность действий, т.е. динамические звенья.
Для оценки целесообразности и возможности включения человека-оператора в системы необходимо взвешивать его положительные и отрицательные свойства в реализации процесса управления.
К числу важных положительных свойств человека-оператора следует отнести следующие его способности:
1) преодолевать информационную неопределенность, возникающую при приня- тии решения, в основном посредством анализа косвенных признаков и аналогий с признаками подобных событий;
2) гибко изменять цели управления в зависимости от содержания входной ин- формации и (или) состояния объекта управления и технических средств системы;
3) исправлять собственные ошибки и возвращать процесс принятия решения к предшествующим его состояниям, т.е. переводить ошибки-отказы в ошибки-сбои.
Отрицательные свойства человека-оператора как звена управляющей системы:
1) высокая вероятность ошибочных действий, особенно в стрессовых ситуациях, что выражается чаще всего в пропуске благоприятных моментов для выполнения необходимых операций или действий, в искажении передаваемой или ошибочном восприятии принимаемой информации, в увеличении времени реакции;
2) нестабильность динамических параметров (запаздывания, постоянных време- ни) в режиме динамического звена;
3) зависимость работоспособности от взаимоотношений в коллективе, особенно при длительных периодах непрерывной работы, например, в длительном автоном- ном плавании;
4) высокие затраты финансовых средств на обеспечение жизнедеятельности, обу- чение и тренаж.
Проблема оптимального соотношения автоматизируемых операций переработки информации и принятия управленческих решений и “ручных”, т.е. через человека- оператора, была и остается одной из труднейших.
На кораблях человек-оператор остается незаменимым в системах внешнего уп- равления (управления боевыми действиями): обработки и классификации акустичес- кой информации, выбора оптимальных параметров маневрирования и применения оружия, оценки характера меняющихся тактических ситуаций, включая прогноз возможного поведения противника. Эти действия в составе систем корабля выпол- няются группой операторов – командирским боевым расчетом.
Другая сфера участия человека-оператора в структуре систем – резервирование отдельных автоматических подсистем, органов управления, регуляторов и т.п. при их отказах. Эта область довольно узка, поскольку основными средствами компенса- ции отказов были определены резервирование различных видов и реконфигурация структуры систем.
При создании систем лодки-истребителя проблема включения в них человека- оператора решалась экспериментально. Создавались варианты пультов с различ- ными средствами представления информации и органами управления, т.е. вариан- ты организации управления, а на математических моделях воспроизводились все, в том числе предаварийные и аварийные режимы работы управляемых технических средств корабля. На основе этих экспериментов с учетом рекомендаций по поддер-
жанию нормального психофизиологического состояния человека оценивалось необ- ходимое минимальное число операторов.
В проблеме человек-машина в последнее десятилетие имеются существенные до- стижения в организации модельных экспериментов с вариантами систем, в средствах обобщения и представления информации операторам, в организации справочной по- мощи в форме экспертных систем, в контроле состояния человека-оператора. Доста- точно полно разработаны модели действий человека-оператора как динамического звена, преобразующего входную информацию в механические действия. Однако экс- перимент остается основным средством решения проблемы.
В экспериментах с человеком-оператором как звеном принятия решений в усло- виях неопределенности фактически решаются две взаимосвязанные задачи. Пер- вая – отбор операторов (предварительно прошедших серьезное обучение в учебных центрах) с “быстрым интеллектом” и вторая – нахождение наилучшего варианта си- стемы подготовки информации, включая средства ее представления оператору. Од- нако при всей привлекательности экспериментального подхода к решению назван- ных задач все же не удается имитировать стрессовые ситуации, близкие к реальным в условиях противоборства со средствами противника, а также при значительных развивающихся аварийных ситуациях типа затопления отсеков водой, пожарах, ра- диационной опасности и т.п. Эта проблема, по-видимому, не имеет разового решения.
Должен быть организован постоянный анализ действий работающих операторов в реально возникающих ситуациях. Результатом такого анализа должны быть предло- жения по совершенствованию организации управления, методов обучения, контроля и стимулирования операторов для поддержания их “интеллектуальной формы”.
Задача отбора операторов, принимающих решения в условиях информационной неопределенности и стрессовых ситуаций, возникает не только в технических сис- темах, но и в организационных, экономических и связана с решением более общей проблемы “личность – государство”.
3. Обеспечение управляемости многоагрегатными техническими комплексами Сократить число операторов в управляющих системах можно двумя путями: во- первых, увеличением доли операций управления, главным образом принятия реше- ний, выполняемых техническими средствами, во-вторых, увеличением числа агрега- тов (объектов) управляемых технических комплексов и систем, решение по которым принимается одним оператором.
Совершенствование систем по первому пути обеспечивается интеллектуализа- цией алгоритмов формализованного принятия решений. Уровень развития средств автоматизации начала 60-х годов позволял использовать главным образом второй путь.
Основными направлениями второго пути были:
применение максимально унифицированных иерархических структур управляю- щих систем;
максимальное обобщение информации, представляемой операторам для приня- тия решений;
применение группового (операционного или режимного) управления – опера- ционных и (или) режимных команд с последующей их автоматической (в основ- ном логической) разверткой по времени и событиям на индивидуальные команды исполнительным органам и локальным системам.
Иерархическая структура – древнейший способ обеспечения управляемости круп- ными комплексами. Но основные задачи ее формирования – выбор числа уровней иерархии и числа объектов (агрегатов), по которым решения принимаются одним вышестоящим звеном (задача комплексирования) – не имеют строгого решения. Из-
вестны лишь общие рекомендации. Например увеличение числа уровней иерархии упрощает задачи координации взаимодействия объектов нижестоящих уровней, но снижает быстродействие системы.
В обсуждаемом проекте в основном формировались трехуровневые системы.
На верхнем уровне, включающем в себя человека-оператора, на основе поступаю- щей от внешних систем информации о целях функционирования всего комплекса и ограничениях на допустимые его состояния, выполняется декомпозиция общих це- лей на подцели для систем нижнего уровня, обобщение информации о состоянии управляемых объектов для оператора и развертка его операционных (режимных) команд нижним уровням, запись информации о предаварийных и аварийных собы- тиях (“черный ящик”).
На среднем уровне формируются задания исполнительным механизмам и ло- кальным системам нижнего уровня, диагностируются состояния объектов управ- ления и систем нижнего уровня, реализуются алгоритмы локализации аварий и предаварийного автоматического управления, осуществляются введение резервных средств управления и реконфигурация структуры систем нижнего уровня, обеспе- чивающие их отказоустойчивость, обрабатывается информация от измерительных систем нижнего уровня для каналов с уплотнением передачи на верхний уровень.
На нижнем уровне выполняется измерение и первичная обработка (фильтрация, нормирование) информации от датчиков, реализация законов управления локаль- ными системами регулирования и логического управления (в оконечных и предава- рийных режимах).
Решение задачи комплексирования, т.е. определение числа объектов управления, объединяемых в один комплекс, зависит от числа технологически связанных объ- ектов и от характера (вида) их взаимодействия и, соответственно, сложности их координации при номинальном и предаварийном функционировании.
Технологическая связанность объектов определяется характером технологичес- кого процесса, в котором они взаимодействуют, в частности невозможностью расчле- нять комплекс на достаточно автономные подсистемы (по алгоритмам и выходам).
Например, таким технологически связанным комплексом является ядерная энерге- тическая установка корабля.
По виду взаимодействия объектов и соответственно принципу их координации, комплексы можно разделить на две группы: балансные и целевые.
Балансными названы комплексы, в которых номинальные (штатные) режимы функционирования соответствуют балансам (с учетом потерь) перерабатываемых и передаваемых от одного объекта к другому вещества или (и) энергии. Для коор- динации взаимодействия объектов в таких комплексах достаточно контролировать координаты (температуру, давление, уровень, перемещения и т.п.), характеризую- щие отклонение от баланса.
На корабле к этому виду, например, относятся главная силовая установка, элек- троэнергетическая система.
Целевыминазваны комплексы, для координации взаимодействия которых (выра- ботки подцелей), необходимо непрерывно или эпизодически решать специальные за- дачи координации на основе текущей входной информации. На корабле к такому ви- ду относятся комплексы освещения внешней обстановки, навигации, пространствен- ного маневрирования, боевого управления. Например, в комплексе боевого управ- ления по информации от комплексов освещения обстановки, навигации, оружия и других решаются тактические задачи (с участием командира) и вырабатываются цели и ограничения всем комплексам корабля.
Именно в комплексах с целевой структурой чаще, чем в комплексах балансной структуры, возникает неопределенность той или иной степени во входной инфор-
мации, требующая вмешательства человека-оператора. Поэтому, как правило, при комплексировании целевых комплексов число объединяемых общим управлением объектов определяется возможностями операторов их контролировать и осуществ- лять их координацию.
Второе направление обеспечения управляемости крупными техническими ком- плексами малым числом операторов – глубокая предварительная обработка и обоб- щение информации, представляемой операторам для контроля, принятия решений и осуществления управления.
В проблеме представления информации в конце 50-х годов наметился коренной перелом: переход от “пультов-иконостасов” с прямой передачей сигналов от датчиков на приборы пультов и обобщения этой информации человеком-оператором к систе- мам централизованного контроля, в которых с помощью новых средств обегающего контроля, телемеханических каналов передачи данных, управляемых мнемосхем и вычислительных средств обработки информации, последняя доводилась до уровня обобщения, требующего минимального участия человека-оператора.
Наконец, третье направление обеспечения управляемости – групповое управле- ние, которое заключается в переходе от выдачи операторами команд на отдель- ные исполнительные органы к командам на выполнение крупных функциональных операций или (и) смены режимов функционирования управляемых объектов. Пе- реход к групповому управлению стал возможным благодаря появлению логических устройств обработки информации, таймеров и другой цифровой техники, позволя- ющей осуществлять программную по времени и событиям развертку операционных (режимных) команд в необходимую совокупность индивидуальных команд с автома- тическим контролем их исполнения. Примеры операционных команд: “пуск ядерной энергетической установки до начального уровня тепловой мощности”, “погружение на заданную глубину с заданным дифферентом”, “перевод электрической нагрузки с одного борта питания на другой” и т.п.
4. Обеспечение надежности и живучести управляющих систем
Главной составляющей риска успешной глубокой комплексной автоматизации ко- рабля была низкая надежность (безотказность и ресурс) отечественной техники на- чала 60-х годов, особенно электронной техники.
Официальные данные об интенсивности отказов электронных комплектующих изделий имелись лишь для части номенклатуры и составляли порядка10−3
÷10−4
отказов в час, а ресурс был в диапазоне 1–2 тыс. часов. Анализ системных характе- ристик надежности показал, что при таких данных и разумных объемах бортовых запасных изделий и приборов (ЗИП) корабль не может обеспечить номинальный срок автономного плавания. Однако, анализ эксплуатационных данных указывал на непомерно заниженные гарантии предприятий-производителей (Министерства элек- тронной промышленности) комплектующих по рассматриваемым характеристикам.
Проблема была преодолена тем, что научный руководитель по комплексной авто- матизации корабля академик В. А. Трапезников дал личные гарантии флоту по ресурсу в 10–15 тыс. часов и интенсивностям отказов на уровне, близком к уров- ню зарубежных производителей аналогичных комплектующих. Опыт эксплуатации подтвердил эти гарантии, более того значения реального ресурса превысили 40 тыс.
часов.
Существовавшая проектная практика анализа и обеспечения надежности базиро- валась на опыте и интуиции разработчиков систем. В проектах вообще отсутствовал раздел проектной оценки надежности.
Однако, именно в конце 50-х – начале 60-х годов формировалась отечественная школа теории надежности. На это время приходятся основные публикации по этой проблеме.
В 1960–63 годах специалистами Института проблем управления (автоматики и телемеханики) были подготовлены руководящие нормативные материалы по анали- зу и обеспечению заданных уровней надежности, в частности, были систематизи- рованы справочные данные интенсивности отказов и ресурса по всей номенклатуре элементов автоматики, на основе которых впервые в кораблестроении был прове- ден сравнительный надежностный анализ вариантов систем. Более двадцати лет эти материалы совершенствовались, а количественный анализ надежности стал ос- новным разделом проектов. За этот период состояние теории надежности и досто- верность исходных данных улучшились настолько, что возможным стал не только сравнительный анализ, но и достаточно обоснованный прогноз истинных значений показателей надежности.
Близкое к надежности свойство управляющих систем – живучесть – в полном объеме не анализировалось. Однако влияние систем на живучесть корабля в форме решения типовых аварийных задач, например “нарушение герметичности прочного корпуса в отсеке”, оценивалось посредством получения решений на математических моделях развития исходных событий в аварии.
Заметим, что теория живучести информационных и управляющих систем стала развиваться в последние двадцать лет.
Главная проблема надежности: удержание систем в работоспособном состоянии на заданном интервале времени эксплуатации. Первые шаги в решении этой части проблемы состоят в выборе интервалов эксплуатации между ремонтами и объемов восстановления работоспособности в условиях эксплуатации корабля в море и на базе. Определяющими здесь были приняты режимы боевого применения корабля, а именно: длительность автономного плавания, а также сроки мелкого, среднего и капитального ремонтов основного оборудования.
В условиях жесткого ограничения числа операторов на борту восстановление планировалось только блочное без привлечения специальных ремонтников, т.е. си- лами основного оперативного персонала.
Была проведена тщательная классификация систем и отдельных каналов пере- дачи информации и управления с разделением на три группы. В системах первой группы при отказах обеспечивался (предписывался) переход на резервные каналы или на ручное управление и восстановление работоспособности в заданное, весьма ограниченное время. В системах второй группы восстановление допускалось после окончания вахты (интервал до 4-х часов). В системах третьей группы восстанов- ление предусматривалось на базе из берегового запаса сменных блоков и узлов.
Но для всех трех групп техническое диагностирование обеспечивалось встроенны- ми средствами функционального и тестового контроля. Тестовые методы контроля предусматривались в основном для систем, работающих в ждущем режиме (системы противоаварийной защиты, плавучести, оружия и др.).
Главными факторами сокращения времени обслуживания и объема бортового ЗИП были унификация аппаратуры и ее ремонтопригодность. Вследствие слабой об- щегосударственной и слишком развитой внутриотраслевой (в рамках министерств) стандартизации проблема унификации технических средств решалась очень трудно.
И тем не менее она была проведена. Особенно значительный эффект дала унифика- ция информационных каналов: датчиков, источников питания, вторичных приборов усиления, фильтрации и нормализации сигналов.
Кроме технического обслуживания и ремонта широко применялось автомати- ческое восстановление работоспособности различными видами резервирования (2 из 3-х; дублирование) и реконфигурации структуры (“склеивание” работоспособных каналов из остатков отказавших).
5. Отладка и функциональные испытания управляющих систем
Важной новой проблемой комплексной автоматизации стало подтверждение до монтажа на объекте работоспособности (качества функционирования) систем в штатных и нештатных ситуациях. В то время основным направлением в решении этой проблемы было создание натурных или полунатурных (имитационных) стен- дов. Кроме высокой стоимости, негибкости и сложности экспериментов такие стенды не обеспечивали в полном объеме воспроизведение в динамике аварийных ситуаций, возможных на объектах управления. Поэтому с первых шагов разработки управля- ющих систем были начаты работы по созданию электронных стендов, способных воспроизводить математические модели взаимодействия управляемых объектов во всех режимах их функционирования, включая предаварийные и аварийные (в слу- чае несрабатывания подсистем локализации аварийных ситуаций). Основу таких стендов составили аналоговые машины типа “Электрон”, ЭМУ-8, ЭМУ-10 в комбина- ции с логическими устройствами. Создание электронных стендов по объему затрат, времени, сложности научных задач соизмеримо с созданием испытуемых систем. Но эти затраты оправданны, поскольку стендовые испытания позволяют выявить несо- гласованности режимов отдельных агрегатов объекта, ошибочные представления о ходе аварийных режимов и действиях защитных подсистем, оценить грубость систем к возможным отклонениям значений их параметров от установленных в проектах и к дрейфу значений параметров при длительной эксплуатации.
Электронные стенды благодаря своей универсальности обеспечивают работы над проектами автоматизации нескольких, близких по составу оборудования, объектов.
Заметим, что в практике создания общепромышленных АСУ технологическими процессами, в том числе для атомных станций, только в середине 80-х годов стали применять электронные стенды комплексной отладки после серии дорогостоящих и мучительных вводов в эксплуатацию АСУ на объектах (например Запорожской и Игнолинской АЭС). В какой-то степени предварительной комплексной отладке АСУ ТП препятствовало суждение, что АСУ – это не физическая система, а объе- диняющее понятие, облегчающее проектирование многофункциональных комплекс- ных систем. Поэтому было допустимо поставлять на управляемые объекты отдель- ные подсистемы без предварительной комплексной их отладки и только в процессе монтажа и первых испытаний на объекте отрабатывать их взаимодействие.
Конечно, стендовая отладка не позволила в полной мере подготовить системы корабля к функционированию в реальных условиях. И препятствием этому была
“помеховая обстановка”, в частности, разность электрических потенциалов по длине корпуса корабля, работа мощной коммутационной аппаратуры, явления в длинных линиях, например гидроудары в гидравлических сетях. И тем не менее параллель- ный анализ процессов на реальном объекте и на стенде значительно облегчали ре- шение “помеховой” проблемы.
Особое значение стенды имеют в выборе компоновки пультов (рабочих мест) операторов, определении их оптимальной нагрузки (степени участия в процессах управления), взаимодействия с автоматическими подсистемами и между собой, т.е.
в выборе оптимальной организации управления. Эти же стенды, дополненные мето- диками обучения, послужили базой для тренажеров в период эксплуатации систем.
6. Формирование номенклатуры технических средств автоматизации Важнейшие свойства проектируемых управляющих систем, такие как работо- способность, готовность, объем трудозатрат на техническое обслуживание, энерго- потребление, объем и масса, в значительной степени определяются выбором номен- клатуры технических средств, реализующих алгоритмы сбора, передачи и обработ- ки информационных сигналов и управляющих воздействий.
Формирование номенклатуры средств автоматизации относится к категории мно- гокритериальных задач принятия решения. Хотя формализованные методы реше- ния их были разработаны в 70-е годы, проектанты крупных многофункциональных систем и ранее подходили к этой задаче как к многокритериальной. Она решалась поэтапно и итеративно путем сужения номенклатуры средств.
На первом этапе сужение номенклатуры комплектующих элементов осуществ- лялось с помощью списков ограничительных стандартизованных перечней, соответ- ствующих физическим условиям эксплуатации объектов автоматизации.
На втором этапе – на уровне конструктивов аппаратуры и функциональных мо- дулей посредством унификации различных технических решений и введения допол- нительных (системных) ограничений.
Сложность проблемы заключалась в том, что унификацию и оптимизацию тех- нических решений надо было проводить не по отдельным приборам, а по системе в целом, включающей в себя несколько сотен приборов и устройств.
По таким наиболее массовым средствам, как датчики технологических парамет- ров, блоки логической обработки информации и пульты управления были проведены централизованные разработки, позволившие осуществить почти 100%-ю унифика- цию. Конкурирующие решения выбирались по двум доминирующим показателям, а именно: надежности (безотказности на интервале 5000 часов и коэффициенту го- товности) и объему трудозатрат на техническое обслуживание в походе. Другие по- казатели (энергопотребление, масса, объем, стоимость и др.) рассматривались как ограничения, которые устанавливались проектантами корабля для крупных управ- ляющих подсистем (числом порядка 10-ти): главной энергетической установки (ре- актор, парогенератор, турбина), электроэнергетической системы, комплекса манев- рирования в пространстве и др.
Унификация средств была сопряжена с большими организационными трудностя- ми, поскольку отдельные системы и группы средств разрабатывались предприятия- ми разных министерств, каждое из которых проводило свою техническую политику.
Экономические факторы, которые в странах с рыночной экономикой стимулиру- ют фирмы унифицировать свою продукцию, у нас в стране в 60-е годы практически отсутствовали.
Главным рычагом осуществления унификации были решения научных руководи- телей: акад. В. А. Трапезникова – по автоматизации и акад. А. П. Александрова – по кораблю в целом, наделенных значительными полномочиями.
Поступила в редакцию 19.11.98