СИСТЕМА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВОЗДУШНОГО СУДНА
AIRCRAFT ENGINEERING SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и системе для проектирования воздушного судна, прежде всего грузопассажирского воздушного судна гражданского назначения.
Уровень техники
Конструирование и построение нового воздушного судна представляют собой очень сложные и требующие чрезвычайно высоких затрат процессы. Поэтому перед планированием новой модели воздушного судна авиастроительная компания пытается до начала проведения собственно стадии инженерных изысканий и опытно-конструкторских работ выяснить, какими характеристиками, прежде всего техническими, эксплуатационными и экономическими, должна обладать задуманная новая модель воздушного судна для обретения коммерческого успеха и, следовательно, оправдания высоких расходов на проведение опытно-конструкторских работ.
До настоящего времени обычной укоренившейся практикой стало приглашение представителей компаний-авиаперевозчиков - и тем самым представителей потенциальных клиентов - к участию в работе специальных мероприятий, так называемых рабочей экспертной комиссии (англ. "customer-focus-group") или консультативного совета для авиалиний (англ. "airline-advisory-board"). На этих мероприятиях представителей авиакомпаний просят выразить свои пожелания касательно используемых при расчете конструкции параметров новой модели воздушного судна. В число запрашиваемых расчетных параметров входят, например, желаемая грузоподъемность (относится по существу к размеру фюзеляжа по отношению, например, к максимально допустимому к перевозке числу пассажиров плюс грузу), требование к дальности полета, взлетно-посадочные требования, желательная крейсерская высота полета. Также, при необходимости, задаются прочие расчетные параметры, такие, например, как желательная крейсерская скорость полета, максимальные значения для размаха крыла, длины фюзеляжа и/или приходящегося на колесо шасси удельного контактного давления.
После этого касающиеся расчетных параметров оценки, выданные представителями авиакомпаний, сводятся воедино и подвергаются статистическому анализу. Затем авиастроительная компания в качестве расчетной точки для новой модели воздушного судна формулирует расчетные параметры, определенные на основании статистического анализа и согласно дальнейшим опросам экспертов.
Затем на основании найденной таким образом расчетной точки применяют способ синтеза, позволяющий итерационно оптимизировать в плане издержек проект воздушного судна, удовлетворяющий расчетной точке. Соответствующий способ синтеза согласно предшествующему уровню техники описан, среди прочего, в работе "Synthesis of Subsonic Airplane Design: An introduction to the preliminary design of subsonic general aviation and transport aircraft, with emphasis on layout, aerodynamic design, propulsion and performance" за авторством Egbert Torenbeek, публикация 1982 года, издательство Delft University Press, 9-oe переиздание 1999-ом году, а также в принадлежащей тому же автору публикации "Advanced Aircraft Design: Conceptual Design, Technology and Optimization of Subsonic Civil Airplanes", издание 2013, издательство John Wiley&Sons.
В способе синтеза сначала назначение размеров силовой установки, несущих поверхностей и хвостового оперения, массу, оцененную по результату этого назначения размеров совместно с параметрами расчетной точки, а также предварительно оцененные летно-технические характеристики итерационно оптимизируют таким образом, что максимальная взлетная масса сходится и удовлетворены требования к дальности полета и взлетно-посадочные требования согласно расчетной точке. После этого для соответствующим образом оптимизированного проекта составляют смету затрат, при этом, в частности, оценивают более поздние эксплуатационные расходы. Затем проверяют, является ли данный проект оптимальным по издержкам. Если это не так, то описанную выше итерацию повторяют с другими исходными величинами (например, изменив назначение размеров силовой установки) с такой частотой, пока не будет получено оптимальное значение издержек.
Описанный способ приводит к проекту воздушного судна, оптимизированному в отношении заданной расчетной точки. Тем не менее, известные из уровня техники способы не дают гарантию того, что также оптимальным образом выбирается расчетная точка, с прицелом под которую оптимизируется проект воздушного судна. Так, в уровне техники окончательная расчетная точка формулируется на основании консультаций с заказчиками и субъективных мнений экспертов, что, несомненно, таит в себе опасность выбора "ложной расчетной точки". Как следствие этого, может случиться промашка с выбором размеров воздушного судна и оно окажется "вне рыночных требований " и тогда спрос на него окажется очень невелик, если вообще отыщутся покупатели. Последствия для авиастроительной компании могут оказаться фатальными в силу высоких расходов на проведение опытно-конструкторских работ.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в разработке усовершенствованного способа проектирования воздушного судна, в котором имевшиемся в уровне недостатки полностью устранены или остаются лишь в значительно уменьшенной мере, а также системы для его осуществления.
Поставленная задача решается разработкой способа, охарактеризованного в независимом пункте 1 формулы изобретения, а также системой, охарактеризованной в независимом пункте 10 формулы изобретения. В зависимых пунктах формулы изобретения приведены предпочтительные варианты осуществления изобретения.
В соответствии с этим, настоящее изобретение относится к способу проектирования воздушного судна, включающему формулирование начального технического задания для по меньшей мере одного проекта воздушного судна, оптимизацию по меньшей мере одного проекта воздушного судна на основании технического задания в отношении ожидаемых эксплуатационных расходов, моделирование заданной общей маршрутной сети с использованием по меньшей мере одного проекта воздушного судна и нахождение эффективности общей маршрутной сети, проверку, является ли найденная эффективность общей маршрутной сети оптимальной, и, в случае, ее неоптимальности, адаптацию технического задания и осуществление итерации, начиная с шага оптимизации.
Кроме того, настоящее изобретение относится к системе, содержащей запоминающее устройство, предназначенное для записи и хранения технического задания для по меньшей мере одного проекта воздушного судна, модуль синтеза, предназначенный для нахождения оптимизированных по затратам проектов воздушного судна на основании технического задания из запоминающего устройства, модуль моделирования, предназначенный для осуществления моделирования общей маршрутной сети с использованием проектов воздушного судна, найденных модулем синтеза, и нахождения эффективности общей маршрутной сети, и модуль оптимизации, предназначенный для проверки, является ли оптимальной найденная модулем моделирования эффективность общей маршрутной сети, и, при ее неоптимальности, для изменения технического задания в запоминающем устройстве.
Отличительная особенность предлагаемого в изобретении способа проектирования воздушного судна заключается в том, что не только проект воздушного судна оптимизируется с прицелом под определенное заданное техническое задание, но и вдобавок техническое задание также оптимизируется таким образом, что окончательный проект воздушного судна наиболее оптимально согласован с заданной общей маршрутной сетью. Следовательно, в отличие от уровня техники, не только отдельный проект воздушного судна оптимизируется с точки зрения издержек на основании заданной расчетной точки, а еще и гарантировано, что расчетная точка для проекта воздушного судна оптимизирована в плане заданной общей маршрутной сети.
Перед последующим более подробным описанием изобретения и его преимуществ сначала приведено более подробное разъяснение некоторых употребленных в связи с ним терминов.
Под техническим заданием понимается документ, в котором сведены воедино отдельные технические требования, относящиеся к по меньшей мере одному проекту воздушного судна. Эти требования могут включать, например, грузоподъемность, дальность полета, а также взлетно-посадочные требования, например, для аэропортов, расположенных на больших высотах в регионах с жарким климатом (англ. термин "hot and high airports") или имеющих особенно короткие взлетно-посадочные полосы. Также могут быть заданы минимальная крейсерская высота полета, минимальная крейсерская скорость полета и/или максимальные значения для размаха крыла, длины фюзеляжа и/или приходящегося на колесо шасси удельного контактного давления. В качестве альтернативы или в дополнение к минимальной грузоподъемности также могут быть предусмотрены требования насчет количества пассажирских посадочных мест.
В техническом задании могут содержаться технические требования для отдельного проекта воздушного судна. Вместе с тем, также возможно, что техническое задание содержит соответствующие требования для нескольких различных проектов воздушного судна. Так, например, техническое задание может содержать, с одной стороны, требования для воздушного судна для авиалиний малой протяженности (местных авиалиний), а с другой стороны -требования для воздушного судна для авиалиний большой протяженности (магистрального). В техническом задании также могут быть заданы некоторые связи между требованиями для нескольких различных проектов воздушного судна. Так, например, можно сформулировать, что два проекта воздушного судна должны иметь идентичные несущие поверхности для уменьшения общих расходов на проведение опытно-конструкторских работ для обоих проектов воздушного судна.
Под общей маршрутной сетью понимается собрание всех маршрутов полета одной или нескольких компаний-авиаперевозчиков, которые обслуживаются этими компаниями или их предстоит обслуживать. Следовательно, общая маршрутная сеть не ограничивается только теми маршрутами полета, которые, по мнению экспертов, должен быть в состоянии обслуживать новый проект воздушного судна. Также возможно, что общая маршрутная сеть, положенная в основу предлагаемого в изобретении способа или соответствующей ему системы, представляет собой только часть реально существующей маршрутной сети. Например, для упрощения моделирования общей маршрутной сети из этой смоделированной сети можно исключить отдельные маршруты, для которых был специально разработан уже существующий тип воздушного судна (например, маршрут чрезвычайно большой протяженности). Однако даже и в этом случае общая маршрутная сеть все еще не ограничивается только теми маршрутами, возможность обслуживания которых, по мнению экспертов, необходимо обеспечить новым проектом воздушного судна.
Предпочтительно, чтобы для моделирования общей маршрутной сети для каждого отдельного маршрута полета была предоставлена в распоряжение, помимо информации о длине соответствующего маршрута, также информация о взлетно-посадочных условиях в отдельных аэропортах соответствующего маршрута. Кроме того, для отдельных аэропортов в общей маршрутной сети еще могут быть заданы, например, максимальные значения размаха крыла, длины фюзеляжа и/или приходящегося на колесо шасси удельного контактного давления. Кроме того, еще может быть обеспечена возможность доступа к информации об объеме грузоперевозок на маршруте полета и/или информации о количестве временных окон, в пределах которых определенная авиакомпания имеет разрешение на взлет и посадку в аэропорту (слоты в аэропорту -временные интервалы, выделенные в аэропорту рейсу для выполнения воздушным судном прибытия или отправления в определенную дату). В качестве альтернативы или в дополнение к объему грузоперевозок также может иметься в распоряжении информация об объеме пассажирских перевозок на маршруте полета.
Общая маршрутная сеть, положенная в основу моделирования по предлагаемому в изобретении способу, может представлять собой реально существующую общую маршрутную сеть одной или нескольких компаний-авиаперевозчиков. Вместе с тем, в основу моделирования можно заложить теоретическую общую маршрутную сеть. Так, к примеру, исходя из фактически существующей общей маршрутной сети можно спроектировать будущую общую маршрутную сеть, например, служащую прообразом общей маршрутной сети, ожидаемой или запланированной в ближайшем будущем либо в перспективе 10 или 20 лет.
В предлагаемом в изобретении способе сначала формулируют изначальное техническое задание для по меньшей мере одного нового проекта воздушного судна. Это изначальное техническое задание может содержать технические требования только для одного проекта воздушного судна. Вместе с тем, возможен вариант, в котором изначальный техническое задание содержит технические требования для нескольких проектов воздушного судна, например, для одного или нескольких воздушных судов для авиалиний малой протяженности и одного или нескольких воздушных судов для авиалиний большой протяженности.
После этого по отдельности осуществляют оптимизацию соответствующего проекта воздушного судна для каждого проекта, для которого в техническом задании содержатся технические требования. При этом оптимизация осуществляется в первую очередь с точки зрения присущих проекту воздушного судна эксплуатационных расходов, причем эксплуатационные расходы можно вычислить как функции технических параметров, соответственно, конфигурации проекта воздушного судна. Так, например, расход топлива и связанные с ним издержки можно рассчитать из технических параметров, среди которых тяговооруженность и/или показатели качества аэродинамики проекта воздушного судна; издержки на техническое обслуживание можно находить в зависимости от массы воздушного судна и числа двигателей; суммы аэропортовых сборов (такс) зависят от массы воздушного судна и т.д. Соответствующие подсчеты ожидаемых издержек для проекта воздушного судна известны из уровня техники.
Для оптимизации эксплуатационных расходов, или основополагающих технических параметров, можно прибегнуть к уже известному из уровня техники способу синтеза. В ходе осуществления этого способа сначала подвергают итерациям различные параметры проекта, такие как назначение размеров силовой установки, несущих поверхностей и хвостового оперения, и параметры, по меньшей мере частично вытекающие из них, такие как распределение подъемной силы по крылу, масса, центр тяжести, аэродинамическое сопротивление и летно-технические характеристики, пока на сойдется максимальная взлетная масса, при соблюдении остальных граничных условий, таких как требования к дальности полета, взлетно-посадочные требования и прочие показатели. После этого оценивают эксплуатационные расходы и описанный выше итерационный способ повторяют до момента получения их оптимального значения. Ожидаемые эксплуатационные расходы можно найти на основании технических параметров проекта воздушного судна, как разъяснено выше.
Имея оптимизированный(е) таким образом проект(ы) воздушного судна, после этого осуществляют моделирование общей маршрутной сети и находят ее эффективность. В ходе этого находят эффективность маршрута полета для каждого маршрута общей маршрутной сети и суммируют отдельные эффективности маршрутов полета, формируя эффективность общей маршрутной сети. Эффективность маршрута полета вычисляется вычитанием из доходов, ожидаемых для определенного проекта воздушного судна на определенном маршруте полета, издержек на использование проекта воздушного судна на этом маршруте. При этом значения эффективности маршрута полета для определенного маршрута могут быть найдены только для проектов воздушного судна, имеющих с технической точки зрения предпосылки для обслуживания маршрута полета, т.е., например, обладающих достаточной дальностью полета.
При моделировании общей маршрутной сети может оказаться так, что для применения на определенном маршруте полета пригодны два или более проектов воздушного судна. В этом случае предпочтительно обеспечить вычисление потенциала эффективности каждого отдельного проекта воздушного судна, подходящего для использования на соответствующем маршруте полета. Вслед за тем для этого маршрута полета выбирают тот проект воздушного судна, значение эффективности которого на этом шаге моделирования способствует получению наибольшего значения эффективности общей маршрутной сети.
Вместе с тем, возможна ситуация, в которой при моделировании получается, что отдельные маршруты полета не могут быть обслужены ни одним из смоделированных проектов воздушного судна. В этом случае непригодный к обслуживанию маршрут может быть сопряжен с высокими издержками, что в конечном итоге приведет к отсутствию оптимального значения эффективности общей маршрутной сети при моделировании, при котором невозможно обслужить отдельные маршруты полета. В качестве альтернативы также можно обеспечить прерывание моделирования общей маршрутной сети, если маршрут полета не может быть обслужен каким-либо из смоделированных проектов воздушного судна.
При моделировании общей маршрутной сети и нахождении ее эффективности могут быть заданы граничные условия касательно выбора проектов воздушного судна, предусмотренных для отдельных маршрутов полета. Так, можно было бы, например, предварительно задавать, что в общей маршрутной сети или определенной ее части следует использовать только максимальное число различных проектов воздушного судна и/или что каждый используемый в общей маршрутной сети проект воздушного судна подлежит использованию (или необходимо обеспечить его возможность использования) на минимальном количестве отдельных маршрутов полета в общей маршрутной сети. Максимальное количество различных проектов воздушного судна при этом предпочтительно больше двух. За счет постановки соответствующих граничных условий уже на этом шаге способа можно исключить слишком разнородный, а потому экономически нецелесообразный в эксплуатации, парк различных проектов воздушного судна в общей маршрутной сети.
Ожидаемые доходы, необходимые для вычисления эффективности маршрута полета, можно рассчитывать, например, из объема грузоперевозок или объема пассажирских перевозок на маршруте полета, имеющихся в распоряжении слотов в аэропорту, а также грузоподъемности воздушного судна, которую также можно путем пересчета выразить в количестве посадочных мест в воздушном судне. При этом также можно учитывать эмпирические данные, такие как средняя загруженность и сезонные колебания объемов пассажирских перевозок или грузоперевозок на маршруте полета.
Если смоделированный маршрут полета является пассажирским маршрутом, то предпочтительно, если объем пассажирских перевозок на нем подразделяется на пассажиров по стандартному тарифу и пассажиров по специальному тарифу. Пассажиры по стандартному тарифу - это те, кто совершает поездку (кому приходится это делать) по данному маршруту полета по предписанным внешним причинам (например, из-за невозможности изменить "горящие сроки") и поэтому они готовы приобрести авиабилет даже по стандартным расценкам. В группу пассажиров по стандартному тарифу входят, в частности, лица, находящиеся в командировке. Пассажиры по специальному тарифу - это те пассажиры, которые не обязательно привязаны к одному маршруту полета, и готовы выбрать другую маршрутную схему (например, обходной путь) к своей цели. Скорее, пассажиры этой категории определенно решают воспользоваться конкретным маршрутом полета, если могут приобрести авиабилеты по выгодной цене. Такие пассажиры, ценовой фактор для которых играет существенную роль, путешествуют, как правило, часто по личным причинам, таким, например, как отпуск или каникулы.
Если объем пассажирских перевозок разделен на пассажиров по стандартному тарифу и пассажиров по специальному тарифу, возможен детальный расчет ожидаемых доходов. В частности, при моделировании таким образом можно воспроизвести эффект, что при изменении пропорционального соотношения долей объема пассажирских перевозок со сдвигом между количеством пассажиров по стандартному тарифу и количеством пассажиров по специальному тарифу изменяется средняя цена билета на маршрут полета и, таким образом, также эффективность этого маршрута. Например, если объем перевозок пассажиров по стандартному тарифу возрастает, а объем перевозок пассажиров по специальному тарифу остается неизменным, то тогда падает доля пассажиров по специальному тарифу и, таким образом, происходит падение средней цены билета на маршрут полета, а вместе с ней и эффективности этого маршрута.
Разумеется, сопоставимая ситуация также имеет место и для прочих видов перевозок, т.е. грузоперевозок, которые также можно подразделять на груз по стандартному тарифу и груз по специальному тарифу. При таком подходе груз по стандартному тарифу может представлять собой грузы, которые необходимо быстро транспортировать в определенный момент времени, например, в случае срочной поставки запасных частей, в то время как грузы по специальному тарифу также можно запросто перевозить другими транспортными средствами, несмотря на потерю времени, если использование других транспортных средств более экономически целесообразно.
Также требующиеся для расчета эффективности маршрута полета издержки - это эксплуатационные расходы, ожидаемые для определенного воздушного судна на маршруте полета. Эти ожидаемые эксплуатационные расходы можно найти (оценить) известным образом посредством технических величин проекта воздушного судна. В состав эксплуатационных расходов могут входить затраты на топливо, издержки по техническому обслуживанию, расходы на содержание обслуживающего персонала, сборы за использование аэропортов, взимаемые управлениями аэропортов с предприятий воздушного сообщения, и прочие расходы. Также возможно, что некоторую долю издержек для маршрута полета составляют включенные туда расходы на проведение опытно-конструкторских работ для нового воздушного судна. При этом расходы на проведение опытно-конструкторских работ можно, например, в качестве составных частей, переложить на те маршруты полета, на которых вновь разработанному воздушному судну предстоит использоваться согласно моделированию общей маршрутной сети.
Если эффективность маршрута полета уже вычислена для каждого маршрута полета общей маршрутной сети и прибавлена в получаемую суммированием эффективность общей маршрутной сети, то вслед за этим проводится проверка, является ли оптимальной найденная с помощью моделирования эффективность общей маршрутной сети. Если она оптимальная, то налицо оптимизированный проект воздушного судна (или же их несколько). Если же оптимальное значение еще не получено, изменяется техническое задание и проводятся итерационные прогоны описанного способа до тех пор, пока не будет получено оптимальное значение.
Поскольку предлагаемый в изобретении способ представляет собой итерационный способ, то при первом прогоне проверка наличия оптимального значения, как правило, невозможна. В таком случае проверка на оптимальность имеет отрицательный результат и отдельные шаги предлагаемого в изобретении способа итерационно повторяются в соответствии с измененным техническим заданием до тех пор, пока проверка на оптимальность может фактически осуществляться и пока не появится оптимальное значение. При этом существует принципиальная возможность того, что оптимальной оказывается эффективность общей маршрутной сети, которая была найдена в ходе первых шагов итерации, но на момент времени ее нахождения не могла быть идентифицирована в качестве таковой.
Также может быть задано минимальное число шагов итерации, при этом каждый из шагов итерации осуществляется с измененным техническим заданием. Если имеется ряд эффективностей общей маршрутной сети, соответствующий ряду минимальных итераций, полученный на основании разных технических заданий, то принципиально возможна (интерполяционная) проверка того, является ли оптимальной еще одна эффективность общей маршрутной сети, вычисленная согласно предлагаемому в изобретении способу. Однако здесь итерации также длятся до тех пор, пока не отыщется актуальное оптимальное значение.
В зависимости от постановки задачи в предлагаемом в изобретении способе можно находить локальное либо абсолютное оптимальное значение среди эффективностей общей маршрутной сети. Локальное оптимальное значение может быть желательным, например, тогда, когда назрела необходимость замены определенной уже существующей модели воздушного судна и нужно восполнить образовавшийся из-за этого пробел ограниченным числом оптимизированных согласно изобретению проектов воздушного судна. Абсолютное оптимальное значение может быть желательно, в частности, тогда, когда множеством различных оптимизированных согласно изобретению проектов воздушного судна должен быть покрыт максимально возможно широчайший спектр требований.
В качестве еще одного результата способа, помимо получения по меньшей мере одного оптимизированного проекта воздушного судна, можно рассматривать результат моделирования общей маршрутной сети. Из результата моделирования можно сделать вывод о том, какой проект воздушного судна на каком маршруте полета общей маршрутной сети следовало бы использовать для достижения оптимальной эффективности общей маршрутной сети.
Следовательно, в отличие от уровня техники в предлагаемом в изобретении способе не только оптимизируется проект воздушного судна, с нацеленностью на заданную расчетную точку, но и, более того, также оптимизируется эта расчетная точка, что выражается в виде изменения технического задания. В результате получается один или несколько проектов воздушного судна, которые настолько согласованы с заданной общей маршрутной сетью, что возможно достижение оптимальной эффективности общей маршрутной сети.
При адаптации технического задания возможно изменение числа проектов воздушного судна, для которых содержатся требования в этом техническом задании. Так, например, в предлагаемом в изобретении способе может быть выявлено повышение эффективности общей маршрутной сети, если вместо одного-единственного нового проекта воздушного судна предусмотрены два новых проекта воздушного судна, даже несмотря на повышенные в результате этого расходы на проведение опытно-конструкторских работ, при этом один из двух проектов воздушного судна оптимизирован для первой части маршрутов общей маршрутной сети, а другой проект воздушного судна оптимизирован для второй части маршрутов общей маршрутной сети.
В предлагаемом в изобретении способе также могут быть предварительно заданы граничные условия в отношении максимального числа возможных проектов воздушного судна. Так, например, можно ограничить число новых проектов воздушного судна или уровень суммарных расходов на проведение опытно-конструкторских работ для всех новых проектов воздушного судна. Это позволяет учитывать имеющиеся у авиастроительных компаний материально-технические возможности и прочие ресурсы для проведения опытно-конструкторских работ.
В частности, в случаях, в которых ограничено число новых проектов воздушного судна, да и во всех иных случаях, предпочтительно, если при моделировании общей маршрутной сети наряду с проектами воздушного судна на основании технического задания также учитываются уже доступные модели воздушных судов. При этом учитываться могут все уже доступные модели воздушных судов или только избранные из них. Следовательно, тогда моделирование общей маршрутной сети теперь уже не остается ограниченным новыми проектами воздушного судна, находимыми с помощью способа синтеза согласно техническому заданию, а учитываются также модели воздушных судов, которые уже доступны на рынке. Это позволяет, как правило, обеспечить обслуживание всех маршрутов полета маршрутной сети и оптимально адаптировать один или несколько новых проектов воздушного судна к некоторым маршрутам маршрутной сети, в результате чего с учетом уже доступных моделей воздушных судов достигается оптимальная эффективность общей маршрутной сети.
Если использованием предлагаемого в изобретении способа в первую очередь преследуют цель замены конкретной уже доступной модели воздушного судна новым проектом воздушного судна, то производимое в ходе способа моделирование можно осуществлять с проектом воздушного судна прочих доступных моделей воздушных судов. Тогда конкретную доступную модель воздушного судна предпочтительно исключают из моделирования и оптимизируют проект воздушного судна таким образом, чтобы он максимально оптимально заменял эту конкретную доступную модель воздушного судна. При этом начальное техническое задание для нового проекта воздушного судна может быть сориентировано на технические характеристики этой конкретной доступной модели воздушного судна, но оптимизируется в ходе предлагаемого в изобретении способа, как описано.
Предлагаемый в изобретении способ с учетом в процессе моделирования уже известных моделей воздушных судов станет понятен при рассмотрении его с помощью примера.
Например, если доступно воздушное судно для авиалиний большой протяженности и его учитывают при моделировании, то в случае общей маршрутной сети, содержащей маршруты большой и малой протяженности и при поставленной задаче оптимизировать только один-единственный проект воздушного судна, предлагаемый в изобретении способ скорее приведет к проекту воздушного судна, адаптированному к маршрутам малой протяженности. При этом в предлагаемом в изобретении способе автоматически выясняется, какие маршруты какими воздушными судами должны обслуживаться для достижения оптимальной эффективности общей маршрутной сети. Так, например, потенциально возможно, что эффективность общей маршрутной сети максимальна, когда большинство маршрутов малой протяженности покрывается новым проектом воздушного судна, а малая часть соединений маршрутов малой протяженности, имеющих особые взлетно-посадочные предпосылки, несмотря ни на что обслуживается уже доступным воздушным судном для авиалиний большой протяженности. Предлагаемый в изобретении способ учитывает именно тот факт, что если бы новый проект воздушного судна был подходящим также для указанной малой части маршрутов малой протяженности, то эксплуатационные расходы проекта воздушного судна в принципе возросли бы таким образом, что снизилась бы эффективность на прочих маршрутах малой протяженности. Таким образом, в сумме эффективность общей маршрутной сети более не могла бы быть максимальной. Следовательно, в отличие от принятых в уровне техники способов разработки предлагаемый в изобретении способ в рассматриваемом примере может привести к проекту для воздушного судна для авиалиний малой протяженности, который хотя и не может обслуживать все маршруты малой протяженности общей маршрутной сети, однако по совокупности также является предпочтительным при обслуживании определенных маршрутов малой протяженности уже существующим воздушным судном для авиалиний большой протяженности.
Кратко резюмируя вышеизложенное, можно сформулировать основное отличие предлагаемого в изобретении способа, состоящее в том, что один или несколько оптимизированных проектов воздушного судна находят итерационным путем исходя из технического задания с техническими требованиями для одного или нескольких проектов воздушного судна, с учетом величин, выводимых из технической конфигурации одного или нескольких проектов воздушного судна, и общей маршрутной сети. Найденные таким путем проекты воздушного судна характеризуются конфигурацией, оптимизированной под общую маршрутную сеть, в результате чего, с одной стороны, повышается эффективность общей маршрутной сети, а с другой стороны, например, также снижается общий расход топлива воздушными судами, используемыми в общей маршрутной сети, поскольку предусмотренные для отдельных маршрутов полета воздушные суда максимально оптимальным образом адаптированы к этим маршрутам.
Предлагаемая в изобретении система выполнена для осуществления предлагаемого в изобретении способа, а потому для уяснения системы следует обратиться к вышеизложенным рассуждениям.
Предпочтительно, чтобы была предусмотрена первая база данных, связанная с модулем моделирования, содержащая информацию обо всех маршрутах полета общей маршрутной сети. Тогда моделирование, производимое модулем моделирования, может осуществляться на основании данных из первой базы данных.
Далее предпочтительно, чтобы была предусмотрена вторая база данных, связанная с модулем моделирования, содержащая информацию по доступным моделям воздушного судна. Тогда модуль моделирования предпочтительно выполнен с возможностью учитывания этой информации при осуществлении моделирования общей маршрутной сети.
Кроме того, система может быть предпочтительно выполнена для осуществления предлагаемого в изобретении способа и предпочтительных вариантов его осуществления. За разъяснением этих дополнительных доработанных вариантов осуществления следует обратиться к изложенным выше рассуждениям.
Краткое описание чертежей
Ниже приведено подробное описание изобретения на примере одного варианта его осуществления, сделанное со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 - предлагаемая в изобретении система, выполненная для осуществления предлагаемого в изобретении способа, и
на фиг. 2 - блок-схема последовательности выполнения операций предлагаемого в изобретении способа, в соответствии с протеканием его алгоритма, реализуемого показанной на фиг. 1 системой.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показана предлагаемая в изобретении система 1, выполненная для осуществления предлагаемого в изобретении способа. Система 1 содержит запоминающее устройство 2 для хранения технического задания, модуль 3 синтеза, модуль 4 моделирования, а также модуль 5 оптимизации. Перечисленные компоненты последовательно соединены между собой. Кроме того, модуль 5 оптимизации также соединен с запоминающим устройством 2.
Кроме того, предусмотрены первая база 6 данных и вторая база 7 данных, каждая из которых соединена с модулем 4 моделирования. В первой базе 6 данных отображена общая маршрутная сеть, т.е. в базе 6 данных хранится информация обо всех маршрутах полета общей маршрутной сети. Во второй базе 7 данных хранится информация обо всех или о некоторых доступных на рынке воздушных судах.
В запоминающем устройстве 2 хранится техническое задание, содержащее технические требования для нового проекта воздушного судна. В число этих технических требований могут входить минимальная грузоподъемность, минимальная дальность полета, а также взлетно-посадочные требования для одного или нескольких проектов воздушного судна. Дополнительно еще могут быть включены требования касательно крейсерской высоты полета и/или крейсерской скорости полета, а также максимальные значения для размаха крыла, длины фюзеляжа и/или приходящегося на колесо шасси удельного контактного давления. Вначале техническое задание задают вручную, но, как пояснено ниже, оно подвергается итерационным изменениям в ходе предлагаемого в изобретении способа 10 (см. фиг. 2).
Техническое задание из запоминающего устройства 2 подают в модуль 3 синтеза, реализующий на основании технических требований способ синтеза для оптимизации одного или нескольких проектов воздушного судна в соответствии с техническими требованиями. Результатом этого способа синтеза являются один или несколько проектов воздушного судна, основанных на техническом задании и имеющих наиболее оптимальные, т.е. низкие, эксплуатационные расходы. Этот (или эти) найденный(е) путем итераций проект(ы) воздушного судна передается(-ются) в модуль 4 моделирования.
Модуль 4 моделирования выполнен для осуществления моделирования общей маршрутной сети, отображенной в первой базе 6 данных. Для этого в модуле 4 моделирования вычисляется эффективность маршрута полета для каждого маршрута общей маршрутной сети, при этом потенциальная эффективность на маршруте полета вычисляется для всех доступных, переданных из модуля 3 синтеза проектов воздушного судна, а также для хранимых во второй базе 7 данных доступных моделей воздушного судна, которые по своим техническим предпосылкам в принципе подходят для обслуживания маршрута полета. Затем в качестве окончательной эффективности маршрута полета выбирают ту потенциальную эффективность, которая на этом шаге моделирования дает вклад в наибольшее значение эффективности общей маршрутной сети.
После этого посредством модуля 4 моделирования формируют эффективность общей маршрутной сети как сумму отдельных значений эффективности маршрута полета и передают ее в модуль 5 оптимизации.
В модуле 5 оптимизации производится проверка, является ли эффективность общей маршрутной сети оптимальной. Если она оптимальная, то в качестве оптимизированных проектов воздушного судна выдаются один или несколько проектов воздушного судна, найденных модулем 3 синтеза. При отсутствии оптимальной эффективности общей маршрутной сети модулем 5 оптимизации изменяется хранимое в запоминающем устройстве 2 техническое задание и способ итерационно повторяется до тех пор, пока не появится оптимальная эффективность общей маршрутной сети.
Ниже со ссылками на блок-схему последовательности выполнения операций, показанную на фиг. 2, приведено более подробное пояснение способа, осуществляемого показанной на фиг. 1 системой 1. Из изложенного ниже материала также можно получить подробные сведения о возможном выполнении отдельных компонентов системы 1, показанной на фиг. 1.
В начале предлагаемого в изобретении способа 10 формулируют начальное техническое задание. Это формулирование можно осуществить путем ручного ввода (шаг 11). В этом техническом задании содержатся технические требования для одного или нескольких проектов воздушного судна. В число технических требований входят: минимальная грузоподъемность, минимальная дальность полета и взлетно-посадочные требования. Вдобавок еще могут содержаться требования в отношении крейсерской высоты полета и/или крейсерской скорости полета. Техническое задание может быть направлено на отдельный проект воздушного судна, т.е. содержать только один набор технических требований. Вместе с тем, возможен вариант, в котором техническое задание содержит требования для нескольких проектов воздушного судна, причем тогда в нем присутствует ряд наборов технических требований, соответствующий ряду проектов воздушного судна.
Начальное техническое задание записывается и хранится таким образом, что имеется возможность его изменения в ходе реализации предлагаемого в изобретении способа (шаг 12), как подробнее разъяснено ниже.
На основании технического задания сначала осуществляется известный из уровня техники способ 13 синтеза. В этом способе 13 синтеза находят оптимальный проект воздушного судна для каждого из проектов, заложенных в техническое задание, а критерием оптимальности служат ожидаемые издержки, в частности, ожидаемые эксплуатационные расходы.
В способе 13 синтеза сначала осуществляют начальное назначение размеров фюзеляжа и начальное назначение размеров силовой установки, несущих поверхностей и хвостового оперения для проекта воздушного судна. Затем на основании этих величин можно осуществить оценку массы, а также определить распределение подъемной силы по несущим поверхностям и центр тяжести, оценить аэродинамическое сопротивление проекта воздушного судна и, что имеет не последнее значение, определить летно-технические характеристики проекта с принятыми размерами (шаг 14).
Затем проверяют, сходится ли максимальная взлетная масса проекта воздушного судна и удовлетворены ли технические требования из технического задания для этого проекта воздушного судна, в частности, требования по дальности полета, взлетно-посадочные требования, а также, при необходимости, крейсерской высоте полета, крейсерской скорости полета и/или приходящемуся на колесо шасси удельному контактному давлению (шаг 15). Если получен отрицательный ответ, то изменяют назначение размеров фюзеляжа, а также назначение размеров силовой установки, несущих поверхностей и хвостового оперения и снова осуществляют шаг 14. Таким образом, происходит итерационный процесс, осуществляемый до тех пор, пока максимальная взлетная масса проекта воздушного судна не сойдется и не будут удовлетворены технические требования из технического задания для этого проекта воздушного судна.
В случае, если соответствующая проверка на шаге 15 дает положительный ответ, то на следующем шаге вычисляют ожидаемые издержки для проекта воздушного судна (шаг 16). При этом эксплуатационные расходы можно определить в зависимости от технических величин, соответственно конфигурации проекта воздушного судна. Так, например, расход топлива и связанные с ним издержки можно рассчитать из тяговооруженности проекта воздушного судна, издержки на техническое обслуживание можно найти в зависимости от массы воздушного судна, а также числа двигателей; суммы аэропортовых сборов (такс) зависят от массы воздушного судна и т.д.
Затем, на шаге 17, проверяют, достигнут ли оптимальный вариант с точки зрения вычисленных на шаге 16 издержек. Если это неоптимальный вариант, вновь изменяют назначение размеров фюзеляжа, а также назначение размеров силовой установки, несущих поверхностей и хвостового оперения и процесс продолжается с шага 14. Эти процедуры повторяются до получения оптимальных издержек. Когда это наконец произошло, найденный этим основанным на итерациях способом проект воздушного судна подается в следующий шаг 18.
Способ 13 синтеза осуществляется по отдельности для каждого проекта воздушного судна, для которого имеются технические требования в техническом задании, в результате чего в случае наличия технических требований для более чем одного проекта воздушного судна на шаг 18 также подается большее на соответствующую величину количество проектов.
На шаге 18 осуществляют моделирование общей маршрутной сети. Для этого для каждого маршрута общей маршрутной сети находят соответствующую ему эффективность маршрута полета. С этой целью для маршрута полета с определенным проектом воздушного судна или существующей на текущий момент моделью воздушного судна, параметры которой могут храниться, например, в первой базе 6 данных (см. фиг. 1), подсчитывают баланс между ожидаемыми финансовыми поступлениями и эксплуатационными расходами (т.е. одни засчитываются в счет других). В расчет эффективности маршрута полета помимо собственно эксплуатационных расходов также могут вносить свою долю расходы на проведение опытно-конструкторских работ по новому воздушному судну. Если с технической точки зрения для обслуживания определенного маршрута полета общей маршрутной сети подходят более одного проекта воздушного судна (или уже доступного воздушного судна), то потенциальная эффективность на маршруте полета вычисляется для каждого проекта воздушного судна, соответственно, каждого доступного воздушного судна. В качестве окончательной эффективности маршрута полета для определенного маршрута выбирают ту потенциальную эффективность на этом маршруте полета, которая на этом шаге моделирования дает вклад в наивысшее значение эффективности общей маршрутной сети. При выборе проектов воздушного судна или доступных воздушных судов для отдельных маршрутов полета в общей маршрутной сети также могут учитываться граничные условия, такие как максимальное число различных типов воздушного судна в общей сети или минимальное количество воздушных судов определенного типа. После этого отдельные эффективности маршрутов полета суммируются в эффективность общей маршрутной сети.
На шаге 19 проверяют наличие оптимальности в отношении эффективности общей маршрутной сети. При отсутствии оптимального значения изменяют техническое задание и способ 10 вновь начинают с шага 12. При этом итерации в отношении технического задания осуществляются до получения оптимальной эффективности общей маршрутной сети. При этом техническое задание может изменяться даже настолько, что изменяется число окончательных проектов воздушного судна.
Если достигнута оптимальная эффективность общей маршрутной сети, то тогда способ 10 заканчивается шагом 20, на котором тогда присутствует(-ют) один или несколько оптимизированных проектов воздушного судна. Вдобавок к по меньшей мере одному проекту воздушного судна также еще имеется полученный на шаге 18 результат моделирования, из которого следует, какие маршруты полета в исследуемой общей маршрутной сети должны обслуживаться по меньшей мере одним проектируемым воздушным судном или иными доступными воздушными судами для достижения оптимальной эффективности общей маршрутной сети.
Ниже со ссылками на численный пример приведено более подробное пояснение изобретения. В этом примере необходимо спроектировать семейство воздушных судов, содержащее два воздушных судна, подходящих для маршрутов большой протяженности.
При этом в техническом задании изначально заданы два набора технических требований, каждый из которых отображает требования к проекту воздушного судна. Для первого проекта воздушного судна выставлены начальные требования в отношении грузоподъемности 60 т при минимальной дальности полета 6750 морских миль (около 12500 км), в то время как второй проект воздушного судна вначале должен иметь грузоподъемность 50 т при минимальной дальности полета 7750 морских миль (около 14350 км). Для обоих проектов воздушного судна начальные взлетно-посадочные требования подобраны под условия самых неблагоприятных аэропортов общей маршрутной сети, т.е. согласно начальным требованиям оба проектируемых воздушных судна должны быть способны осуществлять взлет и посадку в этом аэропорту с длиной взлетно-посадочной полосы 3000 м при расчетной температуре воздуха в районе аэродрома 30°С и высоте 2500 м над уровнем моря (средний уровень моря). Начальные требования для обоих проектов воздушного судна согласно техническому заданию сведены в следующую таблицу:
Для ограничения расходов на проведение опытно-конструкторских работ для семейства воздушных судов дополнительно сформулировано, что оба подлежащих нахождению проекта воздушного судна должны быть оснащены идентичными несущими поверхностями и идентичными двигателями. Помимо этого, сформулировано, что результат предлагаемого в изобретении способа должен оставаться ограниченным максимум двумя проектами воздушного судна.
На первом шаге в способе синтеза для каждого из двух проектов воздушного судна находят оптимальную конфигурацию по критерию их эксплуатационных расходов. Для этого варьируют различные параметры проекта, такие как длина фюзеляжа, а также назначение размеров силовой установки, несущих поверхностей и хвостового оперения, до тех пор, пока в каждом случае не сойдется максимальная взлетная масса, при соблюдении остальных граничных условий, таких как требования к дальности полета или взлетно-посадочные требования соответствующего проекта воздушного судна. Максимальная взлетная масса и такие характеристики проекта воздушного судна, как дальность полета, соответственно, взлетно-посадочные характеристики, можно найти из параметров проекта и являющихся их результатом промежуточных величин, таких как распределение подъемной силы по крылу, масса, центр тяжести, аэродинамическое сопротивление и летно-технические характеристики. При этом следует обратить внимание на то, что в соответствии с задачей в рассматриваемом примере назначение размеров силовой установки, несущих поверхностей и хвостового оперения в обоих проектах воздушного судна должно быть одинаковым.
После этого для каждого проекта оценивают эксплуатационные расходы и описанный выше итерационный способ повторяют до получения оптимальных эксплуатационных расходов. Ожидаемые эксплуатационные расходы в каждом соответствующем случае можно находить на основании технических параметров проектов воздушного судна, как пояснено выше.
В качестве результата способа синтеза получаются два проекта воздушного судна, имеющие идентичные крылья, хвостовое оперение и двигатели, но отличающиеся длиной фюзеляжа.
После этого осуществляют моделирование общей маршрутной сети. В рассматриваемом примере общая маршрутная сеть должна охватывать в общей сложности пять маршрутов полета:
Помимо этих двух проектов А и В воздушного судна в моделировании учитывалась также еще известная и доступная на рынке модель С воздушного судна. Модель С представляет собой воздушное судно для авиалиний малой протяженности, обладающее следующими характеристиками:
Теперь в процессе моделирования общей маршрутной сети вычисляется эффективность маршрута полета для каждого отдельного маршрута полета, при этом сначала в каждом случае вычисляется потенциальная эффективность на маршруте для каждого проекта воздушного судна, соответственно для каждой доступной модели воздушного судна, который(ая) в принципе можно использовать на маршруте полета. Так, на маршрутах 1, 2 и 4 полета в принципе пригодны для использования проекты А и В воздушного судна, в то время как на маршруте 3 полета можно использовать только проект В воздушного судна, поскольку проект А не обладает необходимой максимальной дальностью полета. На маршруте 5 полета могут использоваться как проекты А и В воздушного судна, так и уже доступная модель С воздушного судна.
При моделировании находят, с каким проектом воздушного судна, или моделью воздушного судна, на маршруте полета может быть получена наибольшая эффективность. С этой целью для каждого маршрута находят ожидаемые финансовые поступлениями и понесенные в будущем эксплуатационные расходы и подсчитывают баланс между ними (т.е. одни засчитываются в счет других). Затем из суммы отдельных значений эффективности маршрута полета получается эффективность X общей маршрутной сети.
При моделировании общей маршрутной сети на основании проектов А и В воздушного судна, а также доступной модели С воздушного судна может получиться, например, следующая разбивка:
Поскольку в этот момент времени нельзя констатировать, представляет ли собой эффективность X общей маршрутной сети оптимальную, снова осуществляют вышеописанные шаги способа, однако при этом изменяют техническое задание для проектов воздушного судна. Измененные требования для обоих проектов воздушного судна согласно техническому заданию выглядят следующим образом:
На основании измененного технического задания для проектов А' и В' воздушного судна сначала с помощью способа синтеза находят проекты воздушного судна, оптимизированные с точки зрения эксплуатационных расходов, которые затем вместе с уже известной моделью С воздушного судна подают на моделирование общей маршрутной сети.
При проведении моделирования общей маршрутной сети на основании проектов А' и В' воздушного судна, а также доступной модели С воздушного судна, может получиться, например, следующая разбивка:
Оказывающаяся при этом моделировании эффективность X' общей маршрутной сети превышает эффективность X общей маршрутной сети из предыдущего моделирования. Причина этого заключается в том факте, что теперь проект А' воздушного судна хорошо согласован с маршрутами 1 и 2 и, например, более не должен удовлетворять каким-либо особенным условиям взлета и посадки, в то время как проект В' воздушного судна согласован с условиями на маршрутах 3 и 4. Кроме того, для обслуживания маршрута малой протяженности под номером 5 продолжает сохранять хорошую пригодность уже доступная модель С воздушного судна (для авиалиний малой протяженности).
Названные шаги могут повторяться с такой частотой, пока не будет получена оптимальная эффективность общей маршрутной сети. В проиллюстрированном варианте осуществления следует исходить из того предположения, что проекты А' и В' воздушного судна представляют собой проекты, оптимальные в свете исследуемой общей маршрутной сети. Помимо информации об оптимальных проектах А' и В' воздушного судна предлагаемый в изобретении способ еще дополнительно предоставляет информацию о том, какой проект воздушного судна, соответственно, какую уже доступную модель воздушного судна на каких маршрутах полета следует использовать для получения оптимальной эффективности общей маршрутной сети.
Разумеется, возможны доработки и усовершенстования предлагаемого в изобретении способа, проиллюстрированного лишь одним примером. Так, например, в основу моделирования вместо суточного объема грузоперевозок можно положить сезонные тенденции объема пассажирских перевозок, при этом для обеспечения возможности лучшей оценки ожидаемой эффективности на маршруте полета предпочтительно произвести подразделение объема пассажирских перевозок на две группы: тех, кто пользуется обычным тарифом, и тех, кто выбирает специальный тариф. Также разумеется, что при моделировании можно учитывать большее количество маршрутов полета и/или проектов (моделей) воздушного судна. Также можно воспроизводить сложные взаимосвязи между отдельными маршрутами полета, например, в виде маршрутов полета с промежуточной остановкой. Также моделирование позволяет находить, какое количество единиц машин по проекту воздушного судна, соответственно модели воздушного судна, требуется для обслуживания исследуемой общей маршрутной сети.
Исследуемая общая маршрутная сеть может представлять собой реально существующую современную маршрутную сеть одной или более компаний-авиаперевозчиков. Вместе с тем, возможно, отталкиваясь от реально существующей общей маршрутной сети, спроектировать будущую общую маршрутную сеть, например, являющуюся прообразом общей маршрутной сети, ожидаемой лет через 10 или 20. Преимущество этого состоит в том, что найденный при помощи предлагаемого в изобретении способа по меньшей мере один проект воздушного судна адаптирован под требования, которые будут существовать на момент окончания срока его разработки.