СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДИНАМИКИ ИЗМЕНЕНИЯ КОЛИЧЕСТВЕННОГО И КАЧЕСТВЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПАРКА РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
METHOD FOR PREDICTING DYNAMICS OF CHANGING QUANTITATIVE AND QUALITATIVE STATE OF SPECIAL PURPOSE RADIO SYSTEM FLEET

Изобретение относится к области программно-целевого планирования и управления развитием сложных технико-экономических систем и может быть использовано при разработке и обосновании предложений в долгосрочные программы и планы развития парка радиотехнических систем специального назначения (РТС СН).
Изобретение позволяет с более высокой точностью определять прогнозируемые значения показателей динамики изменения количественного и качественного состояния парка РТС СН в течение определенного периода планирования при заданных ограничениях на управляющее воздействие с учетом стохастичности и взаимосвязанности многоэтапных процессов изменения технического состояния образцов РТС СН.
Техническим результатом изобретения является повышение точности определения прогнозных значений показателей динамики изменения количественного и качественного состояния парка РТС СН, и соответственно повышение эффективности программно-целевого планирования и управления развитием парка РТС СН в целом.
Из уровня техники известно множество способов прогнозирования состояния сложных технико-экономических систем, в том числе и специального назначения.
Известна система стратегического прогноза технического состояния объектов, преимущественно компьютерно-вычислительных систем [1]. В ее состав входят блок данных по контролируемому объекту; система коррекции по цели прогноза и цели обратной связи; система формирования свойств контролируемого объекта на основе новых признаков; блок оценки развития свойств объектов, который, в частности, может состоять из объединенных в один электронный блок системы оценки развития свойств контролируемого объекта и системы оценки развития свойств совокупности объектов, аналогичных контролируемому объекту; блок, моделирующий воздействующую на контролируемый объект среду и блок-модель актуализации свойств о контролируемом объекте.
Недостатком этого технического решения является относительно узкие функциональные возможности, поскольку она предназначена преимущественно для компьютерно-вычислительных систем и не позволяет осуществлять долгосрочный прогноз изменения состояния парка РТС СН, так как не учитываются особенности жизненного цикла РТС СН, при этом для достижения технического результата необходимо проведение сопоставления характеристик объекта с характеристиками объектов, аналогичных контролируемому объекту, в режиме реального времени, что практически невозможно при рассмотрении сложных технических систем, состоящих из множества элементов.
Известна компьютерная система стратегического прогноза изменения характеристик технических систем с использованием предварительных математических моделей, раскрытая в описании к заявке WO 2005109253 А1, опубликованной 17.11.2005, МПК (ред. IРС1-7) G06F 17/50. В ее состав входят контрольно-управляющий блок, а также подключенный к нему ряд средств ввода/вывода, таких как монитор, принтер, мышь, клавиатура и т.п. В состав контрольно-управляющего блока входят центральный процессор, микросхема памяти - блок данных по контролируемому объекту и схема интерфейса, сопрягающая упомянутые средства ввода/вывода с центральным процессом.
Недостатком описанной выше компьютерной системы прогноза изменения характеристик технических систем является необходимость привлечения квалифицированного оператора, который может программно формализовать сложные взаимосвязи между динамикой изменения совокупности свойств комплектующих контролируемой технической системы и измеряемыми на текущий момент параметрами данной технической системы. В связи с этим процесс стратегического прогноза при помощи данной системы требует значительных трудо- и времязатрат.
Известна программа прогнозирования технического состояния вооружения, военной и специальной техники [2], в которой производится расчет данных, позволяющих определить момент выхода значения параметров, характеризующих техническое состояние объекта ВВСТ за пределы области допустимых значений.
Расчет проводится при помощи девяти методов прогнозирования: нейросетевого метода; метода покоординатного спуска; метода градиентного спуска; метода Нелдера-Мида; методом Хука-Дживса; при помощи генетического алгоритма; методом Бройдена-Флетчера-Гольдфарба-Шанно; методом главных компонент; на основе надежной линейной модели (RLM). Полученные в результате вычислений данные позволяют определить момент выхода значения параметров, характеризующих техническое состояние объекта за пределы области допустимых значений.
Недостатком указанного технического решения является узкая область ее применения и недостаточные функциональные возможности для прогнозирования динамики изменения состояния множества образцов РТС СН, так как прогнозирование изменения состояния одного объекта осуществляется на основе аналитических методов, при этом не учитываются ограничения на управляющее воздействие.
Известен способ прогнозирования износостойкости твердосплавных режущих инструментов [3], предназначенный для повышения точности и снижение трудоемкости при прогнозировании износостойкости твердосплавных режущих инструментов. Сущность данного способа заключается в том, что осуществляют проведение испытания на изменение величины исходного параметра от свойств поверхностной и объемной структуры, сформированной в процессе изготовления твердосплавного режущего материала, проведение эталонных испытаний на износостойкость в процессе резания материалов, вызывающих интенсивный адгезионный износ при оптимальной или близкой к ней скорости резания, построение эталонной - корреляционной зависимости «износостойкость-исходный параметр», статистический контроль только величины исходного параметра у текущей партии твердосплавных режущих инструментов, прогнозирование износостойкости для текущей партии твердосплавных режущих инструментов на основании зависимости.
Известен способ эксплуатационного контроля технического состояния и прогнозирования ресурса подшипников электродвигателей [4], предназначенный для упрощения эксплуатационного контроля технического состояния и прогнозирования ресурса подшипников электродвигателей.
Известен способ прогнозирования и оценки безопасности достижимых состояний защищенных информационных систем [5], предназначенный для получения сведений о безопасности системы не только в ее текущем состоянии, но и прогнозировать дальнейшее выполнение требований безопасности, предъявляемых к системе, заранее получать и учитывать сведения о безопасности или небезопасности всех будущих состояний системы. В основе способа лежит анализ системного состояния, модели безопасности и условий безопасности. Получают полное множество состояний, достижимых из текущего состояния системы по правилам модели безопасности, и выделяют в нем подмножества безопасных и небезопасных состояний путем оценки выполнения в них заданных условий безопасности.
Известен способ прогнозирования состояния автомобильных дорог с асфальтобетонными покрытиями и назначения обоснованных сроков ремонтных работ [6], предназначенный для повышения эффективности прогнозирования состояния автомобильных дорог с асфальтобетонными покрытиями и назначение обоснованных сроков ремонтных работ.
Известен способ прогнозирования фазового состояния судна [7], предназначенный для повышения точности прогнозирования фазового состояния судна в заранее заданный момент времени. Способ основан на использовании фазовых координат судна: угловой скорости и угла дифферента и программных возмущающих и управляющих сил, действующих на судно. Их подают на вход электронной модели движения судна, работающей в ускоренном масштабе времени.
Вышеизложенные способы обладают низкой точностью и не находят широкого практического применения из-за относительно узкой области применения, которая обусловленная допущением о том, что многоэтапный процесс изменения технического состояния образцов РТС СН на эксплуатационном этапе жизненного цикла может быть описан системой аналитических уравнений, которые связывают выходной результат со входными данными, что не позволяет учитывать результаты принятия управленческих решений на промежуточных этапах многоэтапного процесса изменения технического состояния образцов РТС СН.
Известен способ прогнозной оценки эффективности многоэтапных процессов [8], технический результат, при реализации которого заключается в обеспечении автоматизированного расчета прогнозного значения показателя эффективности многоэтапных процессов.
В способе записывают в запоминающее устройство необходимые исходные данные, анализируют соответствие вариантов решений и ситуаций, определяют вероятность своевременного и правильного принятия решений, проводят классификацию вариантов исходного состояния, результатов реализации промежуточных этапов и результатов реализации конечного этапа многоэтапного процесса, задают априорную вероятность наступления ситуаций, соответствующих классам исходного состояния многоэтапного процесса, определяют вероятности наступления ситуаций, соответствующих классам промежуточных состояний многоэтапного процесса и классам конечного состояния многоэтапного процесса, а также для многоэтапного процесса рассчитывают априорную вероятность достижения целей, формируют прогнозные признаки классов исходного состояния, получают информацию о значениях прогнозных признаков классов состояния, рассчитывают апостериорную вероятность реализации исходного состояния и прогнозное значение показателя эффективности.
Недостатком указанного технического решения является узкая область ее применения и недостаточные функциональные возможности для прогнозирования динамики изменения состояния множества образцов РТС СН, так как расчет апостериорной вероятности реализации исходного состояния и прогнозного значения показателя эффективности осуществляется на основе математического аппарата теории вероятности.
Известен способ прогнозирования технического состояния образцов ВВСТ в войсках с учетом реализованных мероприятий Государственной программы вооружения (ГПВ) на предыдущих шагах, которая используется для обоснования опорных вариантов ГПВ в части серийных поставок, ремонта и модернизации ВВТ [9, 10]. Данный способ является наиболее близким аналогом заявленного изобретения и выбран в качестве прототипа.
Сущность способа заключается в том, что процесс изменения технического состояния ВВСТ моделируется на основе использования математического аппарата теории массового обслуживания. В рамках разработанной модели системы массового обслуживания получена система уравнений, описывающая средние численности образцов ВВСТ, находящихся в различных состояниях в процессе их эксплуатации в войсках. На основе полученной системы уравнений для заданного периода планирования определяются следующие параметры: динамика объемов закупки, ремонта и модернизации ВВТ; динамика численности ВВТ в составе группировки; динамика боевого потенциала группировки войск; динамика коэффициента исправности ВВТ; динамика коэффициента боеготовности ВВТ; динамика затрат на техническое обеспечение ВВТ группировки.
Основным недостатком способа, выбранного в качестве прототипа, является его низкая адекватность моделирования и точность прогнозирования, поскольку расчет прогнозируемых параметров базируется на использовании различных аналитических моделей математического аппарата теории массового обслуживания, которые не позволяют в полной мере учесть дискретность и стохастичность рассматриваемых динамических нестационарных процессов изменения технического состояния РТС СН. Кроме того, отсутствует учет различной приоритетность образцов при возникновении задачи принятия решения по распределению мероприятий управляющего воздействия в условиях ограниченности ресурсов.
В целом анализ известных способов прогнозирования динамики изменения количественного и качественного состояния парка РТС СН показал, что в известных способах не учтены обстоятельства, существенно влияющие на корректность и точность прогнозирования количественного и качественного состояния парка РТС СН в течение периода планирования:
1. Большое количество и дискретность переменных, характеризующих многоэтапный процесс изменения количественного и качественного состояния парка РТС СН.
2. Динамичность и неопределенность исходных данных по параметрам изменения системы ограничений на управляющее воздействие в течение периода прогнозирования.
3. Взаимозависимость и нестационарность многоэтапных стохастичных процессов изменения состояния образцов РТС СН в течение эксплуатационного периода жизненного цикла.
4. Различная приоритетность образцов РТС СН в условиях неопределенности ситуаций, возникающих при решении задачи распределения мероприятий управляющего воздействия при ограниченности ресурсов.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявляемого технического решения, отсутствуют. Ни один из самых близких аналогов и прототипов не обеспечивает точное прогнозирование показателей динамики изменения количественного и качественного состояния парка РТС СН, которые определяются индивидуальными особенностями процессов изменения технического состояния каждого образца парка РТС СН с учетом ресурсных и финансовых ограничений по управляющему воздействию на парк образцов РТС СН, а также зависимости вероятности наступления предельного состояния в процессе эксплуатации от срока службы образца, что соответствует критериям «новизны и полезности».
Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники показали, что отличительные признаки заявленного способа и его реализации не следуют явным образом из уровня техники представленных аналогов и прототипов. Из уровня техники также не выявлена известность существенных признаков, предусматриваемых в заявленном изобретении, и достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Целью изобретения является повышение точности определения прогнозных значений показателей динамики изменения количественного и качественного состояния парка РТС СН, и соответственно повышение эффективности программно-целевого планирования и управления развитием парка РТС СН в целом.
Для достижения цели предлагается способ, в котором вводят необходимые исходные данные, ранжируют множество образцов рассматриваемого парка РТС СН по приоритетности, формируют начальную структуру динамики изменения количественного и качественного состояния парка РТС СН в течение периода прогнозирования, определяют параметры сценария изменения ресурсных и финансовых ограничений на управляющее воздействие в течение периода прогнозирования, рассчитывается необходимое для обеспечения требуемой точности количество реализаций, в рамках каждой реализации производится агентное имитационное моделирование изменения технического состояния образцов рассматриваемого парка РТС СН, на основе полученных с помощью имитационного моделирования статистических данных рассчитывают прогнозные значения показателей динамики изменения количественного и качественного состояния парка РТС СН в течение периода прогнозирования.
При этом имитационное моделирование изменения технического состояния образцов РТС СН и операции расчета прогнозных значений показателей динамики изменения количественного и качественного состояния парка РТС СН производятся с использованием специализированного вычислительного устройства либо программного обеспечения персонального компьютера.
Реализация предлагаемого способа будет пояснена с помощью схемы, представленной на фиг. 1. На схеме изображен один из возможных вариантов системы, реализующий заявленный способ. В ее состав входят: блок исходных данных 1, включающий в себя тактико-технико-экономические характеристики образцов РТС СН 1.1, длительность периода прогнозирования 1.2, исходные данные по возможностям предприятий промышленности на начало периода прогнозирования 1.3, исходные данные по техническому состоянию образцов рассматриваемого парка РТС СН на начало периода прогнозирования 1.4, требуемая точность прогнозирования 1.5, исходные данные по финансовым огорчениям на начало периода прогнозирования 1.6; блок ранжирования множества образцов рассматриваемого парка РТС СН по приоритетности 2; блок формирования начальной структуры динамики изменения количественного и качественного состояния парка РТС СН в течение периода прогнозирования 3; блок формирования сценариев 4, включающий в себя блок формирования сценариев изменения возможностей предприятий промышленности в течение периода прогнозирования 4.1, блок формирования сценариев изменения финансовых ограничений в течение периода прогнозирования 4.2; блок расчета необходимого количества реализаций для обеспечения требуемой точности прогнозирования 5; блок агентного имитационного моделирования изменения технического состояния образцов РТС СН в течение периода прогнозирования 6; блок расчета прогнозных значений показателей динамики изменения количественного и качественного состояния парка РТС СН 7.
Сущность заявляемого способа заключается в следующем.
В современной научной литературе и учебных пособиях достаточно полно изложены системные проблемы создания сложных радиотехнических комплексов, теоретические основы анализа и синтеза оптимальных систем [11], а также отражен ряд важных научно-технических и прикладных вопросов технической эксплуатации современных и перспективных радиотехнических систем специального назначения (РТС СН) [12].
Множество образцов РТС СН, которые необходимы для обеспечения действий отдельного войскового формирования, называют парком РТС СН данного войскового формирования. Техническая оснащенность действий войск определяется состоянием парка РТС СН каждого отдельного войскового формирования. [12]
Для оценки состояния парка РТС СН принято использовать следующие характеристики [12]:
1. Обеспеченность РТС СН (количественная характеристика парка).
2. Техническая готовность (качественная характеристика парка).
3. Обеспеченность ВТИ (эксплуатационная характеристика парка).
4. Местоположение (пространственная или географическая характеристика парка).
Для оценки количественного и качественного состояния парка РТС СН в момент времени используются следующие показатели:
ОСН
i
ОБЩ
i
TP
i
i
показатель укомплектованности парка РТС СН (K(t)) - процентное соотношение общего числа образцов (N(t)) к требуемому числу образцов (N(t)) в рассматриваемый момент времени t.
О
i
COBР
i
i
показатель оснащенности парка РТС СН (K(t)) - процентное соотношение числа современных образцов (N(t)) к общему числу образцов в рассматриваемый момент времени t:
И
i
ИСПР
i
i
показатель исправности парка образцов РТС СН (K(t)) - процентное соотношение числа исправных образцов РТС (N(t)) к общему числу образцов в рассматриваемый момент времени t:
ИСПР
i
i
где N(t) - количество исправных образцов РТС СН в момент времени t.
В основе определения параметров динамики изменения количественного и качественного состояния парка РТС СН лежит расчет вышеуказанных показателей для каждого момента периода прогнозирования.
Расчет значений прогнозируемых показателей состояния парка РТС СН лежит использование результатов агентного имитационного моделирования динамики изменения состояния парка РТС СН, сущность которого заключается в получении выборок определенного объема данных из генеральной совокупности, на основе которых определяются числовые характеристики оцениваемых показателей. Каждый из рассчитываемых показателей носит вероятностный характер и рассчитывается как математическое ожидание случайной величины.
*
Несмещенная оценка математического ожидания  и дисперсии (D) оцениваемых показателей рассчитывается следующим образом:
р
p
где  - значение оцениваемого показателя в n-м опыте; N - общее количество реализаций опытов.
Необходимое количество реализаций для расчета математического ожидания с ошибкой, не превышающей ε, определяется из соотношения:
*
где D - дисперсия величины оцениваемого показателя.
Наличие стохастичности в рассматриваемом процессе обусловлено особенностями функционирования образцов РТС СН, сущность которых заключается в том, что наступление предельного состояния образца является случайным событием. Предельное состояние - это состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима либо нецелесообразна. Признаки или совокупность признаков предельного состояния устанавливаются нормативно-технической и конструкторской документацией. Момент наступления предельного состояния образца РТС СН является случайной величиной, которая зависит от многих факторов. Наступление предельного состояния обусловлено процессами деградации и старения техники, которые усиливаются либо уменьшаются в зависимости от природных и климатических условий эксплуатации, квалификации и подготовки эксплуатирующего личного состава, соблюдения требований по техническому обслуживанию и т.д.
Имитация наступления предельного состояния образца РТС СН осуществляется путем генерации последовательности случайных чисел по заданному закону распределения вероятности наступления предельного состояния того типа образов РТС СН. Законы распределения вероятности наступления предельного состояния для различных типов образов РТС определяются заранее на основании данных об эксплуатации рассматриваемых образцов. Методы генерации последовательности случайных чисел по заданному закону распределения случайных величин описаны в [11].
Осуществление способа происходит следующим образом.
В блоке 1 осуществляется ввод основных исходных данных: исходные данные по тактико-технико-экономическим характеристиками РТС СН; длительность периода прогнозирования; исходные данные по возможностям предприятий промышленности на начало периода прогнозирования; исходные данные по техническому состоянию образцов рассматриваемого парка РТС СН; требуемая точность прогнозирования; исходные данные по финансовым ограничениям на начало периода прогнозирования.
В блоке 2 проводится ранжирование множества образцов рассматриваемого парка РТС СН по приоритетности.
В блоке 3 производится формирование начальной структуры динамики изменения количественного и качественного состояния парка РТС СН в течение периода прогнозирования.
В блоке 4 производится формирование сценариев изменения ресурсных возможностей предприятий в течение периода прогнозирования (блок 4.1) и формирование сценариев изменения финансовых ограничений в течение периода прогнозирования (блок 4.2).
В блоке 5 производится расчет необходимого количества реализаций для обеспечения требуемой точности прогнозирования.
В блоке 6 реализуется агентное имитационное моделирование изменения технического состояния образцов РТС СН в течение периода прогнозирования.
В блоке 7 производится расчет прогнозных значений показателей динамики изменения количественного и качественного состояния парка РТС СН.
Поскольку за счет использования метода сценариев при определении параметров системы ограничений на управляющее воздействие на парк РТС СН в течение периода прогнозирования снижается неопределенность исходных данных, и за счет того, что применение агентного имитационного моделирования позволяет учесть наиболее важные факторы и особенности взаимозависимых многоэтапных стохастичных процессов изменения состояния образцов РТС СН адекватность моделирования процессов и, соответственно, точность прогнозирования будет выше, чем в случае реализованного в прототипе способа, в котором происходит использование аналитических моделей математического аппарата теории массового обслуживания.
Таким образом, за счет снижения динамичности и неопределенности исходных данных, а также за счет повышения адекватности моделирования взаимозависимых и нестационарных многоэтапных стохастичных процессов изменения состояния образцов РТС СН в течение эксплуатационного периода жизненного цикл повышается точность определения прогнозных значений показателей динамики изменения количественного и качественного состояния парка РТС СН, и соответственно повышение эффективности программно-целевого планирования и управления развитием парка РТС СН в целом.
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как основано на операциях, широко распространенных в автоматизированных вычислительных системах и системах управления, и может быть реализовано как в виде устройства со специализированными блоками, так и на основе персонального компьютера с соответствующим программным обеспечением для осуществления предусмотренных функций.
Источники информации
1. Патент RU 2326431 С2, МПК G06F 17/00 (2006.01), G06F 11/30 (2006.01), 2008.
2. Программа для ЭВМ №2015614167, 20.05.2015.
3. Патент RU 2617137 С1, МПК G01N 3/58 (2006.01), 2017.
4. Патент RU 2622493 С1, МПК G01M 13/00 (2006.01), 2016.
5. Патент RU 2394271 С1, МПК G06F 21/00 (2006.01), 2010.
6. Патент RU 2405882 С1, МПК Е01С 21/00 (2006.01), G01M 7/00 (2006.01), 2010.
7. Патент RU 2221726 С1, МПК В63В 39/14 (2000.01), В63Н 25/00 (2000.01), G05D 1/00 (2000.01), 2004.
8. Патент RU 2632124 С1, МПК G06F 17/00 (2006.01), 2017.
9. Буравлев А.И., Пьянков А.А. Модель технического обеспечения войск // электронный научный журнал «Вооружение и экономика», №1(10) 2010 г.
10. Буравлев А.И., Пьянков А.А. Модель управления техническим обеспечением войск // электронный научный журнал «Вооружение и экономика», №4(16), 2011 г.
11. Шайдуров Г.Я. Основы теории и проектирования радиотехнических систем: учеб. пособие / Г.Я. Шайдуров. - Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2010. - 283 с.
12. Основы технической эксплуатации радиотехнических систем специального назначения: учебник / В.Н. Ратушняк [и др.]; под ред. К.А. Малыкова. - Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2015.-334 с.
13. Дональд Кнут. Искусство программирования, том 2. Получисленные алгоритмы. - The Art of Computer Programming, vol.2. Seminumerical Algorithms. - 3-е изд. - M.: «Вильямс», 2007. - С. 11-165.