1 Технические требования технического задания на ... основные системы вытекают из решения задачи максимизации ее боевой эффективности,
реклама
1 1 Введение Технические требования технического задания на современную торпеду и ее основные системы вытекают из решения задачи максимизации ее боевой эффективности, базирующегося на статистическом моделировании реализаций наиболее вероятных сценариев, учитывающих комплексное применение подводных лодок, надводных кораблей, средств гидроакустического противодействия и пр., и с учетом сложной гидрологической обстановки. Поиск технических решений, удовлетворяющих разработанным таким образом техническим требованиям, всегда наталкивается на проблему физической реализуемости, ограничения которой диктуются базисом, применимым для разработки торпеды и ее систем. Под элементным базисом здесь и далее будем понимать совокупность всех материальных и информационных объектов (электронных, электромеханических и пр. компонентов и устройств, технической документации, программного обеспечения, алгоритмов, программ, теорий и технологий), имеющих вид продуктов, то есть находящихся в состоянии, когда их можно применить в разработке торпеды и ее систем. На практике ограничения, налагаемые элементным базисом, оказываются настолько жесткими, что они, в конечном счете, и определяют достижимые характеристики торпеды и ее систем: дальность и скорость хода (транспортные характеристики) торпеды, точность выполнения программы движения, дальность обнаружения и классификации целеподобных объектов, максимальное число анализируемых бортовой системой целеподобных объектов, и пр. Современный уровень и динамика развития элементного базиса (субмикронных, компьютерных и информационных технологий, функциональной сложности элементной базы и пр.) возводят современные бортовые системы управления (БСУ) в ранг сложных технических систем, для которых решение задачи рациональной их внутренней организации проблематично. Практика создания сложных систем показывает, что внутренняя организация системы всегда учитывает состояние элементного базиса и отслеживает его развитие. Однако теоретических методов, позволяющих однозначно приблизиться к оптимальному решению по внутренней организации сложной системы, в настоящее время не существует, поэтому эффект от применения того или иного способа внутренней организации сложной системы можно оценить лишь после ее реализации и анализа результатов ее эксплуатации. Между тем, для разных вариантов внутренней организации систем с учетом налагаемых на ее конструкцию габаритных ограничений в рамках одного и того же элементного базиса можно получить разный результат. Чем сложнее система, тем больше влияние ее внутренней организации на приближение к достижимым характеристикам, тем более, что внутренняя организация БСУ учитывает не только требования к функционированию БСУ, но и требования к ее технологичности экспериментальной отработки, к технологичности настройки при изготовлении, к обеспечению надежности в процессе эксплуатации. Характерная для современности взрывная динамика развития элементного базиса, и как следствие - постоянный рост сложности БСУ, делает проблему разработки подхода к определению рациональной внутренней организации БСУ особенно актуальной. Внутреннюю организацию системы удобно характеризовать посредством архитектуры системы. В отличие от структурной схемы, отражающей состав и связи между декомпозированными компонентами системы с учетом привязки к конструкции торпеды, архитектурная схема отражает принципы декомпозиции и формирования связей между декомпозированными компонентами системы. Поэтому, анализ динамики архитектуры позволяет выявить тенденции, проявляющиеся при декомпозиции сложной системы, и найти ориентиры, которыми следует руководствоваться при разработке структур современных БСУ. В данной главе решается задача определения рациональной архитектуры перспективной БСУ. При решении данной задачи применяется подход, основанный на 2 архитектурно-структурном анализе БСУ и ее надсистем в их развитии, который позволяет выявить характеристики, тенденции и особенности БСУ, как эволюционирующей системы, инвариантные к текущему состоянию базиса, и на основе полученных результатов – определить внутреннюю организацию перспективных БСУ. Выбор такого подхода, в частности, связан с тем, что в отличие от любых других автоматических систем развитие торпедных БСУ можно наблюдать на самом продолжительном временном интервале, составляющим более 140 лет, и на котором сменилось достаточно поколений БСУ, чтобы выявить закономерности их развития и составить прогноз. В работе весь наблюдаемый временной интервал развития БСУ разбивается на четыре этапа. На каждом этапе вводится новый класс БСУ, наименование которого соответствует наименованию этапов: - механических БСУ, - электронных аналоговых БСУ, - электронных цифровых БСУ, - интегрированных БСУ (БИСУ). Начало каждого этапа, следуемого за этапом механических БСУ, связывается с внедрением в БСУ новых технологий: - электронных, - информационных локальных, - информационных сетевых. Глава состоит из 4-х разделов, в каждой из которых осуществляется анализ одного из 4-х этапов развития БСУ. Структура первых 3-х разделов одинакова. В начале каждого раздела дается историческая справка, затем осуществляется структурный анализ, затем – архитектурный анализ и выводы. В 4-м разделе на основе проведенного анализа осуществляется разработка архитектуры перспективной БСУ и приводится пример ее реализации в структурной схеме БИСУ, прошедшей экспериментальную отработку в лабораторных условиях и морские испытания. В конце главы приводится заключение, в котором излагаются результаты анализа и разработки архитектурно-структурных решений перспективной БСУ – БИСУ. 2 Анализ развития БСУ на этапе механических БСУ (начало 1860-х - конец 1930-х годов) 2.1 Историческая справка Первая торпеда [Л2.1] была создана английским инженером Робертом Уайтхедом в 1866 году, дальность ее хода не превышала 200 метров, что было соизмеримо с размерами кораблей, поэтому острой необходимости в управлении ею не было. Все же вскоре для повышения эффективности торпеды был внедрен гидростатический аппарат, который обеспечивал автоматическое управление глубиной хода. С целью уменьшения амплитуды автоколебаний по глубине, достигавшей при этом 7-8 м, в 1868 году в контур управления глубиной хода торпеды был введен физический маятник, корректирующий угол дифферента. Гидростатический аппарат с физическим маятником получил название автомата глубины. К концу 19-го века дальность хода торпед возросла до 600-1000 м, увод торпеды по курсу стал приводить к большим промахам, поэтому возникла необходимость стабилизировать угол курса торпеды. В 1896 году был внедрен прибор курса на базе гироскопа с пружинным пуском, сконструированный бывшим лейтенантом австрийского флота Людвигом Обри. При хорошей регулировке прибор мог удерживать торпеду на заданном курсе с малыми отклонениями 3-4 минуты, что соответствовало дальности хода торпеды 2500-3500 м. Актуальной стала задача увеличения дальности хода торпед, к 1912 году она достигла 6000 м. Гироскоп был при этом усовершенствован. Высокая скорость вращения его ротора 3 (12-19 тыс. об/мин) стала поддерживаться путем подкрутки ротора сжатым воздухом. Дальнейшее улучшение качества стабилизации курса было связано со стабилизацией крена торпеды. Первоначально стабилизация угла крена осуществлялась смещением вниз относительно продольной оси центра масс торпеды, что позволяло обходиться без автоматического регулирования креном. Впоследствии для уменьшения крена, отрицательно влияющего на точность движения торпеды по курсу, был внедрен прибор креновыравнивания, созданный на основе гироскопа. Однако точностные характеристики БСУ и корабельной системы прицеливания (составляющие боевой эффективности торпедной атаки) на данном этапе не обеспечивали в полной мере реализации потенциала транспортных характеристик энергодвижительного комплекса (ЭДК). Для разрешения этой проблемы необходимо было внедрить в торпеду систему самонаведения, снижающую требования к точностям прицеливания и навигации, что и было предпринято на последующих этапах развития БСУ. Таким образом, механическая БСУ являлась “слабым звеном” в цепи основных торпедных систем, что делало процесс ее развития крайне актуальным. Одно из центральных мест в разработке торпедного оружия занимает проблема обеспечения высокого уровня надежности выстрела торпеды. Об этом свидетельствует тот факт, что за неимением в то время других способов (например, периодического и предстартового контроля торпеды) обеспечения надежности и обнаружения возможных дефектов, каждую торпеду пристреливали. Эта традиция для многих торпед сохранилась и на этапе электронных аналоговых БСУ. Впоследствии данная проблема решалась посредством строгого соблюдения технологических норм при изготовлении и обеспечения должной глубины контроля (контролепригодности) материальной части в процессе эксплуатации БСУ. На данном этапе даже предстартовый контроль торпеды не осуществлялся, предпусковой обмен данными с носителем был односторонним, ввод данных в торпеду производился перед пуском торпеды механическим путем, посредством шпиндельных механизмов. Показатели боевой эффективности торпеды оценивались по методикам артиллерийской стрельбы, необходимую статистику давала пристрелка каждой торпеды. Методы статистического моделирования за неимением соответствующего инструментария для оценки боевой эффективности не применялись. Технологический процесс разработки и оптимизации торпедой БСУ, как сложной системы, является итерационным и динамика его зависит от возможности реализации (в примененной в разработке технологии проектирования) обратных связей, осуществляемых через все виды экспериментальной отработки БСУ с целью экспериментальной проверки (подтверждения) правильности реализации технических решений. Экспериментальная отработка предполагает как постановку самого эксперимента, так и регистрацию результатов эксперимента, и сопоставление результатов эксперимента с желаемыми результатами. Анализ, проводимый с этих позиций, показывает, что при разработке механических БСУ действовала лишь глобальная обратная связь, замыкающаяся через морские испытания опытных образцов торпеды. Локальных обратных связей, – через моделирование в лаборатории работы законов управления в должном объеме, при котором воссоздаются условия применения торпеды и ее систем близкие к реальным, практически не воспроизводилось из-за проблем физической их реализуемости. Впоследствии, с появлением аналоговых вычислительных машин, локальные обратные связи в виде математического моделирования были внедрены в технологию разработки механических БСУ и стали основным инструментом оптимизации законов управления. Сложность анализа результатов морского эксперимента усугублялась отсутствием практической возможности визуального наблюдения под водой поведения торпеды. Так для визуального наблюдения за движением торпеды, идущей на малых глубинах, применялись надводная кинофотосъемка и сигнальные ракеты. Они выстреливались вверх 4 из специального торпедного отсека “обозначения”, устанавливаемого вместо боевого зарядного отделения (БЗО) на экспериментальных пусках. Для глубокоходных торпед этот подход оказывается бесперспективным. Более эффективный подход к решению этой проблемы, реализуемый благодаря возможности спасения материальной части торпеды после проведения экспериментального пуска, состоит в осуществлении бортовой регистрации параметров функционирования торпеды и ее систем с последующей (послепусковой) обработкой зарегистрированных параметров. В механических БСУ бортовая регистрация параметров движения торпеды производилась автономным механическим регистратором с небольшим числом каналов (скорости, глубины, угловых положений встроенного в регистратор маятника). Соответствие реализованных в механических БСУ законов управления желаемым проверялось путем визуального анализа результатов регистрации лишь качественно из-за малой информативности и невысокой точности измерений. 2.2 Структурный анализ механических БСУ Функциональность и особенности функционирования БСУ диктуются внешними по отношению к ней системами (ее надсистемами), в частности надсистемой “корабльторпеда-цель”, которая формируется (рисунок 2.1) в момент принятия атакующим кораблем решения о торпедной атаке корабля-цели. Предпусковое маневрирование атакующего корабля, например, корабля стороны А, заканчивается прицеливанием, вводом пусковых данных и пуском торпеды с дальности до корабля-цели (до корабля стороны В), близкой к эффективной (эффективная дальность – дальность, при стрельбе которой с большой вероятностью обеспечивается поражение корабля-цели, в данном случае - прямое попадание в него, т.е. когда обеспечивается заданный уровень боевой эффективности стрельбы). Канал визуального наблюдения за целью Корабль стороны А Корабль стороны В Торпеда БСУ Рисунок 2.1 Структурная схема надсистем механической БСУ “корабль-торпеда-цель” После пуска торпеда теряет связь с атакующим кораблем и движется в автономном режиме по заранее рассчитанной траектории. Если эффективная дальность стрельбы у атакующего корабля больше, чем у корабля-цели (благодаря тому, что в боезапасе атакующего корабля имеются более совершенные, чем у противоборствующей стороны, торпеды), то атакующий корабль при ответной торпедной атаке с высокой вероятностью может выйти из боевого столкновения невредимым. Это обстоятельство вынуждает противоборствующие стороны совершенствовать свои торпеды, прежде всего, в части увеличения эффективной дальности стрельбы. Увеличение эффективной дальности стрельбы одной из сторон приводит к уменьшению уровня боевой эффективности противоборствующей стороны. Т.е. для поддержания требуемого уровня боевой эффективности применения торпед каждой из сторон необходимо (рисунок 2.2) постоянно повышать эффективную дальность торпед, отслеживая достижения противоборствующей стороны. Ресурсы для совершенствования торпед черпаются из базиса, который является, как правило, общим для противоборствующих сторон. В этом состоит механизм эволюции торпед и других систем, применяемых кораблями в процессе торпедной атаки, а модель 5 системы, отображенной на структурной схеме (рисунок 2.2), можно интерпретировать как надсистему торпеды, при рассмотрении ее с позиций эволюции. dа=Dв-Dа Торпеда стороны А (как объект эволюции) Эффективная дальность Dа стрельбы торпед стороны А стороной А (Dа) Базис Эффективная дальность Dв стрельбы торпед стороны В (Dв) Торпеда стороны В (как объект эволюции) dв=Dа-Dв Рисунок 2.2 Структурная схема системы эволюции торпед Таким образом, целью 1 функционирования торпеды, диктуемой ее надсистемой “корабль-торпеда-цель”, является дистанционное поражение корабля противоборствующей стороны по целеуказанию атакующего корабля, а целью 2, диктуемой надсистемой эволюции (как к объекту эволюции), - обеспечения больших уровней эффективной дальности и скорости ее роста в процессе эволюции, чем у противоборствующей стороны. Реализация цели 1 предполагает решение следующих задач (реализацию следующих подцелей): - обеспечения торпеды должным подрывным потенциалом при столкновении ее с целью, - движение торпеды к цели в автономном режиме под действием своего ЭДК, - управления движением торпеды по заданной атакующим кораблем траектории. Реализация цели 2 предполагает решение задач: - внедрения технических решений, обеспечивающих эффективную дальность хода торпеды большую, чем у противоборствующей стороны, - внедрения в торпеде архитектурных решений (декомпозиции и организации декомпозированных компонентов) и применения технологий, позволяющих оперативно реагировать на достижения базиса в части увеличения эффективной дальности хода торпеды. Цель 1 и вытекающие из нее задачи обусловливают основную составляющую функциональности (совокупности системных свойств) торпеды: доставка по заданной траектории боевого заряда к кораблю-цели и подрыв его при столкновении с ним. Данная составляющая функциональности торпеды порождается в результате синтеза функциональностей БЗО, ЭДК и БСУ, обеспечивающих подрыв, ход и управление движением торпеды по заданной траектории соответственно. Как показывает исторический анализ, дальность хода торпеды, обеспечиваемая ЭДК, практически всегда превышала эффективную дальность, которая ограничивалась 6 точностью прицеливания и точностью обеспечения БСУ заданной траектории. Т.е. транспортные характеристики ЭДК и проблематика БЗО практически никогда не были “узким местом” в решении задачи максимизации эффективной дальности. Приоритет задачи максимизации эффективной дальности торпеды обусловливает основной критерий функционирования механической БСУ: минимизация промаха при заданной дальности хода торпеды. В рамках располагаемой функциональности и в обеспечении цели 1 механическая БСУ реализовывала следующую схему действия (последовательно решала следующие задачи): - вывод торпеды по заданной траектории (рассчитанной на атакующем корабле и безопасной для него) на линию стрельбы и на заданную (боевую) глубину, - стабилизация движения торпеды в заданном направлении и на заданной глубине. Динамика системы эволюции торпед обусловила процесс совершенствования функциональности БСУ за счет последовательного введения в нее функций управления глубиной, дифферентом, курсом и креном (рисунок 2.3), т.е. к последовательному увеличению объема контроля над элементами траектории торпеды. Монотонновозрастающий характер графика функциональности от времени объясняется необходимостью поддержания значения промаха на должном уровне при увеличении дальности хода торпед. Функциональность: управление движением торпеды Функция управления по Функция управления по (на базе гироскопа с подкруткой ротора сжатым воздухом) ) Функция управления по (на базе гироскопа с пружинным пуском) Функция управления по)H с коррекцией по Функция управления по Неуправляемая торпеда t, годы H 1870 1896 1912 1930 Рисунок 2.3 Изменение функциональности механических БСУ во времени Функции управления были реализованы в автомате глубины, приборах курса и креновыравнивания, а также - в модуле привода рулей (рисунок 2.4). На рисунке не входящие в состав БСУ объект управления и связи, показаны пунктирной линией. 7 Нуст Автомат глубины пр Прибор курса Прибор креновыравнивания Модуль привода рулей Объект управления (торпеда) Регистратор и другие приборы отсека обозначения Рисунок 2.4 Структурная схема механической БСУ Отметим, что из-за технологических ограничений, существовавших на этапе механических БСУ, стратегия совершенствования функциональности БСУ (совершенствование управляемого движения торпеды за счет последовательного увеличения объема контроля над элементами траектории торпеды) не была реализована в полной мере. Очередной качественный скачок в реализации этой стратегии можно получить лишь с внедрением новых технологий. Как следует из структурной схемы (рисунок 2.4), механическая БСУ помимо устройств, обеспечивающих реализацию функциональности, диктуемой атакующим кораблем в фазе пребывания его в рамках надсистемы “корабль-торпеда-цель”, содержит устройства: регистратор и приборы обозначения (например, ракеты, входящие в состав отсека обозначения), не участвующие непосредственно в формировании данной функциональности и реализующие вспомогательные (технологические) функции. А это означает, что функциональность БСУ диктуется не только надсистемой “корабль-торпедацель”, но и другими надсистемами, формируемыми, в частности, в процессе разработки и всего жизненного цикла БСУ. В данном случае - надсистемами, формируемыми на этапах экспериментальной отработки БСУ и ее подсистем с целью диагностики и устранения ошибок, допущенных в процессе разработки. Укрупненная структурная схема системы разработки, эксплуатации и совершенствования торпед и ее подсистем (далее система РЭСТ) приведена на рисунке 2.5. Данная структурная схема позволяет представить процесс разработки – экспериментальной отработки - эксплуатации торпед и ее подсистем в связи с процессами, протекающими в надсистемах функционирования и эволюции торпеды. 8 Проект Структуры выпуска КД на торпеду и ее системы Структуры проектирован ия торпеды и ее систем ТЗ Результаты испытаний Структуры подготовки и проведения испытаний Опытные образцы КД, ТД, ЭД Серийный завод Опытное производство Имитация системы “корабль-торпеда-цель” Структуры заказчика (НИИ, заказывающие и эксплуатирующие организации) Серийные образцы Система “корабльторпеда-цель” Рисунок 2.5 Структурная схема системы разработки, эксплуатации и совершенствования торпеды и ее подсистем В разработке торпеды и ее подсистем можно выделить два основных этапа: проектирование и конструирование. На этапе проектирования разрабатываются и определяются все технические решения, и оформляются в виде проекта (эскизного, либо технического), а на этапе конструирования – проект воплощается в конструкторскую документацию (КД), технологическую документацию (ТД) и эксплуатационную документацию (ЭД). Выходным продуктом разработки являются документация (КД, ТД и ЭД), прошедшая корректировку и аттестацию по результатам испытаний опытных образцов. Итерационный процесс разработки завершается, когда выполнены и подтверждены результатами испытаний требования технического задания (ТЗ) на разработку торпеды. Структуры заказчика, эксплуатируя торпеды и анализируя на практике их боевую эффективность, выдвигают новые технические требования, воплощаемые в технических заданиях на разработку новых, либо модернизацию существующих торпед. Заметим, что система РЭСТ гармонично связана с системами “корабль-торпедацель” и эволюции торпеды. Так система “корабль-торпеда-цель” применяется на этапе эксплуатации (эксплуатирующими организациями - флотом), и воссоздается (имитируется) в структурах подготовки и проведения испытаний при проверке выполнения требований ТЗ. Система эволюции диктует требования к качеству процессов и динамике системы РЭСТ. 2.3 Архитектурный анализ механических БСУ С целью выявления закономерностей структурного построения БСУ и принципов ее декомпозиции рассмотрим архитектуру БСУ, для чего учитывая структурное построения ее подсистем, сгруппируем компоненты подсистем в осях, инвариантных к классам БСУ (рисунок 2.6). 9 Подсистема управления торпеды в вертикальной плоскости (канал глубины) Механическая Автомат глубины Гидростатич еский аппарат Физический маятник ЧЭ аппарата Гравитационное поле Подсистема управления курсом и креном торпеды (каналы курса и крена) Модуль привода рулей Блок горизонталь ных рулей Блок вертикальн ых рулей Поле скоростей и давлений Прибор креновыравн ивания Прибор курса ЧЭ прибора ЧЭ прибора Ф и з и ч е с к и е Инерциальное поле п о л я Тип Подсистема ввода устройс ходовых данных тв Решающие устройства на механической основе П о д с и с т е м ы Устройство ввода ходовых данных Датчики и ИМ Физиче ская основа устройс тв Информационное поле Рисунок 2.6 Архитектурная схема механических БСУ На рисунке: ЧЭ – чувствительный элемент, ИМ – исполнительные механизмы. На рисунке вертикальные поля объединяют компоненты в подсистемы, горизонтальные поля (слои) – в типы устройств: датчики и исполнительные механизмы (ИМ), решающие устройства. Среда (снизу-вверх) делится на внешнюю, в которой функционирует БСУ и внутреннюю, физическую среду самой БСУ. Внешняя среда характеризуется физическими полями. Внутренняя среда механических БСУ включает в себя лишь механические компоненты. В нижнем слое расположены компоненты БСУ, непосредственно связанные с внешней средой коммуникативными связями. Это - датчики (чувствительные элементы), исполнительные механизмы и устройства информационной связи с внешней по отношению к БСУ аппаратурой. В верхнем, соседнем слое расположены решающие устройства. Заметим, что такое построение позволяет наглядно представить внутреннюю организацию БСУ и ее компонент в связи с их функциональностью, их физической природой, их связью с внешней средой (физическими полями), их местом в формировании системных свойств. В механических БСУ подсистемы управления глубиной, курсом и креном торпеды конструктивно воплощены в соответствующие автономные функциональные блоки: автомат глубины, приборы курса и креновыравнивания, модуль привода рулей является общим для всех названных подсистем. Если модуль привода рулей, объединяющий блоки горизонтальных и вертикальных рулей, условно отнести к объекту управления, то примененный здесь принцип декомпозиции БСУ можно отнести к функциональноконструктивному, поскольку функции каждой из подсистем реализуются в специально отведенных под них конструктивных блоках. Применение функциональноконструктивного принципа базируется на совпадении функционального и конструктивного разбиения системы. Неоспоримым преимуществом применения в данном случае функциональноконструктивного принципа декомпозиции является то, что выходные характеристики декомпозированных подсистем являются в то же время тактико-техническими характеристиками БСУ, определяющими эффективность применения торпеды. Это позволило добиться хорошего качества декомпозиции БСУ как сложной системы методом декомпозиции–субоптимизации [Л2.2], важнейшей характеристикой которого является степень минимизации взаимного влияния подсистем друг на друга. В случае пренебрежения этой характеристикой ошибки, проявившиеся в одних подсистемах, на этапе агрегирования неизбежно приведут к необходимости переделки других подсистем, что может сделать процесс разработки сложной системы итерационным и неоправданно затратным. К тому же, функционально-конструктивный принцип декомпозиции позволяет сформировать инфраструктуру разработки БСУ, в которой легко осуществить четкое распределение ответственностей разработчиков за конкретные тактико-технические 10 характеристики БСУ. Это гарантирует высокий уровень ответственности разработчика в интересах получения позитивного результата. В итоге, для механических БСУ взаимное влияние подсистем сказывается лишь при их взаимной компоновке, это физически неизбежно в силу габаритных ограничений на общий отведенный под подсистемы объем, но оно разрешается уже на ранних этапах проектирования (на этапе компоновки) подсистем БСУ. Общим (это также неустранимое физическое ограничение, проявляющееся в задаче минимизации взаимного влияния подсистем БСУ) для подсистем является модуль привода рулей, который разрабатывается с учетом требований всех подсистем БСУ. 2.4 Выводы 1 Основной характеристикой торпеды, определяющей ее боевую эффективность, является эффективная дальность стрельбы. 2 В цепи основных торпедных систем ЭДК, БЗО и БСУ слабым звеном с позиций увеличения эффективной дальности стрельбы является БСУ. 3 Надсистема “корабль-торпеда-цель” определяет основную составляющую функциональности БСУ – управление движением торпеды по заданной траектории. 4 Надсистема РЭСТ определяет вспомогательную составляющую функциональности БСУ – независимые от аппаратуры управления бортовые измерения и регистрация параметров движения торпеды, а также – обеспечение обозначения траектории торпеды для внешнетраекторных измерений. Эта составляющая функциональности БСУ работает на организацию глобальной обратной связи в системе РЭСТ, реализуемой посредством морских испытаний и анализа их результатов. 5 Система эволюции торпед обусловливает высокую динамичность развития надсистемы РЭСТ. Учитывая, что технические решения, формирующие функциональность БСУ, черпаются противоборствующими сторонами из единого базиса, боевая эффективность оказывается выше у той стороны, у которой более совершенная и динамичная система РЭСТ и у которой динамичность развития архитектуры БСУ выше. 6 Динамичность развития архитектуры механических БСУ обеспечивалась применением функционально-конструктивного принципа декомпозиции, позволившего (по мере развития базиса) наращивать функциональность БСУ за счет последовательного внедрения подсистем, расширяющих номенклатуру применяемых в БСУ физических полей. 3 Анализ эволюции БСУ на этапе электронных аналоговых БСУ (конец 1930-х - середина 1970-х годов) 3.1 Историческая справка С внедрением электронных аналоговых технологий применяемый ранее механический элементный базис в значительной степени был вытеснен и дополнен электронным, благодаря чему возрос информационный потенциал и расширилась функциональность БСУ. В частности, аналоговая электроника позволила реализовать бортовую обработку измерений акустического поля в окрестности торпеды и внедрить бортовую систему самонаведения (ССН). ССН существенно повысила вероятность попадания дальноходной торпеды в цель, что особенно важно для боевой ситуации, когда целью является подводная лодка в подводном положении с неизвестной глубиной хода. В этом случае задача поражения цели существенно сложнее, чем поражение надводного корабля, поскольку традиционное для того времени наведение торпеды по надводному кораблю в плоскости дополнилось 11 наведением торпеды по подводной лодке в пространстве, т.е. из двухмерной задача самонаведения превратилась в трехмерную. Наибольшее применение на практике получили акустические активные и пассивные системы самонаведения, а также системы самонаведения по кильватерному следу надводного корабля. Несмотря на обширные теоретические и экспериментальные исследования, проводимые в области изучения физических полей, инициируемых надводными и подводными кораблями, до настоящего времени лишь акустическое поле и кильватерный след кораблей остаются единственно пригодными для самонаведения на них торпед. Даже сегодня перспективы применения в ССН неакустических физических полей остаются весьма призрачными. Работы над акустическими ССН начались в 1936-38-х годах. Первая торпеда с пассивной гидроакустической ССН (Германская торпеда Т-5 [Л3.1]) была применена в 1943 году. Во второй половине 40-х годов была разработана отечественная самонаводящаяся торпеда САЭТ-50. В конце и сразу после войны - американские торпеды МК27 мод.4 и МК32 мод.2 [Л3.2]. С этого времени практически все торпеды выпускаются с акустическими пассивными, активными или активно-пассивными системами самонаведения. В ходе второй мировой войны Германия применила торпеду "Лерхе", корректируемую с помощью системы телеуправления (СТУ). По многожильному кабелю длиной до 6000 метров информация с акустической головки самонаведения торпеды передавалась к наушникам оператора, который, находясь на подводной лодке, подавал торпеде по кабелю управляющие сигналы, обеспечивая совмещение оси (максимума диаграммы направленности акустической антенны) торпеды с целью. В более поздних СТУ положение корабля-цели относительно торпеды измерялось и анализировались на атакующем корабле. Корректировка курса и глубины хода торпеды осуществлялись по командам, передаваемым с атакующего корабля по проводной линии связи. При захвате цели СТУ атакующего корабля передавало управление торпедой ССН. Дальность захвата цели ССН торпеды при этом составляла 600 – 1200 метров. Функциональность электронных аналоговых относительно механических БСУ расширилась также в части неконтактного подрыва, способствующего повышению эффективности торпеды, благодаря расширению допусков на промах относительно варианта прямого попадания торпеды в цель. В конце 50-х годов автомат глубины, приборы курса и креновыравнивания объединились в единую систему управления движением торпеды. В основу этой системы был положен блок управления, в состав которого были включены гироскопические приборы, датчики давления, электронная аналоговая аппаратура, реализующая более совершенные, чем в механических БСУ, законы управления. Заметим, что с внедрением ССН не только расширилась функциональность БСУ, позитивно влияющая на эффективность торпеды, но и возник неиссякаемый комплекс проблем, связанный с тем, что контур самонаведения торпеды, замыкающийся на акустический канал большой протяженности, сильно подвержен воздействию естественных и искусственных помех. Адекватной реакцией противоборствующей стороны на это обстоятельство явилось внедрение средств акустического противодействия, решающих задачу подавления помехами полезного сигнала, либо его искажение. Таким образом, если стимулом к развитию механических БСУ было приведение в соответствие точностных характеристик БСУ транспортным характеристикам ЭДК торпеды, являющихся характеристиками внутриторпедных систем, то, начиная с этапа электронных аналоговых БСУ, стимул развития БСУ сместился в область информационного противостояния торпед и внешних по отношению к ним средств акустического противодействия противоборствующей стороны. Проблема обеспечения высокого уровня надежности результата торпедного выстрела на данном этапе развития обостряется, так как совершенствование 12 функциональности БСУ сопровождается увеличением ее сложности, что снижает надежность выстрела. Обеспечение надежности выстрела торпед путем их пристрелки становится неоправданно затратным. Менее затратным и более результативным оказывается подход, основанный на применении методов обеспечения надежности выстрела, связанных с контролем материальной части торпеды. Он основан на применении электрических коммуникаций, позволяющих сформировать компактные энерго-экономичные информационные каналы и осуществить посредством них и внешней контрольной, а также контрольно-пусковой аппаратуры дистанционный контроль бортовой электронной составляющей БСУ (вытеснившей значительную долю механической составляющей и несущей основную нагрузку по усложнению БСУ). Аппаратура контроля совместно со встроенной в бортовое решающее устройство схемой контроля дают возможность осуществлять периодические регламентные проверки и предстартовый контроль торпед, а также отбраковку из них негодных до осуществления выстрела. Однако, встроенная в БСУ схема контроля, во первых, отвлекает на себя бортовые ресурсы, которые при ограничениях на габариты решающего устройства уменьшает долю бортовых ресурсов, на основе которых реализуется основная составляющая функциональности БСУ. Во вторых, – порождает проблему, связанную с тем, что с увеличением глубины контроля торпеды надежность выстрела растет, но сложность и габариты схемы контроля при этом увеличиваются, что в свою очередь, снижает надежность. Очевидно, что существует компромисс между сложностью электронной аналоговой БСУ, определяемой ее функциональностью, и глубинной ее контроля, которые ограничиваются заданным уровнем надежности выстрела. Т.е. принятая стратегия обеспечения надежности выстрела в электронных аналоговых БСУ обусловливает одно из ограничений (помимо габаритных и энергетических ограничений) их функциональности. Отказ от практики пристрелки каждой торпеды привел также к пересмотру методов оценки их боевой эффективности. В интересах задачи расчета показателей эффективности ставится задачи статистического моделирования процессов управлениясамонаведения торпеды на типовом множестве сценариев. Качество модели для решения данной задачи является значимым, а задача создания модели, адекватной реальным процессам - актуальной. Стремление к улучшению качества процессов управлениясамонаведения торпеды, связанное с синтезом более совершенных законов управлениясамонаведения, результаты которого зависят от степени достоверности математической модели объекта управления, также актуализирует проблему адекватности. Ею руководствуются при определении объема измеряемых в морских испытаниях параметров и при постановке самого морского эксперимента. Регистрация бортовых измерений осуществляется посредством многоканальных магнитных регистраторов, емкости накопителей экспериментальных данных которых существенно выше, чем в их аналогах, применяемых на этапе механических БСУ. По результатам морских испытаний осуществляется обработка измерений и сопоставление процессов, полученных экспериментальным и расчетным путем. Близость этих процессов характеризует адекватность применяемых в расчетах математических моделей. Основным инструментарием для проведения моделирования на данном этапе становятся аналоговые вычислительные машины (АВМ). Отметим, что в основу моделирования на АВМ положен принцип создания электронного аналога исследуемой системы и изучения протекающих в нем процессов, которые аналогичны реальным. Суть принципа заключается в том, что сначала процессы, протекающие в реальной системе, формализуются в виде математического описания (создается их информационный аналог), затем, средствами АВМ подбирается электронный аналог, соответствующий этому математическому описанию (информационному аналогу). Электронная среда АВМ при этом используется для анализа свойств исследуемой системы путем воспроизведения различных вариантов протекающих 13 в ней процессов, отличающихся начальными условиями, моделями возмущений, сценариями, и пр. Поскольку электрическим процессам, протекающим в АВМ, соответствуют с точностью до масштабирования процессы, протекающие в реальной системе, выводы, полученные в результате изучения свойств системы-аналога, распространяются на выводы о свойствах исходной системы. Процедуры моделирования на АВМ были доведены до детально формализованных приемов и методик, поэтому с внедрением АВМ в практику проектирования БСУ решение задач синтеза законов управления-самонаведения торпедой стали доступными на инженерном уровне. Благодаря доступности и широкому распространению методов моделирования функционирования систем в их электронных аналогах посредством АВМ появилась возможность задолго до наступления этапа морских испытаний (на ранних и промежуточных этапах проектирования) проверять правильность заложенных в БСУ технических решений, когда цена ошибок еще невелика. В результате исключается ситуация, которая приводит к необходимости кардинальной переделки БСУ и торпеды в случае, когда проверка технических решений осуществляется лишь на этапе морских испытаний. Перед морскими испытаниями при этом ставится задача получения только той информации, которая не может быть получена в лаборатории. Применение методов моделирования для экспериментальной отработки БСУ и ее подсистем можно рассматривать как введение в технологию разработки БСУ локальных обратных связей по качеству принятых технических решений, позволяющих гибко реагировать на возможные неточности и ошибки, когда цена ошибок невелика и затраты на их устранение – незначимы. При этом создаются предпосылки для быстрой сходимости процесса экспериментальной отработки БСУ. На данном этапе развития во всех вновь создаваемых торпедах разных стран на смену механических приходят аналоговые электронные БСУ. К середине 70-х годов создаются торпеды с самыми совершенными аналоговыми бортовыми системами. Это американские торпеды МК46 мод.1,2, МК48 мод.1-3, германская торпеда DM2A1 (SUT), итальянская A-244/S. В конце 70-х годов появляется торпеда МК46 мод.5, использующая цифровую обработку акустической информации. Но это уже следующий этап развития торпед. 3.2 Структурный анализ электронных аналоговых БСУ Внедрение в БСУ торпеды акустической ССН в корне изменило распределение функций надсистемы БСУ “корабль-торпеда-цель” (рисунк 3.1) между подчиненными ей системами. Атакующий корабль Акустический канал “атакующий корабль-цель” Канал ТУ Торпеда Акустический канал “торпеда-цель” Корабльцель БСУ Рисунок 3.1 Структурная схема надсистемы электронной аналоговой БСУ “корабль-торпеда-цель” Новой функцией, “делегируемой” надсистемой торпеде, стала функция автоматической коррекции траектории по бортовым акустическим измерениям, поступающим через акустический канал “торпеда-цель”. Данная функция реализуется в ССН, которая обеспечивает обратные связи по положению цели на всем интервале ее акустической наблюдаемости, что существенно снижает требования к точности прицеливания торпеды, обеспечивающей корабельными системами, и благодаря чему 14 эффективность задачи поражения атакующим кораблем цели возрастает. Росту эффективности способствует также канал ТУ. В случае большой степени неопределенности положения цели, вся область возможного ее положения делится на “полосы ответственности” и производится групповой торпедный залп (рисунок 3.2). При этом каждой торпеде в группе отводится своя “полоса Акустический канал “атакующий корабль-цель” Атакующий корабль Канал ТУ1 Торпеда 1 Акустический канал “торпеда1-цель” БСУ Канал ТУ2 Область возможного положения корабляцели Торпеда 2 БСУ Акустический канал “торпеда2-цель” Рисунок 3.2 Структурная схема надсистемы электронной аналоговой БСУ “корабль-группа торпед-цель” при групповом торпедном залпе ответственности”, в рамках которой реализуется автономная работа надсистем “корабльторпеда-цель”, т.е. надсистема “корабль-группа торпед-цель” в момент начала торпедной атаки декомпозируется на независимые надсистемы “корабль-торпеда-цель”. Отсюда вытекают дополнительные требования к торпедной БСУ - она должна обеспечить независимость работы “партнеров” по группе, т.е. – не должна создавать помех в работе ССН “партнеров”, что на практике достигается разнесением рабочих частот акустических каналов ССН “партнеров”. Подверженность акустического канала помехам дала возможность противоборствующей стороне уменьшать эффективную дальность торпеды атакующего корабля путем создания искусственных помех средствами ГПД (рисунок 3.3). Это изменило характер Атакующий корабль Акустический канал “атакующий корабль-цель” Канал ТУ Торпеда Акустический канал “торпеда-цель” Корабльцель БСУ Средство ГПД Рисунок 3.3 Структурная схема надсистемы электронной аналоговой БСУ “корабль-торпеда-цель” в условиях применения кораблем-цели средств ГПД надсистемы эволюции торпедной БСУ (рисунок 3.4). С появлением у противоборствующей стороны дополнительного рычага влияния на боевую эффективность атакующей ее торпеды, потери в эффективной дальности dп атакующей торпеды теперь стали зависеть не только от способности ее ССН (от собственных характеристик) подавлять “абстрактные” помехи, но и от эффективности применяемых противоборствующей стороной средств ГПД (от “несимметричного противодействия” торпедной атаке противоборствующей стороной). Это делает БСУ еще более “слабым 15 звеном” в цепи формирующих основные составляющие функциональности торпеды систем БЗО, ЭДК, БСУ. Стремление реализации полного потенциала эффективной дальности, возросшего с внедрением ССН и реализуемого лишь частично из-за применения противоборствующей стороной средств ГПД, обусловливает на данном этапе развитию БСУ более динамичный характер, чем на ранних этапах ее развития. dв = Dвп – Dап Dап = Dа – dпв Торпеда стороны А (как объект эволюции) Dа dпв Средства ГПД стороны А (как объект эволюции) Базис dпа Средства ГПД стороны В (как объект эволюции) dа = Dап – Dвп Dв Торпеда стороны В (как объект эволюции) Dвп = Dв – dпа Рисунок 3.4 Структурная схема эволюции торпед На рисунке: Dа - эффективная дальность стрельбы торпеды стороны А при отсутствии средств ГПД, Dв - эффективная дальность стрельбы торпеды стороны В при отсутствии средств ГПД, dпа – потери эффективной дальности торпеды стороны В из-за влияния средств ГПД стороны А, dпв – потери эффективной дальности торпеды стороны А из-за влияния средств ГПД стороны В, Dап = Dа – dпв - эффективная дальность стрельбы торпеды стороны А в присутствии средств ГПД стороны В, Dвп = Dв – dпа - эффективная дальность стрельбы торпеды стороны В в присутствии средств ГПД стороны А, dа – преимущество в эффективной дальности стороны А перед стороной В, dв - преимущество в эффективной дальности стороны В перед стороной А. Качественный скачок в развитии базиса и надсистемы ”корабль-торпеда-цель” привел к качественному изменению функциональности БСУ, которую можно сформулировать следующим образом: самонаведение по данным ССН на корабль-цель в условиях помех, создаваемых его средствами ГПД, по априорной информации о возможном положении корабля-цели, формируемой атакующим кораблем и уточняемой по каналу ТУ. Относительно механической БСУ, в которой синтезирующие ее функциональность функции управления использовали обратные связи по положению торпеды, функциональность электронной аналоговой БСУ расширяется функциями самонаведения, использующими обратные связи по положению цели. В рамках обновленной функциональности электронная аналоговая БСУ реализует следующую схему действия: 1) вывод торпеды по заданной траектории (рассчитанной на атакующем корабле и безопасной для него) в область возможного положения цели ССН, 2) поиск цели, 3) обнаружение цели, 4) самонаведения на нее торпеды, 16 5) в случае прямого попадания торпеды в цель, либо небольших промахов осуществление подрыва боевого заряда, 6) в случае промахов, при которых подрыв боевого заряда не в состоянии нанести ощутимого ущерба цели – осуществление повторного поиска цели. В задачах 1…4 и 6 управление торпедой может корректироваться по каналу телеуправления. Структурная схема, реализующая функциональность электронной аналоговой БСУ и обеспечивающая решение перечисленных задач представлена на рисунке 3.5. БСУ ССН БАС ТУ Система неконтактного подрыва АЛ ССН СУДТ Пусковое задание Подсистема управления программным движением торпеды Система регистрации Подсистема стабилизации углового положения торпеды Цель Кинематич еское звено Торпеда Блок автоматики Рисунок 3.5 Структурная схема электронный аналоговой БСУ Основные подсистемы электронной аналоговой БСУ: - система управления движением торпеды (СУДТ), реализующая функцию вывода торпеды по заданной перед пуском торпеды траектории в область возможных для обнаружения ССН цели (решение задачи 1), после чего она передает управление системе самонаведения (ССН), - ССН, реализующая функции поиска и обнаружения цели, самонаведения на нее торпеды, в случае промаха – осуществления функции повторного поиска цели (решение задач 2, 3, 4 и 6), а также включения системы неконтактного подрыва в окрестности цели, - система неконтактного подрыва, реализующая функцию подрыва боевого заряда в случае небольших промахов (решение задачи 5), - система регистрации, осуществляющая бортовые измерения и запоминающая их, для последующей их обработки и анализа (как правило, посредством магнитных регистраторов), - блок автоматики, реализует циклограмму функционирования торпеды (участвует в решении всех задач 1…6). 17 Как видно из структурной схемы декомпозиция БСУ осуществлялась по функционально-конструктивному принципу, в соответствии с которым для реализации каждой функции, либо группы функций, в БСУ на конструктивном уровне отводится свой блок, либо устройство. Выбор данного принципа декомпозиции обусловлен, во первых, методической преемственностью проектирования (напомним, что для механических БСУ также был применен функционально-конструктивный принцип декомпозиции), во вторых, функциональной преемственностью, когда функциональное расширение достигается за счет введения новых блоков, а применяемые ранее - заимствуются, либо модернизируются. Так, например, ССН вначале этапа электронных аналоговых БСУ вводилась путем надстройки над существующими к тому времени системами и приборами. Сравнительный анализ электронных аналоговых и механических БСУ позволил выявить следующие тенденции в динамике эволюции структуры БСУ: - внедрение новых подсистем, которые расширили функциональность БСУ, - интеграция подсистем БСУ и улучшение качества их функционирования, - зарождение новых функций, имеющих самостоятельную направленность, но не нашедших воплощения в самостоятельных подсистемах БСУ, поэтому распределенных по существующим подсистемам (как правило, реализация этих функций предполагает комплексирование информационных потоков нескольких подсистем БСУ). Внедрение новых подсистем, расширяющих функциональность БСУ, обязано внедрению обновленного элементного базиса как в части измерительных бортовых приборов (гидрофонов, гироскопов с электронной коррекцией и электронным съемом сигналов, и пр.), так и в части аппаратуры обработки измерений и решающих устройств. Интеграция подсистем. Автомат глубины, приборы курса и креновыравнивания, а также модуль рулевого привода из отдельных подсистем механической БСУ, трансформируясь, конструктивно объединились (интегрировались) в единую СУДТ. Этому объединению способствовали два обстоятельства. Первое, технологический прогресс в части механики позволил конструктивно объединить датчики углового положения объекта в единый гироскопический прибор. Второе, внедрение электронных технологий позволило резко увеличить информационный потенциал БСУ за счет большей информационной плотности электронной среды, чем механической. Как следствие, СУДТ была реализована на основе единого электронного аналогового решающего устройства, в котором не только были объединены три канала управления, но и внедрены более совершенные алгоритмы. Например, электронным образом были реализованы разного рода корректирующие цепочки и обратные связи по производным углов положения объекта управления, что резко повысило качество переходных процессов управлением его угловым движением. Зарождение новых функций. В интересах дальнейшего анализа динамики функциональности БСУ и ее подсистем декомпозируем ССН, отразив в ней две самостоятельные компоненты: бортовую акустическую систему (БАС) и, так называемый, автомат логический ССН (АЛ ССН). С внедрением БАС, решающей задачу обнаружения и распознавания цели средствами акустики (которой посвящено специальное акустическое направление теоретических и экспериментальных исследований, и по этой причине, подробно здесь не рассматривается), остро проявилась не связанная непосредственно с акустикой проблема управления торпедой и ее подсистемами в проблемных ситуациях, например, когда торпеда при включении БАС “не увидела”, либо в процессе самонаведения “потеряла” цель. Данную проблему и призван решать АЛ ССН, схема которого на рассматриваемом этапе развития БСУ была реализована на основе электромагнитных реле. Технология решения этой проблемы никак не сопряжена с существующими в то время и широко применяемыми на практике технологиями создания акустических и других автономных подсистем БСУ. В частности, если технические характеристики БАС можно 18 непосредственно измерить, либо оценить по измерениям, то технические характеристики ССН, определяемые логическим алгоритмом, реализуемом в АЛ ССН, измерить нельзя, более того, в их формировании всегда содержится компонента субъективного характера, связанная со стратегией поведения противоборствующей стороны. Например, такие технические характеристики БАС как максимальную дальность обнаружения цели в благоприятных гидрологических условиях, точности определения дальности, пеленгов, доплеровской скорости, можно измерить, либо оценить по лабораторным, бортовым и внешне-траекторным измерениям, полученных на морских испытаниях. Основной же характеристикой ССН является вероятность доставки боевого заряда в заданную окрестность цели, которая во многом зависит от стратегии противоборствующей стороны, и которую нельзя измерить, либо оценить по измерениям. Она оценивается по результатам математического статистического моделирования, в котором учитывается предполагаемая стратегия противоборствующей стороны. Причины, по которым на рассматриваемом этапе развития бортовых торпедных систем проблематика логического алгоритма работы АЛ ССН не сформировалась в отдельное направление исследований и не была выделена в самостоятельную систему, следующие. Первая - проблематика логического алгоритма проявилась в связи с внедрением бортовых акустических измерителей, поэтому она была отнесена к проблематике ССН. Вторая – относительная простота реализации логического алгоритма на этапе электронных аналоговых БСУ, так как дальность обнаружения цели для электронных аналоговых ССН составляла всего 600 – 1200 метров и в боевом сценарии участвовал всего один целеподобный объект. Целеподобным объектом считалась акустическая неоднородность с “правдоподобными” эквивалентным радиусом, протяженностью и доплеровской скоростью. Предполагалось, что встретить приборы искусственных помех с такими свойствами было маловероятным, и, если при включении ССН, либо при первом сканировании области возможного положения цели диаграммой направленности ССН цель не обнаруживалась, вероятность дальнейшего обнаружения цели падала, практически до нуля, и ее поиск терял смысл. Таким образом, задача эффективного применения торпеды в части ССН на данном этапе развития БСУ в основном возлагалась на систему прицеливания стреляющего корабля. Перед торпедой ставилась, прежде всего, задача коррекции по акустическим данным траектории, относительно заданного направления, что существенно упрощало задачи, стоящие перед АЛ ССН. В критических ситуациях часть функций АЛ ССН брала на себя СТУ, которая корректировала в процессе движения торпеды введенную в нее предпусковую информацию о направлении на цель и переадресовывала функции принятия решения в проблемных ситуациях оператору, превращая автоматическую БСУ торпеды в автоматизированную систему “корабль-торпедная БСУ”. АЛ ССН явился прообразом системы управления торпедой в проблемных ситуациях (СУТПС), реализованной на этапе БИСУ. СУТПС отличает своя специфика, связанная с комплексированием информационных потоков, циркулирующих в разных подсистемах БСУ, и принятием решений на основе этого комплексирования, а также с координацией работы подсистем. На структурной схеме (рисунок 3.5) последнее обстоятельство отражено замыканием на АЛ ССН потоков всех подсистем БСУ. С увеличением числа подсистем в электронной аналоговой БСУ возникают задачи передачи управления от одной подсистемы к другой. Функционально эти задачи примыкают к задачам СУТПС, но на данном этапе развития БСУ (в силу их относительной простоты) они распределялись между блоком автоматики и существующими подсистемами БСУ. В результате, подсистемы электронной аналоговой БСУ при выполнении заданных условий в заданной последовательности, определяемой циклограммой работы БСУ, передают управление одна другой. С позиций качества декомпозиции такое решение не является позитивным, поскольку рассредоточение функций СУТПС между подсистемами БСУ приводит к увеличению числа и сложности 19 связей между подсистемами, что противоречат условиям применения метода декомпозиции-субоптимизации, заключающимся в обеспечении независимости между собой декомпозированных компонентов. Из этого вытекает, что при дальнейшем усложнении структуры БСУ и связей между ее подсистемами выделение СУТПС в качестве самостоятельной системы БСУ и разработка технологии ее проектирования является актуальной задачей. Система РЭСТ, определяющая вспомогательные составляющие функциональности БСУ, с развитием базиса изменилась (рисунок 3.6). Качественное ее изменение произошло в связи с введением в процесс проектирования локальной обратной связи по качеству разрабатываемых алгоритмов функционирования БСУ, реализуемой посредством моделирования с применением АВМ. Проект ТЗ Структуры проектирования торпеды и ее систем Имитация системы “корабль-торпеда-цель” Результаты испытаний Структуры подготовки и проведения испытаний Структуры разработки КД на торпеду и ее системы Опытные образцы КД, ТД, ЭД Серийный завод Опытное производство Имитация системы “корабль-торпеда-цель” Структуры заказчика (НИИ, заказывающие и эксплуатирующие организации) Серийные образцы Система “корабльторпеда-цель” Рисунок 3.6 Структурная схема системы разработки, эксплуатации и совершенствования торпеды и ее подсистем (системы РЭСТ) Ранее (рисунок 2.5) ответ на вопрос о качестве внедряемых алгоритмов функционирования торпеды можно было получить, лишь пройдя весь цикл проектирования, конструирования, изготовления и морских испытаний опытного образца. Заметим, что затраты на внедрение данной локальной обратной связи представляют собой “накладные расходы”, которые, например, на этапе механических БСУ экономически не были оправданы. Однако, начиная с этапа электронных аналоговых БСУ затраты на организацию процесса моделирования оказались существенно меньше, чем организация морского эксперимента с опытным образцом торпеды. Это стало реальным благодаря использованию для создания моделей стандартных общедоступных вычислительных средств массового применения– АВМ. Проанализируем процесс разработки и экспериментальной отработки алгоритмов функционирования БСУ, выделив его из РЭСТ и представив более детально (рисунок 3.7). Звенья П3…П7 реализуют локальную обратную связь по качеству разрабатываемых алгоритмов средствами моделирования. Идея моделирования здесь заключается в имитации малозатратными способами функционирования алгоритмов в рамках системы “корабль-торпеда-цель”. При идеальном качестве имитации можно уже на этапе проектирования завершить разработку алгоритмов (обеспечить полную независимость 20 декомпозируемых этапов создания образца) и сделать процесс создания БСУ, завершающийся выпуском КД, не итерационным, а одношаговым. В реальности, при неидеальном качестве имитации функционирования алгоритмов, сходимость итерационного процесса создания БСУ зависит от качества имитации. В частности, при превышении сложности алгоритмов некоторого (высокого) уровня и при недостаточно удовлетворительном качестве имитации процесс их создания может оказаться плохо сходящимся, когда БСУ морально устаревает ранее завершения ее экспериментальной отработки. Структуры разработки КД на БСУ и ее подсистем Структуры проектирования БСУ и ее подсистем П1 ТЗ Сопоставление требований ТЗ и результатов имитационного моделирования, выдача рекомендаций Разработка (доработка) алгоритмов функционирования БСУ Разработка (доработка) мат. описания среды функционирования алгоритмов функционирования БСУ П2 Проектирование аппаратуры БСУ К1 П8 Сопоставлени е планируемых и полученных в результате ЛСИ проектных параметров П3 П4 П7 Анализ результатов моделирования и приведение их к виду сопоставимому с требованиями ТЗ П6 Имитация электронными средствами функционирова ния алгоритмов в рамках системы “корабльторпеда-цель” Разработка (доработка) электронного аналога алгоритмов функционировани я БСУ К2 Разработка (доработка) КД на БСУ КД К3 Разработка (доработка) КД на нестандартное оборудование для проведения ЛСИ и морских испытаний Структуры изготовления опытного образца БСУ и нестандартного оборудования П5 И1 Разработка (доработка) электронного аналога среды функционирования алгоритмов (средствами АВМ и нестандартными электронными средствами) Изготовление (доработка) опытных образцов БСУ И2 Структуры подготовки и проведения испытаний Э2 Анализ результатов ЛСИ и экспериментальных данных морских испытаний. Уточнение мат. моделей по экспериментальным данным Э1 ЛСИ и морские испытания, имитирующие функционирование системы “корабльторпеда-цель ” Изготовление (доработка) нестандартного оборудования для проведения ЛСИ и морских испытаний Рисунок 3.7 Процесс разработки и экспериментальной отработки алгоритмов функционирования БСУ На этапе электронных аналоговых БСУ среда имитации создавалась преимущественно на основе аналоговой электроники. Алгоритмам и среде их функционирования подбирался такой электронный аналог (звено П6), чтобы его математическое описание было адекватно протекающим в реальности процессам. Отметим, что в идеале адекватности соответствует тождественность, но в реальности, поскольку тождественность обеспечить невозможно, выдвигается требование адекватности, т.е. приближенного сходства модели и реальности с той степенью достоверности, которая требуется для получения желаемого результата. Таким образом, проблемная составляющая обеспечения качества имитации связана с созданием модели функционирования алгоритмов в рамках системы “корабль-торпеда-цель”, адекватной протекающим в реальности процессам. Такая модель является продуктом теоретических и экспериментальных исследований. На этапе проектирования модель функционирования алгоритмов БСУ (звенья П3, П5) создается на основе теоретических представлений и экспериментальных данных, полученных в рамках ранее проводимых разработок и специальных экспериментальных исследований (в гидродинамических трубах и 21 гидроакустических бассейнах, на морских испытаниях с макетами и со специальной аппаратурой, и пр.). Однако, наиболее достоверные экспериментальные данные для уточнения модели и подтверждения ее адекватности можно получить лишь на этапе проведения ЛСИ и морских испытаний опытного образца БСУ в составе торпеды, поставив эксперимент, наиболее приближенный к реальному функционированию системы “корабль-торпеда-цель”. Поэтому, с позиций обеспечения адекватности модели функционирования алгоритмов БСУ реальным процессам звенья П3 и П5 являются наиболее проблемными, и вывод об их качестве можно сделать лишь изготовив опытный образец и проведя с ним морские испытания. На практике, в результате анализа экспериментальных данных (звено Э2) математические модели уточняются, что влечет за собой уточнение алгоритмов функционирования БСУ, и как следствие – приводит к изменению конструкции БСУ и проведению соответствующего цикла работ (очередной итерации), заканчивающимися морскими испытаниями. Если принять, что объем конструктивных доработок связан с недостоверностью модели функционирования БСУ прямой зависимостью, то и динамика системы РЭСТ напрямую связана с достоверностью этой модели, т.е. - качеством звеньев П3 и П5. Улучшить динамику системы РЭСТ в случае не очень высокого качества достоверности модели можно, придав аппаратуре БСУ свойство “гибкости”, т.е. возможности с малыми затратами проводить ее модификацию в заранее предусмотренных объемах. Эти объемы зависят от прогнозируемой степени неопределенности модели, которая имеется на момент разработки КД. Таким образом, при экономической целесообразности введение в системе РЭСТ локальной обратной связи по качеству разрабатываемых алгоритмов функционирования БСУ предполагает: - наличие близких к достоверным моделей функционирования алгоритмов, а также инструментария для их уточнения и подтверждения их адекватности, - придание аппаратуре БСУ свойства “гибкости” в объеме, достаточном для уточнения алгоритмов, вызванного устранением неопределенности модели в рамках экспериментальных работ по имитации системы “корабль-торпеда-цель” в морских условиях. 3.3 Архитектурный анализ электронных аналоговых БСУ Проведем архитектурный анализ электронной аналоговой БСУ, для чего ее структурную схему представим в виде архитектурной схемы (рисунок 3.8), предварительно раскрыв подсистемы БСУ, показав основные их компоненты: датчики, исполнительные механизмы, устройства согласования и решающие устройства. 22 Физическ ая основа устройст в П о д с и с т е м ы Подсистема управления движением торпеды (СУДТ) Подсистем а ввода ходовых данных Система ТУ ССН ПЛ и НК Электриче ские проводник и Аналого вая электроника и ЭМ устройст ва Аналогов ая электрони ка Электроме ханически е, пъезоэлект рические и пр. устройства Подсистема неконтактного датчика цели (ДЦ) Подсистема подрыва БЗО Подсистема бортовой автоматики Бортовая система измерений (БСИ) Тип устройств Кабельная сеть Аналоговые решающие устройства ССН ПЛ и НК-каналов Аналоговое решающее устройство СУДТ УС Блок гироскопиче ских приборов Инерциальное и гравитационн ое поля УС УС УС Датчики давления Ph и Pq Рули и рулевые машинки Рв, Рн, Рпр, Рл УВВ пусковы х данных Поле скоростей и давлений УС УВВ данных ТУ Информационное поле УС Акустиче ские антенны ПЛ и НК Аналоговое решающее устройство неконтактного ДЦ УС Антенны акустиче ского ДЦ Акустическое поле Ф и з и ч е с к и е УС Антенны электром агнитног о (магнитн ого) ДЦ Решающие устройства УС ПИМ и система датчиков ПИМ Электромагни Номенклатура тное полей из (магнитное) названных поле ранее п о л я УС Датчики и исполнител ьные реле системы автоматики УС УС Устройства согласован ия Датчики и Датчики системы регистра ции Лентопр отяжный механиз м исполните льные механизм ы Номенклатура Номенклатура Внешние полей из полей из поля не названных названных используютс ранее ранее я Рисунок 3.8 Архитектурная схема электронной аналоговой БСУ На рисунке: Ph – давление на глубине хода торпеды, Pq – давление скоростного напора, Рв, Рн, Рпр, Рл – верхний, нижний, правый и левый рули соответственно, УВВ – устройства ввода-вывода, ЭМ электромагнитные, ССН – система самонаведения, ТУ – телеуправление, ПЛ – подводная лодка, НК – надводный корабль, ДЦ – датчик цели, ПИМ – предохранительно-исполнительный механизм, УС – устройство согласования, БЗО – боевое зарядное отделение. На схеме вертикальные поля объединяют компоненты в подсистемы, горизонтальные поля (слои) – в устройства преобразования полей и сигналов, принадлежащие разным типам: - преобразователи внешних по отношению к БСУ физических полей в электрические сигналы и обратно (тип устройств - датчики и исполнительные механизмы), - устройства согласования - преобразующие ненормированные электрически сигналы в нормированные (воспринимаемые решающим устройством), и наоборот преобразующие нормированные сигналы, вырабатываемые решающим устройством в команды, воспринимаемые исполнительными устройствами, - преобразователи нормированных сигналов в соответствии с заданными алгоритмами (тип - решающие устройства). По вертикали слева отражена физическая основа представленных компонент, по горизонтали снизу – физические поля. Из сравнения архитектурных схем механической и электронной аналоговой БСУ следует, что на данном этапе в развитии БСУ произошли качественные изменения. Архитектура электронной аналоговой БСУ “расширилась” за счет введения новых подсистем ССН и неконтактного ДЦ, работа которых основана на применении новых физических полей - акустического и электромагнитного (магнитного) соответственно, а также “возросла” (число слоев увеличилось с 2-х до 4-х) за счет внедрения устройств аналоговой электроники, разработанных на новой технологической основе и межсистемных электрических связей. Отметим, что межсистемные связи между подсистемами осуществляются лишь на уровне решающих устройств, за исключением случаев, когда в подсистемах решающие устройства отсутствуют. Аналоговая электроника, информационная плотность которой существенно выше информационной плотности механической среды, естественным образом сосредоточила в себе реализацию основного объема бортовых алгоритмов, оставив остальным компонентам функции преобразования физических полей в электрические сигналы и обратно. Однако, эффективное ее применение, предполагающее унифицированный и 23 надежный подход к созданию решающих устройств, потребовало выделения части затрат ее электронных ресурсов на устройства согласования. Учитывая, что мы анализируем архитектуру систем, отшлифованных жестким фильтром эволюции, можно утверждать, что эти “накладные расходы” оказались крайне выгодными. Альтернативное решение заключалось в создании под каждый конкретный случай своего оригинального решающего устройства, поглощающего устройства согласования. Известно, что часто такое решение с точки зрения затрат только на электронные ресурсы оказывается выгоднее, но, по совокупности затрат, в которой учитываются затраты на обеспечение надежности, независимости от уникальности разработчика, придания свойства “гибкости” и пр., фильтр эволюции выбрал схему с устройствами согласования. Объяснение этому следующее. Введение устройств согласования позволяет декомпозировать основные технологии создания БСУ на независимые друг от друга технологии создания преобразователей физических полей в электрические сигналы и обратно и технологии создания решающих устройств. Подходы к созданию решающих устройств, при этом, за исключением частных случаев, не зависят от подсистем, ради которых они создаются и физических полей, используемых подсистемами. А обеспечение независимости технологий при технологической декомпозиции процесса создания БСУ работает на улучшение динамики системы РЭСТ, на что и “настраивается” фильтр эволюции. Здесь и далее вспомогательные слои, аналогичные слою устройств согласования, будем называть декомпозирующими слоями, а соответствующие (входящие в них) компоненты – декомпозирующими компонентами. С внедрением в БСУ решающих устройств развитие архитектуры БСУ определяется развитием архитектуры применяемых в них решающих устройств и связей между ними. Проанализируем архитектуру электронных аналоговых решающих устройств. Технология разработки электронных аналоговых решающих устройств базируется на теории АВМ [Л3.12]. Основная концепция этой теории состоит в создании электронного аналога исследуемого процесса на базе ограниченной номенклатуры универсальных электронных компонентов. Наиболее сложным и широко применяемым в АВМ базовым универсальным компонентом является операционный усилитель. На его основе создаются операционные звенья, реализующие простейшие операторы, затем на их основе – вычислительные схемы, реализующие сложные вычислительные процессы. Операционные звенья при этом образуются подключением к операционному усилителю цепочек прямых и обратных связей, состоящих из малого конечного набора простейших пассивных радиоэлементов. Вычислительные схемы формируются посредством соединения между собой операционных звеньев. Технология воспроизведения операционных звеньев и вычислительных схем детально разработаны и формализованы до тривиальных операций. Своей широчайшей популярности и выживанию в процессе эволюции АВМ на рассматриваемом этапе развития БСУ обязаны двум обстоятельствам. Первое, удачной декомпозиции аналогового решающего устройства, представляющего собой сложную техническую систему, позволившей номенклатуру сложных компонентов, применяемых при воспроизведении вычислительной схемы АВМ, свести всего к одному универсальному – операционному усилителю, все остальные декомпозированные компоненты вычислительной схемы - простейшим. Это обусловило бурное развитие электронных технологий создания базисных элементов решающих устройств. В частности, операционные усилители стали самыми популярными компонентами (сначала в виде моноблоков, микросборок, затем микросхем), производимыми электронной промышленностью, а электронная составляющая технологии разработки аналоговых решающих устройств на практике свелась лишь к корректному их применению. Второе обстоятельство - технология воспроизведения на базе операционных усилителей операционных звеньев и вычислительных схем (а значит и создания решающего 24 устройства в целом) свелась к реализации заданного алгоритма путем формирования системы связей (структурирования) из стандартных элементов небольшой номенклатуры. Т.е. технология создания аналогового решающего устройства декомпозировалась на технологии структурирования и на чисто электронные технологии, имеющие свою специфическую направленность, развивающиеся на обширном пространстве электронных применений, выходящих далеко за рамки рассматриваемой здесь проблематики, и поэтому оформившиеся в самостоятельное направление техники. Благодаря этому с разработчика аналогового решающего устройства был снят груз по созданию специфических электронных приложений. В конечном счете, технология создания аналогового решающего устройства перестала быть уникальной, что имело место на начальном этапе ее становления, и стала доступной на инженерном (массовом) уровне. Универсальность базового элемента придает потенциал универсальности всему решающему устройству (рисунок 3.9), который, однако, ослабевает по мере реализации каждого уровня многоуровневой системы связей, воплощающей информационную составляющую, продиктованную заданным алгоритмом. Остаточный после реализации всей системы связей потенциал универсальности трансформируется в свойство гибкости решающего устройства, позволяющее осуществлять настройку в процессе его экспериментальной отработки и эксплуатации. Свойство гибкости аналогового решающего устройства в составе БСУ достигается благодаря избыточности универсальных элементов и конструктивными решениями, ориентированными на обеспечение технологичности доступа к ним и связям между ними, которые могут быть подвергнуты изменению при агрегировании и экспериментальной отработке системы. Таким образом, универсальность выступает как необходимое условие обеспечения гибкости решающего устройства, и соответственно - гибкости подсистем БСУ и БСУ в целом. Технические решения, обеспечивающие свойство гибкости, можно отнести к средствам обеспечения принципа “принципа независимости” декомпозированных компонентов сложной технической системы, поскольку ошибки, неизбежно допускаемые при декомпозиции сложной технической системы, в пределах, определяемых степенью ее гибкости, могут быть устранены на этапе ее экспериментальной отработки без значимых (для всего процесса разработки БСУ) временных и материальных затрат. Уровень устройств (универсальность практически отсутствует) Решающее устройство Уровень сборок (низкая степень универсальности) Уровень функциональных групп (средняя степень универсальности) Уровень элементов подуровень специализированных элементов подуровень унифицированных элементов (высокая степень универсальности) Релейный автомат Операционная схема Операционное звено Пассивные цепи Операционный усилитель Операционное звено ... ... ... Пассивные цепи Операционный усилитель Программоформирующие цепи Электромеханический элемент ... ... Рисунок 3.9 Архитектурная схема, отражающая изменение потенциала универсальности электронного аналогового решающего устройства Программоформирующие цепи Электромеханический элемент 25 Объекты, приведенные на схеме (рисунок 3.9), объединены в группы (элементы, функциональные группы, сборки, устройства) и размещены по возрастанию сложности снизу-вверх. На нижнем уровне иерархии отражено все множество несвязанных между собой вычислительных элементов решающего устройства, несущее его вычислительный потенциал. Реализация конкретного алгоритма заключается в коммутации посредством электрических соединений элементов между собой. Каждому из потенциально реализуемых алгоритмов соответствует своя система электрических связей. Число и номенклатура вычислительных элементов и допустимых электрических связей между ними (число степеней свободы несвязанных между собой элементов) определяют информационный потенциал решающего устройства и множество потенциально реализуемых в нем алгоритмов. Заметим, что для увеличения информационного потенциала решающего устройства необходимо увеличивать число вычислительных элементов, а, следовательно, его габариты. Процесс разработки системы связей, соответствующей заданному алгоритму сложен сам по себе, поэтому он выполняется поэтапно (вся система связей декомпозируется на подсистемы связей). На схеме отражено три уровня объединения объектов. На уровне функциональных групп образуются объекты - операционные звенья, реализующие простые вычислительные функции (алгебраическое суммирование, интегрирование, фильтрацию, и пр. функции), выполняемые в реальном масштабе времени. Число и номенклатура операционных звеньев и допустимых электрических связей между ними (число степеней свободы на уровне операционных звеньев) меньше, чем на уровне несвязанных между собой элементов. На уровне сборок образуются два объекта. Один – операционная схема, реализующая все вычислительные функции решающего устройства. Второй - релейный автомат, реализующий ветвления (условные переходы) по анализируемым в нем событиям и временным интервалам. Число и номенклатура объектов и допустимых электрических связей между ними еще уменьшается. Объединением этих двух объектов является само решающее устройство (уровень устройств), система связей которого однозначно определена (за исключением связей, определяемых степенью гибкости решающего устройства). Таким образом, максимальная степень универсальности, характеризуемая числом потенциально реализуемых алгоритмов, проявляется на нижнем уровне иерархии (на множестве не связанных между собой вычислительных элементов). Число возможных систем связей при этом максимально, потенциально реализуемое алгоритмическое разнообразие существенно превышает необходимое. На каждом из этапов реализации конкретной системы связей (образования новых объектов путем объединения объектов нижних уровней иерархии) степень универсальности понижается. На уровне устройств она практически отсутствует. Электронное аналоговое решающее устройство, обладая большой информационной плотностью, сосредотачивает в себе подавляющую часть всей информационной составляющей подсистемы, и может обслуживать несколько функций БСУ, например, функции каналов глубины, дифферента, курса и крена, как в подсистеме управления угловым положением торпеды. В этом случае осуществляется интеграция каналов на конструктивном уровне. Конструктивная интеграция способствует алгоритмической интеграции. В рассматриваемом примере, в частности, алгоритмически интегрированы каналы дифферента и глубины, а также каналы курса и крена. В этой части подсистема БСУ управления угловым движением торпеды является интегрированной. Заметим, что информационный потенциал и система связей должны обеспечивать помимо боевых алгоритмов, все технологические алгоритмы, поддерживающие функционирование БСУ на всех этапах ее отработки, контроля и эксплуатации. Поскольку увеличение информационного потенциала влечет за собой пропорциональное увеличение габаритов электронного аналогового решающего устройства, сложность технологических алгоритмов резко ограничивается, что отрицательно сказывается, в частности, на глубине 26 контроля БСУ, и, в конечном счете, на надежности выстрела торпеда. Очевидно, существует компромисс между сложностью функциональных и технологических алгоритмов, который должен учитывать помимо габаритных ограничений, налагаемых на решающее устройство, ограничения информационного потенциала функциональных алгоритмов. 3.4 Выводы 1 Основной характеристикой торпеды, определяющей ее боевую эффективность, как и для механических БСУ, является эффективная дальность стрельбы. 2 Слабым звеном в цепи основных торпедных систем, как и для механических БСУ, остается БСУ. 3 Внедрение электронных технологий позволило создавать бортовые аналоговые решающие устройства с существенно более высокой информационной плотностью, чем в их механических аналогах, что, в свою очередь, дало возможность повысить информационный потенциал БСУ и ее надсистем и внедрить более сложные и совершенные алгоритмы. Все это обусловило качественный скачок в развитии надсистем БСУ, выразившийся в следующих структурных их изменениях. Структура надсистемы “корабль-торпеда-цель” дополнилась: - информационной связью между торпедой и кораблем-целью, осуществляемой по акустическому каналу, чувствительного к воздействию естественных и искусственных помех, - средствами ГПД, применяемыми кораблем-целью для зашумления и искажения акустического канала, - информационной связью между атакующим кораблем и торпедой, осуществляемой посредством канала ТУ. Структура надсистемы эволюции торпед дополнилась еще одним эволюционирующим классом объектов – средствами ГПД. Средства ГПД – автономные, недорогие (существенно дешевле торпеды) приборы, применяемые кораблем-целью и функционирование которых направлено на уменьшение эффективной дальности стрельбы атакующей торпеды (несимметричный ответ). Обновленная система эволюции выдвигает более жесткие, чем на этапе механических БСУ, требования к динамичности системы РЭСТ. Основным структурным элементом, обусловливающий качественный скачок динамичности надсистемы РЭСТ, является локальная обратная связь по качеству алгоритмов функционирования БСУ, реализуемая на этапе проектирования алгоритмов посредством стандартных (АВМ) и нестандартных электронных средств. 4 Развитие надсистемы “корабль-торпеда-цель” взаимообусловлено с развитием основной составляющей функциональности БСУ. На данном этапе она дополнилась возможностью самонаведения по данным ССН на корабль-цель в условиях помех, создаваемых его средствами ГПД, по априорной информации о возможном положении корабля-цели, формируемой атакующим кораблем и корректируемой в процессе хода торпеды по каналу ТУ, а также возможностью дистанционного подрыва БЗО при прохождении торпеды вблизи корабля-цели. 5 Развитие надсистемы РЭСТ взаимообусловлено с развитием с вспомогательной составляющей функциональности БСУ. На данном этапе развитие вспомогательной составляющей функциональности БСУ проявилось в увеличении объема и точности бортовых измерений, регистрируемых на магнитных информационных носителях, плотность хранения информации которых на несколько порядков выше, чем на бумажных носителях, применяемых ранее в механических БСУ. Такой качественный скачок в бортовых измерениях и регистрации позволил реализовать связь звеньев Э2 и П3 в процессах разработки и экспериментальной отработки алгоритмов функционирования 27 БСУ (рисунок 3.7), работающую на совершенствование теоретико-экспериментальной модели функционирования БСУ, лежащей в основе реализации локальной обратной связи системы РЭСТ по качеству алгоритмов. 6 Развитие архитектуры БСУ на данном этапе протекает “вширь” и “ввысь”. “Вширь” – за счет внедрения новых подсистем, расширяющих номенклатуру используемых в них физических полей, которая дополнилась акустическим, электромагнитным (магнитным) и информационными полями. “Ввысь” – за счет внедрения аналоговых решающих устройств, расширяющих номенклатуру типов и физических основ компонент подсистем электронной аналоговой БСУ. Датчики и исполнительные механизмы в отличие от своих аналогов в механических БСУ представляют собой автономные устройства и объединяются в архитектурный слой, осуществляющий коммуникативные связи электронной бортовой аппаратуры с внешней средой. В электронных аналоговых БСУ проявились также новые архитектурные слои: - слой межсистемных электрических связей, реализуемый посредством проводников и соединителей (кабельная сеть), - слой устройств согласования, реализуемый преимущественно средствами аналоговой электроники. Слой устройств согласования (так называемый декомпозирующий слой) выступает в качестве нового специфичного компонента сложной технической системы, основное назначение которого непосредственно не связано с формированием функциональности БСУ. Его смысл – обеспечить независимость (системную развязку) функциональных архитектурных слоев, в частности, слоя датчиков и исполнительных механизмов и слоя решающих устройств. 7 Архитектуру электронного аналогового решающего устройства можно представить в виде архитектурных слоев универсальных элементов, например, слоя операционных усилителей, и многоуровневой системы связей, в которой “закодирована” информационная составляющая БСУ. Информационная составляющая БСУ включает в себя боевой алгоритм функционирования БСУ, алгоритмы встроенного контроля, и пр. технологические алгоритмы, необходимые для обеспечения всего цикла эксплуатации торпед. Электронное аналоговое решающее устройство можно рассматривать как электронный аналог информационной составляющей БСУ. По этой причине электронному аналоговому решающему устройству присущи следующие недостатки. Первый, оно является специализированным, т.е., в случае необходимости изменения реализованных в нем алгоритмов необходимо осуществить заново коммутацию жестко скоммутированных посредством системы связей универсальных элементов, что влечет за собой переделку, по существу, конструкции решающего устройства. Второй, в электронном аналоговом решающем устройстве число универсальных элементов и связей между ними, а, следовательно, и его габариты, напрямую зависят от сложности бортовых алгоритмов. Это обстоятельство (при ограничениях на габариты бортового решающего устройства) ведет к ограничению сложности как боевых алгоритмов, так и алгоритмов встроенного контроля БСУ. 8 Неопределенность информационной составляющей, имеющаяся на этапе проектирования алгоритмов, может быть в ограниченных объемах устранена на этапе морских испытаний с малыми затратами благодаря свойству гибкости электронного аналогового решающего устройства. Это свойство реализуется посредством обеспечения технологичности доступа к ограниченному числу заранее предусмотренных компонентов решающего устройства. 4 Анализ эволюции БСУ на этапе электронных цифровых БСУ (середина 1970-х - середина 1990-х годов) 28 4.1 Историческая справка Выход электронных технологий на новый качественный уровень, характеризуемый высокими нормами проектирования микросхем малой, затем средней и большой степени интеграции, привел не только к увеличению информационной плотности бортовой электронной аппаратуры, но и к новым принципам ее организации, принципиально отличающейся от организации аналоговых решающих устройств. Эти новые принципы продиктованы уникальным изобретением человечества - процессором, являющимся, по существу, программно-управляемым универсальным операционным звеном. Применение процессора позволяет декомпозировать электронное решающее устройство на физическую (содержащую вычислитель) и информационную (программы для вычислителя) составляющие. Причем программа для вычислителя как продукт чисто информационный обладает идеальным свойством гибкости. Изменение программы не требует изменений в электронных схемах вычислителя, поэтому затраты на доработку программы – незначимые по сравнению с затратами на доработку электронного аналогового решающего устройства. Именно это обстоятельство привело к вытеснению процессором аналоговой электроники из ниши бортовых решающих устройств. В результате все передовые торпеды в анализируемый период времени создаются на базе бортовых цифровых вычислительных машин (БЦВМ), сначала однопроцессорных, а с появлением микропроцессоров - многопроцессорных. Это американские торпеды МК46 мод.5 (1979 г.), МК48 мод.3-5 (1975-1988 г.г.), английские торпеды "Стингрей" (1983 г.), МК24 или "Тайгерфиш" мод.2 (1985г.), "Спирфиш" (1987 г.) [Л4.1], отечественная ракета-торпеда "Орел" (1990 г.), французская торпеда "Мурена" (1993 г.) [Л4.2] и пр. Основные достижения, по которым можно проанализировать функциональность БСУ на данном этапе ее развития, концентрированно отразились в БСУ торпеды "Мурена". Торпеда "Мурена" калибра 324 мм (дальность хода до 10 км, радиус реагирования ССН - 1700 м) содержит четыре акустических антенны: традиционную впереди, две боковых и одну, направленную вниз. Обработка данных в ССН торпеды "Мурена" осуществляется тремя микропроцессорами "Моторола 68000" (производительностью 50 млн. оп/с.). С их помощью распознается ложная цель, обеспечивается обнаружение тихоходной и двух близко расположенных целей. Анализируется скорость, направления движения, длина цели, дистанция до цели, а также мощность сигнала по 12 посылкам. При необходимости осуществляется дальнейшая, более детальная обработка информации, включающая анализ траектории движения цели (отслеживается до двух целей одновременно). Система управления движением включает в себя четыре процессора "Моторола 68000". Они работают параллельно, исчисляя координаты по данным датчиков инерциальной навигационной системы, управляя рулевыми машинками и обменом данными между системами, и обеспечивают выполнение сложных алгоритмов управления. В частности, в системе реализован алгоритм атаки цели, предусматривающий сначала обзор ее на параллельном курсе с помощью антенн бокового обзора, а затем поворот к цели и атаку ее в оптимальном месте под углом, обеспечивающим высокую эффективность кумулятивного заряда боевой части. Все устройства бортовой системы современных торпед, сосредотачиваются в двух отсеках: отсеке системы управления движением и отсеке самонаведения. Это обусловлено тем, что борт торпед строится вокруг двух БЦВМ, являющихся ядрами соответственно двух систем: управления движением и самонаведения. Таким образом, номенклатура функциональных подсистем электронных цифровых БСУ относительно электронных аналоговых БСУ не изменилась, но функциональность их усовершенствовалась, усложнились бортовые алгоритмы. Проблема обеспечения высокого уровня надежности результата торпедного выстрела остается актуальной и на данном этапе развития, поскольку сложность БСУ 29 растет. Но концепция обеспечения надежности, связанная с контролем, не изменяется. Соответственно росту сложности БСУ увеличивается и глубина ее контроля, реализация которого, благодаря более высокой информационной плотности процессорной основы БСУ, требует меньших габаритов, чем реализация в БСУ на электронной аналоговой основе. Это гарантирует достижимость более высокого уровня надежности электронных цифровых БСУ, чем аналоговых. С внедрением в процесс проектирования цифровых вычислительных машин (ЦВМ) методы оценки боевой эффективности совершенствуются, сохраняя принятую на этапе электронных аналоговых БСУ концептуальную направленность (использование для этих целей методов статистического моделирования процессов управления-самонаведения торпеды на типовом множестве сценариев). Однако моделирование осуществляется уже с применением ЦВМ, позволяющих автоматизировать процесс генерации множества сценариев и увеличить их число, придав результатам статистического моделирования более достоверный характер. Таким образом, широкое внедрение цифровой вычислительной техники, как в процесс проектирования БСУ, так и в процесс разработки бортового программного обеспечения, в котором концентрируется информационная составляющая всей БСУ, позволило расширить границы допустимой сложности БСУ и улучшить ее функциональность. 4.2 Структурный анализ электронных цифровых БСУ На данном этапе развития элементного базиса цифровая процессорная электроника широко внедряется во все компоненты надсистемы “корабль-торпеда-цель” и бортовые торпедные системы. В связи с этим информационные технологии внедряются не только в технологии проектирования БСУ, существенно повышая их информационный потенциал, но и вовлекают в свою орбиту средства акустического противодействия, делая их более “интеллектуальными” и менее дорогостоящими. В результате типовой сценарий торпедной дуэли усложняется в части организованного целью акустического противодействия, соответственно структура надсистемы БСУ “корабль-торпеда-цель” также усложняется (рисунок 4.1). Атакующий корабль Акустический канал “атакующий корабль-цель” Канал ТУ Торпеда Акустический канал “торпеда-цель” Акустический канал ЦО1 Цель Целеподобный объект 1 (ЦО1) Акустический канал ЦО2 Целеподобный объект 2 (ЦО2) Рисунок 4.1 Структурная схема надсистемы электронной цифровой БСУ “корабль-торпеда-цель” Идеология осуществления группового залпа, применяемого в случае большой степени неопределенности области возможного положения цели, разработанная на этапе электронных аналоговых БСУ, сохранилась. Новой функцией, “делегируемой” 30 надсистемой торпеде, стала функция поиска и распознавания цели в автоматическом режиме на фоне нескольких организованных помех. В связи с расширенной функциональностью электронной цифровой БСУ состав задач, решаемых ею в интересах надсистемы “корабль-торпеда-цель”, также расширился: 1) вывод торпеды по заданной траектории (рассчитанной на атакующем корабле и безопасной для него) в область обнаружения цели ССН, 2) поиск цели, 3) обнаружение целеподобного объекта, 4) слежение и распознавание (идентификация цели) целеподобного объекта, 5) самонаведение торпеды на цель, если целеподобный объект идентифицирован как цель, либо продолжение поиска цели, 6) в случае прямого попадания торпеды в цель, либо небольших промахов осуществление подрыва боевого заряда, 7) в случае промахов, при которых подрыв боевого заряда не в состоянии нанести ощутимого ущерба цели – осуществление повторного поиска цели. В задачах 1…5 и 7 управление торпедой может корректироваться по каналу телеуправления. Структурная схема электронной цифровой БСУ, обеспечивающая решение перечисленных задач представлена на рисунке 4.2. ССН БСУ Антенное устройство ТУ Система неконтактного подрыва БЦВМ ССН СУДТ Пусковое задание БЦВМ СУДТ Система регистрации Датчики и исполнительные механизмы СУДТ Цель Кинематич еское звено Торпеда Блок автоматики Рисунок 4.2 Структурная схема электронный цифровой БСУ Перевод БСУ с аналоговой на цифровую основу не изменил номенклатуру и функциональную направленность основных подсистем БСУ. При декомпозиции электронных цифровых БСУ на подсистемы, как и на этапе электронных аналоговых БСУ, применяется функционально-конструктивный принцип. 31 Структура системы регистрации, блока автоматики и неконтактного взрывателя в целом осталась без изменений, их совершенствование и улучшение характеристик осуществлялось лишь за счет применения аналоговых радиоэлементов с увеличенной степенью интеграции и улучшенными характеристиками. Структура же основных систем СУДТ и ССН изменились кардинально благодаря введению в их основу БЦВМ. Поскольку внедрение БЦВМ сопровождается внедрением информационного продукта – бортового программного обеспечения, подсистемы БСУ, содержащие БЦВМ декомпозируется не только на физическом уровне (подсистемы, блоки и устройства), но и на информационном уровне – на информационные подсистемы и блоки. Физические и информационные блоки могут объединяться в смешанные по своей природе информационно-физические системы с функциональностями, диктуемыми соответствующими надсистемами. К таким системам и относятся СУДТ и ССН. Варианты их укрупненных комбинированных структурных схем приведены на рис. 4.3. БЦВМ СУДТ БВ 21 БВ 11 БВ 01 УС ДУС Блок ДУС УС Акс Блок Акс БВ 21 БЦВМ ССН БВ 11 БВ 12 БВ 02 БВ 03 БВ 04 БВ 05 БВ 06 БВ 01 УС Д гл УС Д ск УС РМ УС СМ УС ВА УС ВА Д гл Д ск РМ СМ БВ 02 БВ 12 БВ 03 БВ 04 БВ 05 ППУ ДЗ ППУ КС АУ ДЗ АУ КС Рисунок 4. 3 Комбинированные структурные схемы СУДТ и ССН На рисунке прямоугольниками обозначены физические блоки и устройства, кружками – информационные блоки. В состав физических блоков СУДТ входят БЦВМ СУДТ, датчики, исполнительные механизмы и устройства согласования: - блок датчиков угловых скоростей (Блок ДУС), состоящий из трех датчиков с взаимно ортогональными осями чувствительности, - блок акселерометров (Блок Акс), состоящий из трех акселерометров с взаимно ортогональными осями чувствительности, - датчик глубины (Д гл), физически представляющий собой датчик статического давления, – датчик скорости (Д ск), физически реализуемый либо в виде датчика оборотов винта двигателя энерго-движительного комплекса (ЭДК) торпеды, либо – датчика полного давления, либо – датчика скоростного напора, - рулевые машинки (РМ) привода рулей, - скоростная машинка (СМ), управляющая расходом топлива двигателя ЭДК, и как следствие – скоростью торпеды, - устройства согласования (УС), наименования УС соответствует наименованию датчиков и исполнительных механизмов, - устройство согласования с внешней аппаратурой (ВА). В состав физических блоков ССН входят БЦВМ ССН и: - антенное устройство дальней зоны (АУ ДЗ), озвучивающее и принимающее акустические сигналы с переднего полупространства (по ходу торпеды), - антенное устройство кильватерного следа (АУ КС), озвучивающее и принимающее акустические сигналы с верхнего полупространства (по ходу торпеды), 32 - приемно-передающее устройство дальней зоны (ППУ ДЗ), осуществляющее преобразования информационного потока БЦВМ в импульсы зондирующей посылки, воспринимаемые АУ ДЗ, и обратно в информационный поток акустических сигналов, преобразованных АУ ДЗ в напряжения, - приемно-передающее устройство кильватерного следа (ППУ КС), осуществляющее аналогичные ППУ ДЗ функции, но для озвучивания и обнаружения кильватерного следа. Обе системы подключаются к внешней по отношению к ним аппаратуре (к блоку автоматики, системе регистрации, каналу телеуправления, друг к другу, и т.д.) через устройства согласования с внешней аппаратурой (УС ВА). Все множество информационных блоков в обеих системах делятся на подмножества блоков вычислительных (БВ), принадлежащие разным уровням. Номер уровня в обозначении БВ отражен первым индексом. На нулевом уровне расположены вычислительные блоки, осуществляющие обработку измерений, либо управление исполнительными механизмами непосредственно. На первом и втором уровнях размещаются вычислительные блоки, объединяющие (интегрирующие) информационные потоки 0-го и 1-го уровней соответственно. Заметим, что блоки 1-го и 2-го уровней работают с, так называемыми, вторичными информационными потоками данных и управления - потоками, не имеющими непосредственного выхода на внешнюю по отношению к БЦВМ аппаратуру. Следует также отметить, что один вычислительный блок может использовать ресурсы нескольких микропроцессоров, либо часть ресурсов одного микропроцессора, т.е. в приведенной структурной схеме (рисунок 4.3) отражается лишь номенклатура функционально законченных вычислительных блоков, и не отражается их распределение по процессорам. В СУДТ: - блок БВ01 осуществляет учет систематических погрешностей измерений ДУС и акселерометров, а также решает задачу ориентации торпеды, - блок БВ02 осуществляет учет систематических погрешностей измерений датчика глубины хода торпеды, - блок БВ03 осуществляет учет систематических погрешностей измерений датчика скорости хода торпеды, - блок БВ04 решает задачу управления РМ, - блок БВ05 решает задачу управления СК, - блок БВ06 реализует информационную часть интерфейса СУДТ с внешней по отношению к ней аппаратурой, - блок БВ11 решает задачу навигации торпеды, в которой результаты решения задачи инерциальной навигации корректируются по измерениям датчиков глубины и скорости хода торпеды, - блок БВ12 решает задачу управления угловым движением торпеды, - блок БВ21 решает задачу реализации схемы действия торпеды в части СУДТ. В ССН: - блок БВ01 реализует информационную часть интерфейса ССН с внешней по отношению к ней аппаратурой, - блок БВ02 решает задачу управления излучением зондирующих посылок в канале ДЗ, - блок БВ03 решает задачу предварительной обработки акустических данных в канале ДЗ, - блок БВ04 и БВ05 решают аналогичные блокам БВ02 и БВ03 задачи, но в канале КС, - блок БВ11 и БВ12 осуществляют управление излучением-приемом и вторичную обработку акустической информации (выделение цели на фоне помех) для каналов ДЗ и КС соответственно, 33 - блок БВ21 реализует управление траекторным движением торпеды (БВ21.1) и логический алгоритм работы ССН (БВ21.2). Вычислительные блоки 1-го и 2-го уровней иерархии интегрируют в себе вторичные информационные потоки, т.е. в основе их функционирования лежат интегрированные алгоритмы, функционирование которых предполагает объединение (интеграцию) входных информационных потоков. На 0-м уровне – интеграция потоков может отсутствовать, но чаще всего она имеет место, поскольку современные измерительные датчики, как правило, многоканальные. Например, современный торпедный блок ДУС содержит не менее 3-х каналов ДУС (обеспечивающих три ортогональных оси чувствительности) и несколько каналов температуры для компенсации систематических погрешностей измерения угловых скоростей, зависящих от температуры в каналах ДУС. Аналогичным образом обстоит дело с блоком акселерометров. Датчики давления, применяемые в каналах измерения глубины и скоростного напора, также содержат помимо каналов измерения давления измерительные температурные каналы для компенсации систематических составляющих погрешностей измерений давления, зависящих от температуры. Таким образом, иерархические уровни размещения вычислительных блоков на рисунке 4.3 являются в то же время уровнями интеграции информационных потоков. На объединении информационных потоков, осуществляемом в вычислительных блоках, реализуются интегрированные алгоритмы. Покажем на примере разбивки СУДТ на подсистемы, что один и тот же физический или информационный блок может быть системообразующим сразу для нескольких подсистем. В СУДТ можно выделить следующие основные подсистемы: - угловой ориентации (УО), в состав которой входят физические и информационные блоки: УО = Блок ДУС + УС ДУС + БВ01 + Блок Акс + УС Акс (последние 2 блока включены для учета систематических погрешностей измерений ДУС от перегрузок), - навигации торпеды (НТ), с основным каналом инерциальной навигации, комплексированным с каналами глубины и скорости, в состав которой входят физические и информационные блоки: НТ = УО + Д гл + УС Д гл + БВ02 + Д ск + УС Д ск + БВ03 + БВ11, - управления угловым (УУ) положением торпеды, в состав которой входят физические и информационные блоки: УУ = УО + РМ + УС РМ + БВ04 + БВ12, - управления траекторным (УТ) движением торпеды, в состав которой входят физические и информационные блоки: УТ = НТ + УУ + БВ21.1, - управления логикой (УЛ) работы СУДТ, в состав которой входят физические и информационные блоки: УЛ= НТ + УТ + СМ + УС СМ + БВ05 + УС ВА + БВ06 + БВ21.2. Таким образом, каждая из систем СУДТ и ССН являются интегрированными как на физическом, так и на информационном уровнях, поскольку одни и те же физические и информационные блоки входят в разные подсистемы. Структура надсистемы БСУ эволюции торпед (рисунок 3.4), обусловливающая требования к динамичности системы РЭСТ, сохранилась. Но актуальность проблемы информационного противостояния торпедных БСУ и средств ГПД (по мере совершенствования ССН) не только не снизилась, но и возросла. Развитие БСУ и средств ГПД основывается на одном и том же элементном базисе, поэтому совершенствование функциональности БСУ всегда вызывает адекватную реакцию в области совершенствования средств ГПД, и наоборот. Этот взаимообусловленный процесс придает динамике развития БСУ постоянно напряженный характер и ужесточает требования к динамичности системы РЭСТ. Система РЭСТ (рисунок 3.6), являющаяся надсистемой БСУ, и процесс разработки и экспериментальной отработки алгоритмов функционирования БСУ (рисунок 3.7), диктующие требования к вспомогательной составляющей функциональности БСУ, 34 структурно не изменились. В связи с внедрением ЦВМ изменилось лишь содержание их звеньев, в частности, - звеньев П4…П6 (рисунок 3.7), предполагающих на этапе электронных аналоговых БСУ разработку электронных аналогов алгоритмов функционирования БСУ и среды их функционирования, а также имитацию функционирования системы “корабль-торпеда-цель” в целом. В отличие от электронного аналога в основу моделирования на ЦВМ положен принцип создания информационного аналога исследуемой системы и изучения протекающих в нем процессов, которые аналогичны реальным. При этом из технологической цепочки моделирования исключается звено работы с электронным аналогом исследуемой системы со всеми процедурами перехода из информационной пространства в электронное и обратно. Моделирование при этом сводится к математическому описанию моделируемых процессов и имитации протекания этих процессов посредством численных методов, реализуемых непосредственно в информационном пространстве ЦВМ. Это дает возможность моделировать более сложные процессы с существенно меньшими затратами, чем в аналоговом варианте, и получать при этом более близкие к реальности результаты. С внедрением ЦВМ произошел также качественный прорыв в решении проблемы повышения достоверности применяемых в разработке БСУ математических моделей. Построение на основе ЦВМ систем обработки и анализа экспериментальных данных позволило автоматизировать ввод в них бортовых измерений, полученных на морских испытаниях, и автоматизировать процесс идентификации гидродинамических характеристик моделей динамики торпеды и акустических параметров цели и ГПД. Регистрация бортовых измерений при этом осуществлялась, как и на этапе электронных аналоговых БСУ, посредством многоканальных магнитных регистраторов, но с более емкими накопителями. Автоматизация посредством ЦВМ процесса сопоставления экспериментальных данных и их расчетных аналогов позволила получить как более достоверные оценки искомых характеристик, так и осуществить более объективные оценки их достоверности и оценки законов распределения ошибок измерений [Л4.3]. Таким образом, внедрение информационных технологий в практику обработки и анализа экспериментальных данных дало возможность определять количественные оценки адекватности математических моделей, и создавать условия функционирования разрабатываемых алгоритмов при имитационном моделировании, более приближенные к реальным. В схеме процесса (рисунок 3.7) этому соответствует совершенствование связи между звеньями Э2 и П3, что позитивно сказывается на улучшении динамичности системы РЭСТ. 4.3 Архитектурный анализ электронных цифровых БСУ Проведем архитектурный анализ электронной цифровой БСУ, для чего ее структурные схемы (рисунки 4.2 и 4.3) представим в виде архитектурных схем (рисунки 4.4 и 4.5), отражающих физический и информационный архитектурные уровни соответственно. Подходы к разработке архитектурной схемы физического уровня электронной цифровой БСУ и архитектурной схемы электронной аналоговой БСУ (рисунок 3.8) совпадают. 35 Физическ ая основа устройст в П о д с и с т е м ы Подсистема управления движением торпеды (СУДТ) Подсистем а ввода ходовых данных Система ТУ ССН ПЛ и НК Подсистема неконтактного датчика цели (ДЦ) Подсистема бортовой автоматики Подсистема подрыва БЗО Бортовая система измерений (БСИ) Электриче ские проводник и Кабельная сеть Цифрова я (микропр оцессорн ая) электрон ика Аналогов ая электрони ка Электроме ханически е, пъезоэлект рические и пр. устройства Тип устройств БЦВМ ССН (ПЛ и НКканалов) БЦВМ СУДТ УС УС УС УС Блок инерциальн ых чувтвительн ых элементов Инерциальное и гравитационн ое поля Датчики давления Ph и Pq Рули и рулевые машинки Рв, Рн, Рпр, Рл УВВ пусковы х данных Поле скоростей и давлений УС УС УВВ данных ТУ Информационное поле Цифровое решающее устройство неконтактного ДЦ УС Акустиче ские антенны ПЛ и НК УС Антенны акустиче ского ДЦ УС Антенны электром агнитног о (магнитн ого) ДЦ п о л я УС УС Датчики и исполнител ьные реле системы автоматики ПИМ и система датчиков ПИМ Электромагни Номенклатура тное полей из (магнитное) названных поле ранее Акустическое поле Ф и з и ч е с к и е Решающие устройства УС Устройства согласован ия Датчики и Датчики системы регистра ции Лентопр отяжный механиз м Номенклатура Номенклатура полей из полей из названных названных ранее ранее исполните льные механизм ы Внешние поля не используют ся Рисунок 4.4 Архитектурная схема электронной цифровой БСУ. Физический уровень. На рисунке: Ph – давление на глубине хода торпеды, Pq – давление скоростного напора, Рв, Рн, Рпр, Рл – верхний, нижний, правый и левый рули соответственно, УВВ – устройства ввода-вывода, ССН – система самонаведения, ТУ – телеуправление, ПЛ – подводная лодка, НК – надводный корабль, ДЦ – датчик цели, ПИМ – предохранительно-исполнительный механизм, УС – устройство согласования, БЗО – боевое зарядное отделение. На рисунке 4.4 знак окружности в правом верхнем углу прямоугольников означает, что в отображаемых этими прямоугольниками устройствах содержатся компонентыносители информационных продуктов, например, микросхемы перепрограммируемой памяти. Рисунок 4.5 раскрывает архитектуру хранимых в них информационных продуктов. Языко вая основа блока П о д с и с т е м ы Подсистема управления движением торпеды (СУДТ) Язык НУ, либо ВУ Язык НУ ССН ПЛ и НК БВ 21 Язык НУ, либо ВУ БВ 11 БВ 01 УС ДУС УС Акс Тип блоко в БВ 2-го уровня интегра ции БВ 21 БВ 12 БВ 11 БВ 02 БВ 03 БВ 04 БВ 05 УС Д гл УС Д ск УС РМ УС СМ БВ 06 УС ВА БВ 01 УС ВА БВ 02 БВ 1-го уровня интегра ции БВ 12 БВ 03 ППУ ДЗ БВ 04 БВ 05 Драйверы, предв. обраб. ППУ КС Устройства, функционирующие с соответствующими информационными потоками Рисунок 4. 5 Архитектурная схема электронной цифровой БСУ. Информационный уровень. На рисунке: БВ – блок вычислительный. Языковая основа блока – язык, посредством которого ведется программирование БВ. Язык ВУ – язык высокого уровня, например, СИ. Язык НУ – язык низкого уровня, например, язык Ассемблера микропроцессора, либо мнемокод оригинального процессора. Анализ архитектурных схем электронных аналоговой (рисунок 3.8) и физического уровня цифровой БСУ (рисунок 4.4) показывает, что, несмотря на смену физической основы решающих устройств, структурное развитие физического уровня БСУ практически приостановилось. На данном этапе кардинальные структурные изменения претерпели лишь составляющие БСУ компоненты. Благодаря тому, что затраты, производимые на реализацию одного и того же фрагмента информационной 36 составляющей БСУ посредством информационных технологий несоизмеримо меньше, чем затраты на его реализацию посредством электронных аналоговых, и тем более, механических технологий, произошло перераспределение их объемов в пользу информационных, что повлекло за собой упрощение физического уровня БСУ. Прежде всего, это упрощение затронуло сложные датчики, реализованные на электромеханической основе. Так, вместо примененного на этапе электронных аналоговых БСУ блока гироскопических приборов на этапе электронных цифровых БСУ применен блок инерциальных чувствительных элементов, функции которого шире (дополнительно в нем размещены датчики перегрузок) исходного блока, а конструкция проще. Компенсацией за упрощение электромеханической части блока (сложные трехстепенные гироскопы заменены датчиками угловых скоростей, которые существенно проще гироскопов) явилось внедрение вычислительных блоков БВ01, БВ02, БВ03, БВ11 (информационных продуктов), что по суммарным затратам, несмотря на сложность реализованных в них алгоритмов БИНС, оказалось очень выигрышным. Возможность относительно малозатратного улучшения характеристик акустических каналов с применением информационных технологий позволила реализовать для этой цели полнозаполненную апертуру антенной решетки (увеличить число датчиков-гидрофонов). В частности, число каналов приемного акустического тракта дальней зоны возросло от 4-8 (реализуемых на этапе электронных аналоговых БСУ) до 36-52. Таким образом, для этапа электронных цифровых БСУ характерно перераспределение физической основы компонент БСУ, сопровождающееся усложнением информационного и упрощением физического уровня. Архитектурная схема информационного уровня электронных цифровых БСУ ориентирована на отражение решения тех же характеристик архитектуры, что и архитектурная схема физического уровня БСУ (отражает принципы построения структур, подходы к декомпозиции, и пр.). На архитектурной схеме (рисунок 4.5) вертикальные поля объединяют вычислительные блоки в подсистемы, горизонтальные поля (слои) – вычислительные блоки по типам преобразования. В 0-м слое осуществляется преобразование (нормализация) внешних входных информационных потоков в нормализованные информационные потоки, воспринимаемые вычислительными блоками 1-го и других более высоких уровней интеграции, а также преобразование (денормализация) выходных информационных потоков БЦВМ к виду, воспринимаемому внешними по отношению к ней устройствами (тип блоков – драйверы, программы предварительной обработки входной информации). В 1-м и других слоях с более высокими уровнями интеграции осуществляется преобразование информационных потоков, поступающих со слоев меньших, чем данное преобразование, уровней интеграции (тип блоков – программы, реализующие интегрированные алгоритмы соответствующего уровня иерархии). По горизонтали снизу отражены связи с внешними по отношению к БЦВМ устройствами, функционирующими с информационными потоками, воспринимаемыми, либо генерируемыми БЦВМ. По вертикали слева отражена языковая основа блоков, т.е. тех машинных языков, на которых велось их программирование. На этапе электронных цифровых БСУ преимущественно применялись языки программирования низкого уровня (НУ), реже языки высокого уровня (ВУ). Применение языков высокого уровня, ориентированных широкое использование инженерных библиотек и на непосредственный перевод алгоритмов в бортовые программы, привлекательно с позиций уменьшения затрат на создание конечного информационного продукта – кодов для БЦВМ, поскольку перевод разработанной бортовой программы на языке ВУ в коды происходит автоматически, посредством сервисных программ, и, практически, без дополнительных затрат. Однако, компенсацией за уменьшение затрат таким путем становятся дополнительные ресурсы БЦВМ, расходуемые на “накладные расходы”, обусловленные “неоптимальностью” 37 работы сервисных программ. Программирование разработчиком в кодах предполагает большие временные и интеллектуальные затраты, но позволяет уйти от указанных “накладных расходов”. На данном этапе развития БСУ ресурсы БЦВМ были достаточно ограничены, и “накладные расходы”, обусловленные применением сервисных программ, чаще всего, оказывались не оправданными. Архитектурный анализ показывает, что если динамика архитектуры БСУ, обусловливавшая ее совершенствование на ранних этапах развития, характеризовалась постоянным “расширением” архитектуры БСУ за счет введения в нее новых подсистем и увеличения номенклатуры физических полей, то на этапе электронных цифровых БСУ номенклатура подсистем и физических полей практически не изменилась. Совершенствование функциональности БСУ на данном этапе осуществлялось только вследствие внедрения информационных технологий и процессорной электроники, располагающей существенно более высокой информационной плотностью, чем аналоговая электроника, что позволило резко повысить информационный потенциал БСУ и направить его на: - увеличение информативности входных информационных потоков, прежде всего акустического, благодаря полному заполнению апертуры акустической антенны ДЗ датчиками, внедрение новых алгоритмов (совершенствование информационной составляющей БСУ). Из архитектурного анализа БСУ также следует, что усложнение БСУ в процессе развития сопровождается увеличением числа компонент, осуществляющих декомпозирующие функции. Причем декомпозирующие компоненты могут проявляться как на физическом, так и на информационном архитектурных уровнях БСУ. В частности, 0-й слой информационного уровня архитектуры БСУ можно отнести к декомпозирующим слоям, поскольку его основной функцией является не реализация компонент боевого алгоритма функционирования БСУ, а согласование информационных потоков. В этом смысле он аналогичен слою устройств согласования в архитектурной схеме физического уровня БСУ. Наибольшие структурные изменения на данном этапе развития БСУ претерпели решающие устройства. Проанализируем архитектуру электронных цифровых решающих устройств (рисунок 4.6) с позиций изменения их потенциала универсальности. Уровень устройств (универсальность отсутствует) Решающее устройство Уровень сборок Уровень функциональных групп (средняя степень универсальности) Уровень элементов подуровень специализированных элементов подуровень унифицированных элементов (высокая степень универсальности) Элементы ввода-вывода Память инструкций Процессор Оперативная память данных Рисунок 4.6 Архитектурная схема, отражающая изменение потенциала универсальности электронного цифрового решающего устройства 38 В отличие от электронных аналоговых решающих устройств электронные цифровые решающие устройства содержат: - на уровне элементов - элементы разной (неповторяющейся) номенклатуры, - на подуровне специализированных элементов - всего два элемента: память инструкций, физически представляющую собой микросхему (либо группу микросхем), и элементы ввода-вывода. Несмотря на очевидное различие, архитектуру электронного цифрового решающего устройства можно рассматривать как развитие и трансформацию архитектуры электронных аналоговых решающих устройств. Память инструкций есть не что иное, как компактно реализованная система электрических связей, в которой определенным образом “закодирован” алгоритм работы решающего устройства. Этим, в частности, объясняется отсутствие элементов на уровнях функциональных групп и сборок. Напомним, что в электронных аналоговых устройствах алгоритмическая составляющая реализуется в системе связей указанных уровней. На смену операционной схемы (системы операционных звеньев) и релейного автомата аналогового варианта в цифровом варианте реализации решающего устройства приходят процессор и оперативная память. Процессор представляет собой универсальное операционное звено, вычислительные функции которого определяются его системой команд (в этом смысле он заменяет систему операционных звеньев) и устройство микрокомандного управления, которое является конечным автоматом и поглощает функции релейного автомата. Концептуальное отличие аналогового и цифрового варианта решающего устройства состоит в том, что в аналоговом варианте в операционной схеме операционные звенья развернуты в пространстве и реализуют вычислительные процессы в реальном масштабе времени, а в цифровом варианте процессор воспроизводит их в произвольном масштабе времени в последовательности, задаваемой памятью инструкций. Промежуточные результаты при этом хранятся в оперативной памяти. Естественно, трансформация процессов, протекающих в пространственной операционной схеме аналогового решающего устройства, во временную последовательность абстрактных (если сравнивать с процессами, протекающими в операционной схеме аналогового решающего устройства) операций процессора требует также абстрактного представления вычислительного процесса, задаваемого памятью инструкций. Но, с позиций конечного результата, т.е. сигналов на выходе решающего устройства, эффект получается близкий, а с точки зрения точности решения, - лучше. Заметим, что в технологии создания цифрового решающего устройства появляется оригинальное технологическое звено, связанное с разработкой последовательности инструкций (программы) и реализации ее в информационных носителях (например, в микросхемах), – рабочее место программиста. При этом программа является самостоятельным продуктом, в котором воплощается основная доля информационной составляющей БСУ и разрабатываемым по оригинальной технологии. Эта технология получила называние информационной, поскольку основной объем разработки и направленность технологического оборудования сконцентрированы на разработке программы, т.е. решении задачи абстрактного (информационного) представления вычислительного процесса для электронного цифрового решающего устройства. 4.4 Выводы 1 Эффективная дальность стрельбы неизменно проявляет себя на всех 3-х рассматриваемых этапах развития БСУ как основная характеристика торпеды, определяющая ее боевую эффективность. 2 БСУ на всем рассмотренном интервале развития является слабым звеном (именно предельные значения ее характеристик ограничивают эффективную дальность стрельбы) в 39 цепи основных торпедных систем ЭДК, БЗО, БСУ, формирующих функциональность торпеды и определяющих ее боевую эффективность. 3 Структура надсистем БСУ на данном этапе развития претерпела незначительные изменения. В частности, в надсистеме “корабль-торпеда-цель” возросло число средств ГПД до 2-х, которые одновременно может применить корабль-цель. Структуры надсистем БСУ эволюции торпед и РЭСТ практически не изменились. Однако, благодаря внедрению процессорных электронных и информационных технологий, содержимое компонент БСУ и ее надсистем изменилось кардинально. Аналоговую электронику большинства компонент вытеснили бортовые электронные цифровые решающие устройства, обладающие существенно большей информационной плотностью, чем аналоговые, благодаря чему произошло резкое возрастание информационного потенциала БСУ и ее надсистем, которое обусловило их совершенствование путем внедрения более мощных и совершенных алгоритмов, а также более информативной измерительной аппаратуры. 4 Поскольку развитие БСУ и ее надсистем подпитывается единым для них базисом, развитие их взаимообусловлено. Основная составляющая функциональности БСУ совершенствуется в соответствии с развитием надсистемы “корабль-торпеда-цель” и на данном этапе развития позволяет торпеде осуществить самонаведения на корабль-цель в условиях акустических помех, организованных им применением до 2-х средств ГПД, по априорной информации о возможном положении корабля-цели, формируемой атакующим кораблем и корректируемой в процессе хода торпеды по каналу ТУ, а также возможностью дистанционного подрыва БЗО при прохождении торпеды вблизи корабля-цели. В случае большой степени неопределенности области возможного положения цели может быть осуществлен групповой торпедный залп, при котором каждой торпеде “делегируется” своя полоса ответственности. Отрицательное взаимное влияние ССН разных торпед в группе при этом устраняется разнесением их рабочих частот. Развитие вспомогательной составляющей функциональности БСУ (проявляющей себя при функционировании системы РЭСТ) на данном этапе было направлено не только на увеличение объема и точности бортовых измерений, регистрируемых на магнитных информационных носителях с высокой плотностью хранения информации, но и на обеспечение автоматизации ввода и обработки зарегистрированных бортовых измерений в ЦВМ. Это позволило автоматизировать наиболее трудоемкие элементы технологии уточнения теоретико-экспериментальной модели функционирования БСУ, адекватность которой реальным процессам обусловливает качество реализации локальной обратной связи системы РЭСТ по качеству алгоритмов. 5 Развитие архитектуры БСУ на данном этапе проявляется в ее разделении на физический и информационный уровни (ранее архитектура БСУ характеризовалась только физическим уровнем). Это разделение произошло благодаря внедрению в процесс разработки БСУ информационных технологий, результатом применения которых является самостоятельный информационный продукт. Благодаря внедрению бортовых цифровых решающих устройств, структурные изменения интенсивно протекают внутри составляющих БСУ компонент, но пока не затрагивают ее физический архитектурный уровень. Эта “структурная замороженность” физического архитектурного уровня обусловлена также отсутствием расширения на данном этапе развития номенклатуры подсистем БСУ и используемых ими физических полей. Изменения компонент при этом направлены, прежде всего, на упрощение их физического уровня, в частности, – электромеханических элементов в архитектурном слое датчиков. Это стало возможным, благодаря передачи части выполняемых ими ранее функций информационному уровню БСУ. С ростом информационного потенциала, и, в связи с этим, сложности БСУ увеличивается число декомпозирующих слоев. В частности, на информационном 40 архитектурном уровне появляется слой драйверов, выполняющий аналогичные функции функциям слоя устройств согласования физического архитектурного уровня БСУ. 6 Архитектуру электронного цифрового решающего устройства можно представить в виде универсальных компонентов (процессора, памяти данных, и пр.) и универсальных информационных коммуникаций, специализированных устройств вводавывода информации и компактной памяти инструкций, в которой сосредоточена информационная составляющая подсистемы, которую обслуживает данное решающее устройство. В электронных аналоговых решающих устройствах информационная составляющая была распределена по всему решающему устройству, что не обеспечивало высокого уровня потенциала гибкости БСУ. Концентрация информационной составляющей БСУ в компактных компонентах памяти электронного цифрового решающего устройства при соответствующих конструкторских решениях, обеспечивающих технологичность оперативного к ним доступа, придает высокий потенциал гибкости всей БСУ. Увеличение степени гибкости БСУ позволяет расширить допуск на неопределенность ее информационной составляющей, проявляющуюся на этапе проектирования алгоритмов и устраняемую на этапе морских испытаний. Резкое увеличение информационного потенциала БСУ на данном этапе развития позволяет увеличить объем технологической доли информационной составляющей БСУ, в частности, связанной со встроенным контролем торпеды, что делает менее острой проблему осуществления требуемой глубины контроля для обеспечения должного уровня надежности выстрела торпеды. 7 Архитектура физического уровня электронных цифровых БСУ содержится противоречивое решение по межсистемным связям, наследованное от архитектуры электронной аналоговой БСУ. Это решение по межсистемным связям является гармоничным распространением на системный уровень архитектуры электронных аналоговых решающих устройств, являющихся компонентами подсистем БСУ и предполагающих реализацию информационной составляющей в соответствующей специализированной системе связей. Электронное цифровое устройство предоставляет возможность отказаться от специализированной системы связей, заменив ее универсальными информационными коммуникациями, без оговорок на ограничения, налагаемые спецификой конкретных подсистем, а информационную составляющую БСУ распределить по компонентам памяти ее решающих устройств. Логично было бы распространить архитектурные решения электронных цифровых решающих устройств на системный уровень путем придания межсистемным связям БСУ универсального характера. В этом случае БСУ могла бы обладать всеми замечательными свойствами электронных цифровых решающих устройств, в частности, возможностью перепрограммирования и тестирования информационной составляющей БСУ с внешней аппаратуры, возможностью лабораторной ее отладки в реальном масштабе времени, и пр. 5 Анализ эволюции БСУ на этапе бортовых интегрированных систем управления (БИСУ) (конец 1990-х – начало 2000 годов) 5.1 Историческая справка В рассматриваемый период происходит модернизация и разработка сравнительно небольшой номенклатуры новых торпед. Причем при разработке всех современных торпед бортовые системы изменяются кардинально, в то время как их корпусномеханическая часть, как правило, лишь модернизируется. Примером может служить поиск путей развития торпедного оружия США, приведший к созданию торпеды МК54 калибра 324мм [Л5.1], пришедшей на замену самой массовой торпеды МК46. Первоначально 41 торпеду МК46 предполагалось заменить торпедой МК50 с новым энерго-движительным комплексом и цифровой бортовой системой, но данный проект не был реализован из-за большой стоимости торпеды. Тогда и было принято решение создать торпеду МК54 на базе энерго-движительного комплекса торпеды МК46, обновив лишь БСУ. Бортовая система торпеды МК 54 содержит 24 сигнальных микропроцессора класса TMS 320C40, что обеспечивает трехкратное увеличение вычислительных ресурсов по сравнению с ресурсами наиболее “интеллектуальной” из цифровых - торпеды МК48 мод.6. Функциональная направленность развития БСУ при этом состоит в комплексировании навигационных и акустических информационных потоков с целью более эффективного решения задач распознавания цели и оптимизации траектории торпеды вблизи нее. Заметим, что характерной структурной особенностью современных торпедных БСУ является развитие в них вторичных подсистем, которые черпают подлежащую в них обработке (комплексированию) информацию не с измерительных датчиков (как первичные подсистемы), а с выхода первичных подсистем. Во второй половине 1990-х годов интенсивно развивается концепция интеграции всех бортовых систем в единую систему. Известны работы, в которых интеграция охватила не только бортовые торпедные, но и корабельные системы, которые были объединены в единую корабельно-торпедную систему с изменяющейся в процессе подготовки и выполнения боевой задачи структурой. Так, осенью 1996 и весной 1998 годов [Л5.2] в акватории города Феодосии были проведены морские испытания экспериментального образца первой отечественной антиторпеды разработки ГНПП “Регион”, в которых разыгрывалась дуэльная ситуация между торпедой-целью и антиторпедой. Бортовые системы антиторпеды и торпеды-цели были разработаны по технологии бортовых интегрированных систем управления (БИСУ), обеспечивающих на борту этих изделий единое информационное пространство и информационный доступ через бортовые соединители ко всем системным ресурсам изделий. В качестве вычислительного ядра корабельно-торпедной системы использовалась ПЭВМ, установленная на корабле и подключенная к бортовым системам изделий по информационным каналам через бортовые соединители. В проводимом дуэльном эксперименте было очень важно обеспечить движение изделий в единой системе координат и в едином времени, в то время как опытовый корабль не имел необходимой для проведения эксперимента навигационно-управляющей системы. Задача была решена путем конфигурирования на информационном уровне корабельной навигационноуправляющей системы из ресурсов бортовых систем изделий и корабельной ПЭВМ непосредственно перед пуском. Сначала временно созданная система подготовила необходимые для пуска данные. Затем она была переконфигурирована в пусковую систему, в которую были введены полученные пусковые данные, и которая обеспечила проведение пусков антиторпеды и торпеды-цели по необходимой для осуществления дуэли программе. Отечественные бортовые системы, создаваемые по технологии БИСУ, испытывались в 1999 году и позднее [Л5.3]. Они подтвердили высокие технические характеристики БИСУ, удобство экспериментальной отработки, эффективность выявления узких мест, оперативность обнаружения и исправления ошибок. В настоящее время технология БИСУ применяется для разработки большинства перспективных отечественных торпед. Концепция этой технологии, излагаемая в настоящем разделе, разрабатывалась на основе анализа динамики развития торпедных БСУ и современных тенденций развития элементного базиса. 5 Анализ эволюции БСУ на этапе бортовых интегрированных систем управления (БИСУ) (конец 1990-х – начало 2000 годов) 42 5.1 Историческая справка В рассматриваемый период происходит модернизация и разработка сравнительно небольшой номенклатуры новых торпед. Причем при разработке всех современных торпед бортовые системы изменяются кардинально, в то время как их корпусномеханическая часть, как правило, лишь модернизируется. Примером может служить поиск путей развития торпедного оружия США, приведший к созданию торпеды МК54 калибра 324мм [Л5.1], пришедшей на замену самой массовой торпеды МК46. Первоначально торпеду МК46 предполагалось заменить торпедой МК50 с новым энерго-движительным комплексом и цифровой бортовой системой, но данный проект не был реализован из-за большой стоимости торпеды. Тогда и было принято решение создать торпеду МК54 на базе энерго-движительного комплекса торпеды МК46, обновив лишь БСУ. Бортовая вычислительная система торпеды МК 54 содержит 24 сигнальных микропроцессора класса TMS 320C40, что обеспечивает трехкратное увеличение вычислительных ресурсов по сравнению с ресурсами современной “интеллектуальной” цифровой торпеды МК48 мод.6. Функциональная направленность развития БСУ при этом состоит в комплексировании навигационных и акустических информационных потоков с целью более эффективного решения задач распознавания цели и оптимизации траектории торпеды вблизи нее. Заметим, что характерной структурной особенностью современных торпедных БСУ является развитие в них вторичных подсистем, которые черпают подлежащую в них обработке (комплексированию) информацию не с измерительных датчиков (как первичные подсистемы), а с выхода первичных подсистем. Во второй половине 1990-х годов интенсивно развивается концепция интеграции всех бортовых систем в единую систему. Известны работы, в которых интеграция охватывает не только бортовые торпедные, но и корабельные системы, которые объединяются в единую корабельно-торпедную систему с изменяющейся в процессе подготовки и выполнения боевой задачи структурой. Так, осенью 1996 и весной 1998 годов [Л5.2] в акватории города Феодосии были проведены морские испытания экспериментального образца первой отечественной антиторпеды разработки ГНПП “Регион”, в которых имитировалась дуэль между торпедой-целью и антиторпедой. Бортовые системы антиторпеды и торпеды-цели были разработаны по технологии бортовых интегрированных систем управления (БИСУ), обеспечивающих на борту этих изделий единое информационное пространство и информационный доступ через бортовые соединители ко всем системным ресурсам изделий. В качестве вычислительного ядра корабельно-торпедной системы использовалась ПЭВМ, установленная на корабле и подключенная к бортовым системам изделий по информационным каналам через бортовые соединители. В проводимом дуэльном эксперименте было очень важно обеспечить движение изделий в единой системе координат и в едином времени, в то время как опытовый корабль не имел необходимой для проведения эксперимента навигационно-управляющей системы. Задача была решена путем конфигурирования на информационном уровне корабельной навигационно-управляющей системы из ресурсов бортовых систем изделий и корабельной ПЭВМ непосредственно перед пуском. Сначала временно созданная система подготовила необходимые для пуска данные. Затем она была переконфигурирована в пусковую систему, в которую были введены полученные пусковые данные, и которая обеспечила проведение пусков антиторпеды и торпеды-цели по необходимой для осуществления дуэли программе. Отечественные бортовые системы, создаваемые по технологии БИСУ, испытывались в 1999 году и позднее [Л5.3]. Они подтвердили высокие технические характеристики БИСУ, удобство экспериментальной отработки, эффективность выявления узких мест, оперативность обнаружения и исправления ошибок. В настоящее время технология БИСУ применяется для разработки большинства перспективных отечественных торпед. Концепция этой технологии, излагаемая в настоящем разделе, 43 разрабатывалась на основе анализа динамики развития торпедных БСУ и современных тенденций развития элементного базиса. 5.2 Разработка архитектуры современной БСУ на основе анализа ее эволюции В разделе 4 (4.4 п.7) отмечалось, что электронным цифровым БСУ присуще архитектурное противоречие, связанное с наследованием специализированных межсистемных связей от электронных аналоговых БСУ. Современная микропроцессорная электроника позволяет специфику этих связей учесть в памяти инструкций, а сами связи заменить универсальными информационными коммуникациями, что является гармоничным распространением архитектуры электронного цифрового решающего устройства на системный уровень. Проявление лояльности разработчиков к упомянутому противоречию можно объяснить сложившимися традициями по декомпозиции БСУ, предполагающими применение функционально-конструктивных методов, а также несовершенством (в то время) элементного базиса для решения подобных задач. Специализированные межсистемные связи обеспечивают четко регламентированные границы между подсистемами БСУ, что и предполагает применение функциональноконструктивных методов декомпозиции. Универсальные информационные коммуникации, напротив, объединяют решающие устройства всех подсистем БСУ в единую вычислительную сеть, что, с одной стороны, “размывает” границы между подсистемами БСУ, перенося их значительную часть в информационное сетевое пространство, а с другой стороны, требует освоение разработчиками новых, на то время, нетрадиционных подходов к разработке объединяемых в вычислительную сеть решающих устройств. Если не связывать разрабатываемый с традиционным подходом к декомпозиции БСУ, предполагающим применение функционально-конструктивного метода декомпозиции, и учесть современные достижения элементного базиса, то, основываясь на результатах проведенного в разделах 2…4 анализа, можно предложить следующую концепцию формирования архитектуры современной БСУ. Центральное место при формировании архитектуры современных БСУ занимают решающие устройства. Их архитектура определяет множество потенциальных архитектурных решений на системном уровне. Наиболее предпочтительной является архитектура системы, полученная распространением архитектурных решений решающего устройства на системный уровень, т. к. архитектура системной надстройки, в этом случае, является расширением архитектуры решающего устройства и не снижает потенциал его функциональности (в частности, свойство гибкости), а наследует его. Определим сначала архитектуру современного бортового решающего устройства, основываясь на современных достижений элементного базиса и на анализе динамики архитектуры его предшественников на всем интервале развития БСУ. Затем распространим его архитектурные решения на системный уровень. Архитектурные схемы электронных аналоговых и цифровых решающих устройств (рисунки 3.9 и 4.6) фиксируют принципиальные архитектурные решения, являющиеся реакцией на скачкообразное развитие элементного базиса, выработанной эволюционным фильтром в процессе их развития в результате рационального выбора из многообразия всевозможных вариантов. Эти схемы отражают динамику механизмов обеспечения гибкости через придание группе элементов решающего устройства свойства универсальности. Так на этапе электронных аналоговых БСУ свойство универсальности решающего устройства (рисунок 3.9) проявлялось лишь на уровне несвязанных между собой унифицированных элементов – операционных усилителей. Элементы системы связей на всех уровнях были специализированными и жестко фиксировали в себе электронный аналог информационной составляющей БСУ. Т.е. информационная 44 составляющая “растворялась” в пространстве всего решающего устройства. По этой причине свойство гибкости могло быть обеспечено лишь технологичностью конструктивного доступа к заранее предусмотренным компонентам, и то, - в крайне ограниченном объеме. На этапе электронных цифровых БСУ на смену унифицированных элементов решающего устройства (рисунок 4.6) пришли универсальные элементы – процессор, оперативная память и универсальные информационные коммуникации. Универсальность при соответствующей функциональности этого крайне ограниченного и фиксированного числа элементов позволила трансформировать пространственный электронный аналог информационной составляющей БСУ, реализуемый в электронном аналоговом решающем устройстве, в последовательность выполнения посредством этих универсальных элементов заранее запрограммированных инструкций. Т.е. информационная составляющая сконцентрировалась во внешней по отношению к этим универсальным элементам памяти инструкций, носитель которой занимает (относительно габаритов решающего устройства) малые объемы. В результате, благодаря увеличению доли универсальных компонентов решающего устройства и концентрации информационной составляющей в малых объемах (микросхемах памяти), решения по обеспечению свойства гибкости данного класса БСУ оказываются существенно технологичней, чем для класса электронных аналоговых БСУ. Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы. В процессе развития доля универсальных элементов решающего устройства растет, причем их функциональность ориентирована на уменьшение доли специализированных элементов, основными представителями которых являются носители информационной составляющей, что приводит к процессу концентрации информационной составляющей в малых объемах, несущественных по сравнению с габаритами всего решающего устройства. В результате информационная плотность, информационный потенциал и степень гибкости решающего устройства возрастают. С момента преодоления субмикронными технологиями рубежа норм проектирования 0,6…0,8 мкм элементный базис предоставляет широкий выбор базовых элементов для создания современных бортовых решающих устройств. Это - сигнальные микропроцессоры со стандартным набором интерфейсов, позволяющих осуществлять скоростной информационный обмен между компонентами и самими решающими устройствами, электрически перепрограммируемые энергонезависимые элементы памяти, системы на кристалле, включающие в себя мощное перепрограммируемое микропроцессорное ядро, аналого-цифровые, цифро-аналоговые преобразователи, стандартные интерфейсы ввода-вывода и пр. На основе результатов проведенного анализа и с учетом современных достижений элементного базиса архитектурную схему современного решающего устройства, отражающую изменение потенциала универсальности, можно представить в виде схемы (рисунок 5.1). 45 Уровень внешней по отношению к решающему устройству аппаратуры Память инструкций Уровень устройств (высокая степень универсальности) Уровень элементов подуровень специализированных элементов подуровень универсальных элементов (высокая степень универсальности) Решающее устройство Микропро цессор Оперативная память инструкций и данных Перепрограмм ируемая память инструкций Энергонезави симая регистрирую щая память Стандартные интерфейсы ввода-вывода Рисунок 5.1 Архитектурная схема, отражающая изменение потенциала универсальности современного электронного цифрового решающего устройства На архитектурной схеме: - данное решающее устройство включает в себя только универсальные компоненты и коммуникации (этот качественный скачок стал возможным с появлением в элементном базисе высоконадежных микросхем перепрограммируемой энергонезависимой памяти и микросхем стандартных интерфейсов для удаленной высокоскоростной передачи информации), - к минимуму сведена доля специализированных компонентов (к носителю памяти инструкций), - носитель памяти инструкций вынесен во внешнюю по отношению к решающему устройству аппаратуру. Основные отличия современного бортового решающего устройства от его прототипа, используемого на этапе электронных цифровых БСУ, состоят в следующем. Первое, место жесткого (неперепрограммируемого) носителя памяти инструкций заняли микросхемы энергонезависимой электрически перепрограммируемой памяти, загружаемые с внешней аппаратуры, включающей в себя жесткий носитель памяти инструкций. В процессе нормального функционирования решающего устройства память инструкций хранится в микросхемах оперативной памяти инструкций и данных, предварительно загружаемой из внешней аппаратуры, либо из внутренней перепрограммируемой памяти инструкций. Перепрограммируемая память инструкций помимо временного (до очередного перепрограммирования) хранения инструкций, используется для обеспечения “живучести” БСУ в случае сбоев при боевом ее применении. При сбоях в режиме автономного функционирования БСУ оперативная память инструкций и данных перезагружается с перепрограммируемой памяти инструкций. Отметим, что в отличие от своих предшествующих образцов, в которых свойство гибкости обеспечивалось технологичностью конструктивных решений, в данном решающем устройстве осуществляется архитектурная поддержка свойства гибкости, т.е. его информационная составляющая может быть изменена во внешней по отношению к нему аппаратуре, без воздействия на его конструкцию. Второе, вместо используемых ранее в решающих устройствах нестандартных (специализированных) элементов ввода-вывода, в данном решающем устройстве применены стандартные интерфейсные элементы ввода-вывода информации, обеспечивающие скоростной информационный обмен между решающими устройствами. Третье, еще одной отличительной особенностью данного решающего устройства является возможность регистрации всех входящих в него и выходящих из него 46 информационных потоков данных, благодаря введению в его структуру дополнительного компонента - энергонезависимой регистрирующей памяти. Воспроизведение с использованием данной памяти экспериментальной информации в лабораторных условиях позволяет воссоздавать работу решающего устройства, адекватную его функционированию в составе БСУ на испытаниях всех видов, что способствует повышению качества анализа функционирования системы. Такое решение дает возможность также отказаться от автономной бортовой системы измерений, требование независимости которой от других подсистем БСУ было ранее продиктовано традицией применения функционально-конструктивного метода декомпозиции. Универсальные информационные коммуникации и система интерфейсов вводавывода информации современных бортовых решающих устройств позволяют объединить их в вычислительную сеть (рисунок 5.2) с общей памятью инструкций, вынесенной во внешнюю по отношению к вычислительной сети аппаратуру. Уровень внешней по отношению к вычислительной сети аппаратуры Память инструкций Уровень систем (высокая степень универсальности) Уровень устройств (высокая степень универсальности) Вычислительная сеть Решающее устройство 1 ... Решающее устройство N Рисунок 5.2 Архитектурная схема, отражающая изменение потенциала универсальности современной бортовой вычислительной сети В вычислительной сети при обеспечении ее должными информационными коммуникациями можно образовать информационное пространство, единое для всех подсистем БСУ, в котором становится возможным реализация, так называемых, интегрированных алгоритмов, основанных на объединении информационных потоков разных измерительных систем и датчиков. По этой причине БСУ, в основе которой используется вычислительная сеть с единым информационным пространством, здесь и далее будем называть бортовой интегрированной системой управления (БИСУ). Распространение на системный уровень (рисунок 5.3) архитектурных решений решающего устройства и вычислительной сети БИСУ (ВС БИСУ) позволяет полностью отказаться от специализированной системы связей. Напомним, что в ближайшем прототипе БИСУ – электронных цифровых БСУ на системном уровне сохранилась специализированная система связей, являющаяся носителем определенной доли информационной составляющей БСУ. В БИСУ все информационные коммуникации носят универсальный характер и предназначены для информационного обмена абонентов (вычислительных компонентов) вычислительной сети между собой и связи их с внешней аппаратурой. В этих информационных коммуникациях может циркулировать информация с разным смысловым наполнением, зависящим от решаемой в конкретный момент задачи. Информация может представлять собой команды, адреса, параметры обрабатываемых сигналов, и пр. 47 Регистратор Вычислительная сеть БИСУ Регистратор ИИТ ИИТ УС … УС Датчик (ИМ) … Датчик (ИМ) Рисунок 5.3 Обобщенная архитектурная схема физического уровня БИСУ К внешней аппаратуре БИСУ, архитектурная схема физического уровня которой приведена на рисунке 5.3, декомпозирована на ВС БИСУ и измерительно-исполнительные тракты (ИИТ), состоящие из устройств согласования УС и датчиков, либо исполнительных механизмов ИМ. Причем в основе устройств согласования лежат микропроцессорные элементы, придающие ИИТ свойство гибкости и возможность подключения к ВС БИСУ через используемые в ней стандартные интерфейсы. Сама ВС БИСУ подключается к внешней аппаратуре также через стандартный, принятый в системах корабля для информационного обмена с торпедой, интерфейс. Определяющей характеристикой архитектуры системы является ее эволюционная стабильность (нечувствительность архитектуры к эволюции элементного базиса на достаточно протяженном интервале времени). Определяющей эта характеристика является, поскольку архитектура системы определяет концепцию проектирования, разработки, экспериментальной отработки, изготовления и эксплуатации системы, как следствие - инфраструктуру ее создания и эксплуатации, являющуюся громоздким, дорогостоящим и инерционным звеном, реализация которого после затратных проб и ошибок может быть отвергнута фильтром эволюции из-за архитектурного несовершенства системы. Если не налагать жестких ограничений на тип применяемых в БИСУ интерфейсов (развитие которых в настоящее время очень динамично) и жестко ограничить перечень предъявляемых к ВС БИСУ и ИИТ архитектурных требований, то предлагаемая архитектура представляется эволюционно стабильной. Ограничим архитектурные требования к ВС БИСУ и ИИТ следующим перечнем. 1 ВС БИСУ должна располагать единым информационным пространством. Выполнение данного требования отрицает применение специализированной вычислительной сети, физические связи между вычислительными компонентами которой определяются реализуемым в ней конкретным алгоритмом, и предполагает применение универсальной вычислительной сети. ВС БИСУ позволяет обеспечить: - независимость физического и информационного уровней БИСУ (цель – обеспечение возможности эффективного применения принципа декомпозициисубоптимизации при создании сложной технической системы, каковой является ВС БИСУ), - разбиение БИСУ на подсистемы и организацию связей между ними на информационном уровне БИСУ (цель – концентрация проблемных задач в информационном пространстве, позволяющим осуществлять на этапе экспериментальной 48 отработки БИСУ и торпеды исправление ошибок проектирования с малыми затратами, в том числе ошибок, связанных с декомпозицией информационной составляющей БИСУ, что практически не снижает эффективности применения принципа декомпозициисубоптимизации, несмотря на зависимость между собой декомпозируемых информационных компонентов информационной составляющей БИСУ). 2 ВС БИСУ должна иметь согласованный с пусковой аппаратурой корабля интерфейс, позволяющий осуществлять в составе торпеды помимо информационного обмена данными с кораблем многократную запись и перезапись в энергозависимые и энергонезависимые носители памяти программного обеспечения, загружаемого с внешней по отношению к торпеде аппаратуры. Выполнение данного требования необходимо для обеспечения: - гибкости и модернизируемости БИСУ (цель – обеспечение в рамках располагаемого информационного потенциала БИСУ возможности малозатратного исправления ошибок проектирования на этапе экспериментальной отработки БИСУ и торпеды, и осуществления малозатратной модернизации на этапе эксплуатации торпеды), - высокой степени контролепригодности торпеды благодаря применению подхода, основанного на локальном тестировании и диагностики неисправностей каждого элементарного (неделимого и программно доступного) компонента аппаратуры БИСУ, требующего осуществления многократной (без запоминания в энергонезависимых элементах памяти ВС БИСУ) перезагрузки ВС БИСУ локальными и комплексными тестами (цель – увеличение вероятности безотказного функционирования БИСУ в режиме боевого применения торпеды). 3 ВС БИСУ должна обеспечивать регистрацию всех входных в нее и выходных из нее информационных потоков. Выполнение данного требования позволяет осуществлять: - анализ результатов функционирования ВС БИСУ, полученных на морских испытаниях, путем воспроизведения функционирования ВС БИСУ в лабораторных условиях, адекватных условиям морских испытаний, как в реальном, так и произвольном масштабах времени, - уточнение с использованием зарегистрированных экспериментальных данных математических моделей функционирования торпеды и ее систем, а также проверку адекватности этих моделей реальности. 4 ИИТ должен разрабатываться на микроконтроллерной основе (системе на кристалле), позволяющей осуществлять многократное ее перепрограммирование. Выполнение этого требования позволяет обеспечить: - независимость физического и информационного уровней ИИТ (цель – обеспечение возможности эффективного применения принципа декомпозициисубоптимизации при создании сложных ИИТ), - выполнение необходимых условий для реализации свойств гибкости и модернизируемости ИИТ. 5 Устройство согласование ИИТ должно обеспечивать встроенный контроль датчика (исполнительного механизма). Выполнение этого требование позволяет создать необходимые условия для обеспечения должной глубины контроля (цель - обеспечение заданного уровня вероятности безотказного функционирования ИИТ в режиме его боевого применения). 6 ИИТ должна иметь согласованный с ВС БИСУ интерфейс, позволяющий осуществлять помимо информационного обмена данными с ВС БИСУ многократную запись и перезапись в энергозависимые и энергонезависимые носители памяти микроконтроллера ИИТ программного обеспечения, загружаемого с внешней по отношению к ИИТ аппаратуры. Выполнение этого требования позволяет обеспечить: - гибкость и модернизируемость ИИТ (цель – обеспечение в рамках располагаемого информационного потенциала ИИТ возможности малозатратного исправления ошибок проектирования на этапе его экспериментальной отработки 49 автономно и в составе торпеды, и осуществления малозатратной модернизации на этапе эксплуатации торпеды), - высокую степень контролепригодности ИИТ благодаря возможности его дистанционного тестирования через ВС БИСУ в составе торпеды (цель – обеспечение заданного уровня вероятности безотказного функционирования ИИТ в режиме боевого применения торпеды). Предлагаемые архитектурные решения позволяют вести независимую разработку и экспериментальную отработку ВС БИСУ и ИИТ. Подходы к экспериментальной отработке ИИТ определяются в основном спецификой применяемых в них датчиков (исполнительных механизмов), возможностями имитации физической среды их функционирования и сигналов, располагаемыми математическими моделями. Несмотря на сложность некоторых трактов, например, акустического тракта дальней зоны, они могут пройти полный цикл экспериментальной отработки в рамках наземных лабораторно-стендовых испытаний. Это реально, поскольку практически во всех случаях наземной отработки удается осуществить механический, электрический и информационный доступы ко всем элементам ИИТ, сформировать все необходимые тесты и провести все необходимые измерения. В общем случае для осуществления экспериментальной отработки ИИТ применяются стенды (рисунок 5.4), в основе которых лежат имитатор соответствующего конкретному ИИТ физического поля и сигналов, и имитатор информационного взаимодействия с ВС БИСУ. Применение в ИИТ стандартного интерфейса позволяет осуществить разработку имитатора информационного взаимодействия с ВС БИСУ с малыми затратами, сведя ее к комплексированию аппаратной части и большой доли программного обеспечения из стандартных компонентов и к созданию оригинальной части имитатора в виде программного продукта, соответствующего специфике конкретного ИИТ. ИИТ Имитатор физического поля и сигналов Датчик (ИМ) УС Имитатор на базе ПК с адаптером интерфейса ИИТ Рисунок 5.4 Обобщенная архитектурная схема стенда экспериментальной отработки ИИТ При экспериментальной отработке ВС БИСУ могут быть использованы информационные имитаторы ИИТ (рисунок 5.5), подключаемые через соответствующие адаптеры, как и сама ВС БИСУ, к персональному компьютеру. Весь цикл экспериментальной отработки физического уровня ВС БИСУ может быть осуществлен в лабораторных условиях. Его реализация зависит лишь от эксплуатационных требований и не зависит от специфики функционирования внешних по отношению к ВС БИСУ систем. Напротив, качество экспериментальной отработки информационной составляющей ВС БИСУ, в которой реализуются все алгоритмы функционирования торпеды в составе надсистемы “корабль-торпеда-цель”, зависит от специфики функционирования внешних по отношению к ВС БИСУ систем, прежде всего, динамики и акустики надсистемы. 50 Регистратор УС Вычислительная сеть БИСУ … Регистратор УС Компьютер Компьютер Память инструкций Рисунок 5.5 Обобщенная архитектурная схема стенда полунатурного моделирования функционирования БИСУ Задачи уточнения и подтверждения адекватности моделей этих надсистем реальности представляются наиболее сложными, поскольку их решение предполагает проведение и получение экспериментальных данных морских испытаний торпеды, условия проведения которых в максимальной степени должны быть приближены к условиям функционирования надсистемы “корабль-торпеда-цель”. В данном случае морским испытаниям альтернативы нет, поэтому архитектурные решения и требования к ВС БИСУ (пункты 1…3 настоящего раздела), ориентированные на снижение затрат на разработку и экспериментальную отработку современной БСУ и диктуемые ее надсистемой РЭСТ, являются принципиальными и актуальными. 5.3 Разработка структуры БИСУ на основе ее архитектуры и архитектурно-структурного задела, наработанного в процессе эволюции БСУ Структурная схема БСУ предполагает учет конструктивных особенностей торпеды при декомпозиции ее физического уровня на блоки и устройства. Архитектурная схема БСУ может быть разработана без привязки к конструкции торпеды. Поэтому, предварим разработку структурной схемы БИСУ разработкой архитектурной схемы, используя обобщенную архитектурную схему физического уровня БИСУ (рисунок 5.3) и основываясь на анализе современного состояния структур надсистем “корабль-торпедацель”, эволюции торпед и РЭСТ. Анализ современного состояния надсистемы “корабль-торпеда-цель” показывает, что качественные изменения элементного базиса в части субмикронных и информационных технологий привели к усложнению надсистемы не только из-за увеличения одновременно применяемых целью числа средств ГПД (рисунок 5.6), но и изза искажения акустического поля посредством увеличения эффекта каждого из применяемых средств ГПД. Усложнение задачи распознавания торпедой цели на фоне помех очередной раз привело к снижению эффективной дальности стрельбы торпеды. В результате, направленность совершенствования основной составляющей функциональности БСУ, диктуемая ее надсистемой “корабль-торпеда-цель”, на данном этапе развития (по сравнению с предыдущими этапами) не изменилась, но требования к выделению цели на фоне генерируемых средствами ГПД помех резко ужесточились. 51 Атакующий корабль Акустический канал “атакующий корабль-цель” Канал ТУ Торпеда Цель Акустический канал “торпеда-цель” Акустический канал ЦО1 Акустический канал ЦО2 Акустический канал ЦО… Акустический канал ЦОN Целеподобный объект 1 (ЦО1) Целеподобный объект 2 (ЦО2) Целеподобный объект … Целеподобный объект N (ЦОN) Рисунок 5.6 Структурная схема надсистемы современной БСУ “корабль-торпеда-цель” Структура надсистемы БСУ эволюции торпед (рисунок 3.4), обусловливающая требования к динамичности системы РЭСТ, сохранилась, но динамика ее изменилась. Реализации торпедных БСУ и средств ГПД уже на этапах аналоговых и цифровых электронных БСУ основывались на едином элементном базисе, взаимно обусловливая процесс противостояния БСУ и средств ГПД, динамичность которого диктовалась характером эволюции этого элементного базиса. Дальнейшее его бурное развитие и широкое применение информационных технологий привели к тому, что скорость развития элементного базиса стала сначала соизмеримой, а в настоящее время - выше скорости разработки БСУ. Это привело к устареванию элементной базы еще до завершения разработки БСУ. В результате, актуальной стала проблема физической реализуемости БСУ с эволюционно стабильной эффективностью, т.е. создания такой БСУ, применение которой позволит с требуемой динамикой поддерживать высокий уровень боевой эффективности в условиях противостояния постоянно совершенствующимся средствам ГПД. Решение этой проблемы состоит в придании современной БСУ высокого модернизационного потенциала, позволяющего быстро и адекватно реагировать на совершенствование средств ГПД и тактику их применения. Такой потенциал должен быть заложен в структуре системы РЭСТ и архитектурных решениях БИСУ (требования пунктов 1…3 раздела 5.2). Заметим, что по мере развития БСУ, поле для реализации данного потенциала сужается, и все больше смещается в область информационного уровня БСУ, так как резервы качественного улучшения функциональности за счет расширения физического уровня БСУ практически исчерпаны. Причиной тому является отсутствие резервов в расширении номенклатуры физических полей, применяемых в контуре самонаведения БСУ. Физические поля кроме акустического, которые в обозримом будущем могли бы быть применены в ССН для увеличения их обнаруженческого потенциала, отсутствуют. Т.е. необходимо признать, что в настоящее время возможности расширения номенклатуры измерительных систем БСУ для обнаружения корабля-цели исчерпаны. Природа же акустического контура самонаведения, основанная на озвучивании пространства возможного положения целей, измерении параметров акустических волн, отраженных от неоднородностей этого пространства, и обработке измерений, 52 ориентированной на обнаружение и классификацию неоднородностей для идентификации цели, наряду с уникальными информационными возможностями обладает слабой стороной. Ее слабой стороной является протяженность акустического канала и невозможность обеспечения его обособленности (защиты) от воздействия естественных и организованных противником помех. Увеличению обнаруженческого потенциала способствует увеличение апертуры акустических антенн. В рамках существующих акустических систем физическое увеличение апертуры антенных решеток наталкивается на ограничение калибра торпеды, а с внедрением на этапе электронных цифровых БСУ полнозаполненных антенных решеток, уже практически исчерпаны резервы совершенствования антенн ССН. Теоретический задел по дальнейшему качественному увеличению обнаруженческого потенциала ССН связан с внедрением, так называемых, синтезированных апертур, реализуемых на информационном уровне путем построения специальных алгоритмов. Эти алгоритмы основаны на синтезе “виртуальной” апертуры из запомненных в разные моменты времени положений антенны в единой системе координат и строятся на объединении акустического и навигационного информационных потоков. Реализация подобных алгоритмов стала возможна лишь при наличии в решающем устройстве запоминающих устройств и информационных коммуникаций, позволяющих объединять информационные потоки разных измерительных систем. Именно эта новая архитектурная возможность решающего устройства БИСУ открывает путь к реализации нового широкого спектра алгоритмов, основанных на комплексировании с накоплением информации и физически не реализуемых в электронных аналоговых и цифровых БСУ. В частности, возможность запоминания информации об акустических неоднородностях в разные моменты времени, но в единой системе координат, позволяет синтезировать из них информационные объекты, характеризуемые не только традиционными акустическими признаками (оценкой Доплеровской скорости, эквивалентным радиусом, протяженностью цели и пр.), но и поведенческими признаками (линейной и угловой скоростью, ускорением цели и пр.). Эти признаки можно дополнить данными еще одного независимого измерительного тракта о напряженности магнитного поля вблизи цели. Расширение размерности полученных таким образом информационных объектов позволяет более достоверно выделять цель на фоне организованных помех, и качественно влиять на функциональность БСУ. Применение ранее класса алгоритмов комплексирования с накоплением было крайне затруднено из-за архитектурных ограничений БСУ и ограничений, налагаемых элементной базой. В настоящее время, в рамках нерасширяющейся номенклатуры измерительных систем, внедрение алгоритмов данного класса является практически единственным эффективным средством дальнейшего совершенствования основной составляющей функциональности и повышения эффективности БСУ. Основываясь на обобщенной архитектурной схеме (рисунок 5.3), текущем состоянии элементного базиса и архитектурном заделе, накопленном на предшествующих этапах данному этапу, архитектуру БИСУ можно представить в виде архитектурных схем (рисунки 5.7 и 5.8). 53 Физическ ая основа устройст в Цифрова я (микропр оцессорн ая) и аналогов ая электрон ика Электроме ханически е, пъезоэлект рические и пр. устройства И з м е р и т е л ь н о – и с п о л н и т е л ь н ы е Тракты управления движением торпеды Тракт вводавывода инф-ции Тракт ТУ Тракты ССН ПЛ и НК ВС УС Блок инерциальн ых чувтвительн ых элементов Инерциальное и гравитационн ое поля УС УС Датчики давления Ph и Pq Рули и рулевые машинки Рв, Рн, Рпр, Рл Поле скоростей и давлений УС Бортово й соедини тель УС УВВ данных ТУ Информационное поле Ф и з и ч е с к и е Тракты неконтактного датчика цели (ДЦ) т р а к т ы Тракт подрыва БЗО Тракт бортовой автоматики Тракт измерений ЭДК Вычислите льная сеть БИСУ БИСУ УС Акустиче ские антенны ПЛ и НК УС Антенны акустиче ского ДЦ Акустическое поле п о л я Тип устройств УС Антенны электром агнитног о (магнитн ого) ДЦ УС ПИМ и система датчиков ПИМ Электромагни Номенклатура тное полей из (магнитное) названных поле ранее УС Датчики и исполнител ьные реле системы автоматики УС Устройства согласован ия Датчики и Датчики ЭДК исполните льные механизм ы Номенклатура Номенклатура полей из полей из названных названных ранее ранее Рисунок 5.7 Архитектурная схема физического уровня БИСУ На рисунке: Ph – давление на глубине хода торпеды, Pq – давление скоростного напора, Рв, Рн, Рпр, Рл – верхний, нижний, правый и левый рули соответственно, УВВ – устройства ввода-вывода, ССН – система самонаведения, ТУ – телеуправление, ПЛ – подводная лодка, НК – надводный корабль, ДЦ – датчик цели, ПИМ – предохранительно-исполнительный механизм, УС – устройство согласования, БЗО – боевое зарядное отделение, ЭДК – энерго-движительный комплекс. На схеме, отображенной на рисунке 5.7, знак окружности в правом верхнем углу прямоугольников означает, что архитектура отображаемых этими прямоугольниками физических устройств – двухуровневая, т.е. содержит информационный уровень, который раскрывается в схеме (рисунок 5.8). Номенклатура физических полей, с которыми взаимодействует БИСУ, та же, что и номенклатура физических полей, с которыми взаимодействует ближайший прототип БИСУ - электронная цифровая БСУ. Это означает, что развитие “вширь” нижнего слоя БСУ приостановилось, его развитие сводится лишь к локальному совершенствованию датчиков и исполнительных механизмов. Качественно изменился слой устройств согласования, у которого появился информационный архитектурный уровень. Наибольшие изменения (относительно прототипа) претерпели слои решающих устройств и кабельной сети, которые объединились в единую для всей БИСУ вычислительную сеть. Поскольку декомпозиция БИСУ на подсистемы осуществляется на информационном архитектурном уровне, поля подсистем физического архитектурного уровня БИСУ трансформировались в измерительно-исполнительные тракты. Это позволило существенно сместить нагрузку по обеспечению независимости декомпозированных компонентов БИСУ в область ее информационного уровня, обеспечив тем самым в практическом смысле независимость между собой ее физических компонентов. Отметим также, что в физическую основу устройств БИСУ все в большей степени внедряется микропроцессорная электроника, вытесняя аналоговую электронику и электромеханику, характерную для физической основы прототипов БИСУ. На рисунке 5.8 представлен вариант архитектурной схемы информационного уровня БИСУ. Она поглощает все архитектурные решения архитектурной схемы информационного уровня электронных цифровых БСУ (рисунок 4.5). Тем самым в рамках инфраструктуры БИСУ обеспечиваются все необходимые условия для использования теоретического и алгоритмического заделов, наработанных на этапе электронных цифровых БСУ. 54 Языко вая основа блока Тип блоко в Язык ВУ Язык ВУ БВ 22 БВ 21 Язык ВУ Язык ВУ, либо НУ БВ 3-го уровня интеграции БВ 31 БВ 23 БВ 2-го уровня интеграции БВ 24 БВ 11 БВ 1-го уровня интеграции БВ 12 БВ 01 БВ 02 БВ 03 БВ 04 БВ 05 БИЧЭ Д Ph, Д Pq РМ БС С ТУ БВ 06 Ан ПЛ, КС БВ 07 БВ 08 БВ 09 БВ 010 БВ 011 Ан АДЦ Ан МДЦ Д ПИМ Д СБА Д ЭДК Драйверы, БВ 0-го уровня интеграции Датчики, устройства и исполнительные механизмы, осуществляющие информационную связь и взаимодействие с внешней средой функционирующие с соответствующими информационными потоками Рисунок 5. 8 Архитектурная схема информационного уровня БИСУ На рисунке: БВ – блок вычислительный. Язык ВУ – язык высокого уровня. Язык НУ – язык низкого уровня. БИЧЭ – блок инерциальных чувствительных элементов. Д Ph, Д Pq –датчики глубины и скоростного напора соответственно. РМ – рулевые машинки. БС – бортовой соединитель. С ТУ – соединитель с каналом телеуправления. Ан Пл, КС, Ан АДЦ, Ан МДЦ – антенны Пл-канала, КС-канала, акустического датчика цели и магнитного (электромагнитного) датчика цели соответственно. Д ПИМ, Д СБА, Д ЭДК – датчики предварительно-исполнительного механизма, системы бортовой автоматики, энерго-движительного комплекса соответственно. На архитектурной схеме (рисунок 5.8) в нижнем слое, на 0-м уровне интеграции, размещены драйверы, решающие задачу информационного сопряжения потоков данных, входных в и выходных из ВС БИСУ, с потоками данных, циркулирующих в ВС БИСУ, в соответствии с принятыми форматами, структурой и динамическими диапазонами данных единого информационного пространства ВС БИСУ. В соответствии с предложенной в разделе 3.3 классификации данный слой можно отнести к декомпозирующему архитектурному слою. Заметим также, что 0-ой уровень интеграции реализуется в микроконтроллерах устройств согласования, которые не входят в состав ВС БИСУ, поскольку они не отвечают в полной мере архитектурным требованиям п. 1…3 раздела 5.2. Однако эти микроконтроллеры сопрягаются с ВС БИСУ посредством стандартных интерфейсов (требование 6 раздела 5.2), и могут не только обмениваться через них данными, но и перепрограммироваться. Это обстоятельство позволяет рассматривать микроконтроллеры устройств согласования как расширение ВС БИСУ с ограниченными системным потенциалом, а объединение ВС БИСУ и микроконтроллеров устройств согласования – как расширенную ВС БИСУ (РВС БИСУ). Вычислительные блоки 1-го уровня интеграции осуществляют обработку информационных потоков, поступающих с выходов драйверов. Как правило, блоки 1-го уровня интеграции реализуют алгоритмы комплексирования измерений разных датчиков с целью повышения достоверности оцениваемых по результатам измерений параметров, используемых в алгоритмах более высокого уровня интеграции. Так блок БВ11 реализует алгоритмы ориентации и навигации торпеды, в котором результаты решения задачи инерциальной навигации корректируются по измерениям датчиков глубины и скорости хода торпеды. Блок БВ12 обслуживает датчики и исполнительные элементы разового применения (например, пиропатроны) предварительно-исполнительного механизма, системы бортовой автоматики и энерго-движительного комплекса, не допускающих 55 подачу на них ложных команд. Специфичным для данного блока, поэтому, является решение проблемы обеспечения алгоритмической надежности выдачи команд, в том числе, при сбоях в работе вычислительных компонентов и сбоях в передаче данных по информационным коммуникациям. Решение данной проблемы предполагает информационную избыточность, прежде всего, измерительной информации, полученной из разных источников сигналов, комплексирование которой позволяет выявить сбои и принять адекватные меры. Вычислительные блоки 2-го уровня интеграции работают на объединении информационных потоков 1-го и других (0-го и 3-го) уровней интеграции. Блок БВ21 вырабатывает информационные потоки для управления рулевыми машинками, реализуя алгоритм управления угловым движением торпеды на основе измерений ее положения и управляющих сигналов, вырабатываемых блоком более высокого уровня интеграции БВ31. Блоки БВ22, БВ23, БВ24 корректируют измерения акустических и магнитной (электромагнитной) измерительных систем по навигационной информации, учитывая угловое положение и скорость хода торпеды, а также вырабатывают команды на излучение акустических (электромагнитных) зондирующих посылок с учетом этой информации. Вычислительный блок БВ31, обрабатывая совместно навигационный, акустический, магнитный (электромагнитный) информационные потоки, поток разовых команд, и, вырабатывая соответствующие управляющие информационные потоки, реализует алгоритм управления торпедой в проблемных ситуациях. Связь всех блоков 2го и 3-го уровней с навигационным блоком БВ11 не случайна и объясняется тем, что функционирование надсистемы “корабль-торпеда-цель”, всех ее компонентов и подсистем торпеды осуществляется в пространстве и времени. Поэтому, вся поставляемая в блок БВ31 и подлежащая комплексированию информация должна быть привязана к единой системе координат и синхронизирована во времени. Информационный уровень архитектуры БИСУ (рисунок 5.8) можно рассматривать как развитие информационного уровня архитектуры электронной цифровой БСУ (рисунок 4.5). Основные архитектурные отличия БИСУ от электронной цифровой БСУ состоят в следующем: - увеличен объем измерительной и управляющей информации, обмениваемой ВС БИСУ с ИИТ БИСУ, в частности с компонентами ПИМ, СБА и ЭДК (данная информация позволяет программно реализовывать и контролировать выполнение циклограммы функционирования торпеды и ее подсистем в полном объеме); - объединены информационные каналы связи с внешней аппаратурой подсистем СУДТ и ССН, в частности канал связи с носителем и канал телеуправления; - объединены верхние информационные уровни подсистем СУДТ и ССН в вычислительном блоке БВ31, в котором реализуется комплексный алгоритм, поглотивший задачи информационного обмена между этими подсистемами, задачи распознавания и селекции цели, самонаведения, логические алгоритмы, реализацию циклограммы функционирования торпеды и ее подсистем, и пр. Из анализа информационного уровня архитектуры БИСУ следует, что степень ее алгоритмической преемственности с прототипом высокая, существенное алгоритмическое изменение (развитие) затронуло лишь верхние архитектурные слои в связи с введением нового комплексного алгоритма, внедрение которого стало возможным благодаря организации в ВС БИСУ единого информационного пространства. В связи с архитектурными изменениями относительно прототипа изменился состав и физическая реализация подсистем БСУ. Все подсистемы БИСУ замыкаются на ВС БИСУ, их можно выделить в качестве комбинированных комплектов информационнофизических блоков, в состав которых входят использующие ресурсы и реализующиеся в РВС БИСУ информационные вычислительные блоки и физические компоненты ИИТ. 56 Приведем вариант состава информационно-физических подсистем БИСУ, соответствующий приведенным на рисунках 5.7 и 5.6 архитектурных схемам: - комплексированная навигационная система (КНС), в ее состав входят вычислительные блоки БВ01, БВ02, БВ11 и физические устройства: блок БИЧЭ, датчики Ph, Pq, и соответствующие устройства согласования; - система управления движением торпеды (СУДТ), включающая в свой состав КНС, вычислительные блоки БВ03, БВ21, рулевые машинки РМ и соответствующие устройства согласования; - акустическая система измерений (параметров акустических неоднородностей) в дальней зоне торпеды (АСИ ДЗ), включающая в свой состав вычислительные блоки БВ06, БВ22, антенны тракта ПЛ Ан Пл и тракта КС Ан КС и соответствующие устройства согласования; - акустическая система измерений (параметров акустических неоднородностей) в ближней зоне торпеды (АСИ БЗ), включающая в свой состав вычислительные блоки БВ07, БВ23, антенны тракта АДЦ и соответствующее устройство согласования; - магнитометрическая (электромагнитная) система измерений (МСИ, либо ЭМСИ), включающая в свой состав вычислительные блоки БВ08, БВ24, антенны тракта МДЦ и соответствующее устройство согласования; - система (анализа и управления состоянием) опасных цепей (СОЦ), включающая в свой состав вычислительные блоки БВ08, БВ09, БВ010, БВ12, датчики и исполнительные элементы Д ПИМ, Д СБА, Д ЭДК и соответствующие устройства согласования; - система управления торпедой в проблемных ситуациях (СУТПС), включает в свой состав вычислительные блоки БВ04, БВ05, БВ09, БВ 010, БВ011, БВ12, БВ31, компоненты ПИМ, СБА, ЭДК и соответствующие устройства согласования. Заметим, что теоретический задел, созданный и отработанный на практике на предшествующих этапу БИСУ этапах развития торпедных БСУ, обеспечивает алгоритмическую поддержку разработки данных подсистем БИСУ в достаточном объеме, за исключением подсистемы СУТПС. Внедрение этого задела на этапе электронных цифровых БСУ определило их функциональность и достигнутый при этом уровень боевой эффективности торпеды. Как следует из проведенного выше анализа, основной резерв дальнейшего расширения функциональности и повышения эффективности при ограничениях, налагаемых на расширение номенклатуры измерительных систем, лежит во внедрении СУТПС. Комплексирование информации, на котором основана работа этой системы, ранее не использовалось. Разработке этой системы посвящен специальный раздел настоящей работы. Рассмотрим пример структуры БИСУ (рисунок 5.9), учитывающей конструктивные особенности торпеды УГСТ [Л 5.4], с архитектурой, соответствующей изображенным на рисунках 5.7 и 5.8 схемам. В данном примере вычислительная система размещена в одном блоке и состоит из высокопроизводительного многопроцессорного вычислительного ядра и интерфейсных модулей (мостов), сопрягающих вычислительное ядро с интерфейсными шинами: - связи с кораблем-носителем - Мост BUS-MIL1533; - телеуправления - Мост UART1-ТУ; - локальной (внутренней по отношению к аппаратурному модулю) шины последовательного интерфейса - Мост BUS-UART1; - дискретного ввода-вывода - Мост UART1-Дв-в; - внешней (внешней по отношению к аппаратурному модулю) шины последовательного интерфейса - Мост BUS-UART2. Регистратор подключен к скоростной микропроцессорной параллельной шине вычислительного ядра, аналогично модулям: Мост BUS-MIL1533, Мост BUS-UART1 и Мост BUS-UART2, он имеет доступ ко всем циркулирующим в вычислительной системе информационным потокам. 57 В состав расширенной вычислительной системы входят дополнительно: - микропроцессор устройства управления излучением-приемом; - микроконтроллеры модулей БИЧЭ, измерителей Рh, магнитометров, измерителя скорости, модуля управления скоростью, - микропроцессор кормового блока управления. Все эти вычислительные устройства, за исключением микропроцессора устройства управления излучением-приемом, подключаются к вычислительному ядру через последовательные интерфейсы. Микропроцессор устройства управления излучениемприемом подключается к вычислительному ядру через скоростной Link-интерфейс, поскольку объем и скорость передачи акустической информации на несколько порядков превышает объем и скорость передачи по последовательному интерфейсу информации всех остальных трактов. Вычислительная система Аппаратурный модуль Энерго-движительный комплекс Боевое зарядное отделение Бортовой соединитель Мост BUS - MIL1533 Соединитель ТУ Мост UART1 – ТУ Модуль БИЧЭ Мост BUS – UART1 Микроконтроллер Д ПИМ 1 БИЧЭ Мост UART1 - Д в-в БВ ПИМ ПИМ Д ПИМ 2 Мост BUS – UART2 Измеритель Рh 1 Регистратор Вычислительное ядро БВП1 Микроконтроллер Датчик Рh БВП2 Измеритель Рh 2 Устройство согласования с АА Микропроцессорное устройство управления излучением-приемом Модуль усилителей мощности Модуль коммутаторо в Акустические антенны ПЛ и НК Модуль АЦП Модуль предварител ьных усилителей Микроконтроллер Датчик Рh Магнитометр 1 БВП3 Кормово й блок управлен ия (на базе микропр оцессора) РМ прав. РМ нижн. Измеритель скорости Микроконтроллер Микроконтроллер Датчик оборот. Магнитометрич еская антенна Магнитометр 2 РМ лев. Модуль упр. скор. Микроконтроллер Микроконтроллер Скоростная РМ Магнитометрич еская антенна РМ верх. Рисунок 5.9 Структурная схема БИСУ торпеды УГСТ Особое место в структуре БИСУ занимает шина дискретного ввода-вывода. Она образована специально для подключения устройств, к которым предъявляются жесткие требования по защищенности от прохождения ложных команд, в частности, непосредственно к ней подключается предварительно-исполнительный механизм ПИМ. Еще одна шина для подключения устройств, к которым предъявляются жесткие требования по защищенности от прохождения ложных команд, формируется кормовым блоком управления. Она управляет блоком включения ПИМ и блоками включения пироустройств БВП1, БВП2 и БВП3, выполняющими функции выдачи исполнительных команд на различные элементы бортовой автоматики опасных цепей. Всю структуру можно разбить в соответствии с обобщенной архитектурной схемой БИСУ (рисунок 5.3) на вычислительную сеть ВС БИСУ, воплощенную в блоке 58 вычислительной системы, и следующие измерительно-исполнительные тракты ИИТ, состоящие из датчиков (Д), либо исполнительных механизмов (ИМ) и устройств согласования (УС). 1 Тракт инерциальной навигации и ориентации. Д – БИЧЭ. УС – Микроконтроллер. 2 Тракт измерения глубины. Д – Датчики Ph. УС – Микроконтроллеры. 3 Тракт измерения скорости. Д – Датчик оборотов. УС – Микроконтроллер. 4 Тракт управления РМ. ИМ – Рулевые машинки. УС – Микроконтроллер кормового блока управления с электронным обрамлением. 5 Акустический тракт ПЛ и НК. Д – Акустические антенны ПЛ и НК. УС – Устройство согласования с АА на базе микропроцессора. 6 Тракт акустического датчика цели в данном примере отсутствует. 7 Тракт магнитного датчика цели. Д – магнитометрические антенны. УС Микроконтроллеры. 8 Тракт ПИМ. Д и ИМ – Д ПИМ1, Д ПИМ2, ПИМ. УС – БВ ПИМ и микроконтроллер кормового блока управления с электронным обрамлением. 9 Тракт бортовой автоматики опасных цепей. ИМ – пироустройства. УС – БВП1, БВП2, БВП3 и микроконтроллер кормового блока управления с электронным обрамлением. 10 Тракт управления скоростью ЭДК. ИМ – Скоростная рулевая машинка. УС – микроконтроллер. Такая структурная реализация физического уровня архитектуры БИСУ продиктовано конструктивными требованиями к размещению датчиков и исполнительных механизмов в корпусе торпеды, образующими те “коммуникативные окна”, через которые БИСУ в торпеде обменивается информацией и воздействиями с внешней средой. Размещение в конструкции торпеды этих “коммуникативных окон” и информационная плотность протекающих через них информационных потоков определяет топологию вычислительно-информационных коммуникаций БИСУ. Максимальное приближение к датчикам и исполнительным механизмам периферийных вычислительных устройств, позволяет применить стандартные интерфейсы и минимизировать длину и число линий (оптимизировать конструкцию) информационных коммуникаций, соединяющих эти устройства с вычислительными ядрами вычислительной сети. Вычислительные ядра ВС БИСУ располагается вблизи “коммуникативных окон”, через которые протекают информационные потоки с наибольшей плотностью, поскольку сложность реализации интерфейсов растет с ростом плотности протекаемых через них информационных потоков. Так, для передачи данных со скоростью до 10…30 Мбит/с применим компактный последовательный интерфейс RS-485 (витая пара проводов), широко используемый в структурной схеме БИСУ, изображенной на рисунке 5.9, позволяющий подключение к нему несколько десятков абонентов с удалением от вычислительного ядра до нескольких десятков метров. При передаче информации со скоростью 500 и более Мбит/с, как в случае обслуживания акустического тракта ПЛ и НК, применяются более сложные интерфейсы (например, LVDS), допускающие удаление от вычислительного ядра всего на доли и единицы метров. Рассмотренный вариант структуры БИСУ (рисунок 5.9) содержит единственное, реализуемое в виде акустических антенн ПЛ и НК, “коммуникативное окно” с высокой плотностью прохождения через него информации, поэтому вся ВС БИСУ концентрируется вблизи него в блоке вычислительной системы. 5.4 Заключение по главе 1 1 БСУ является слабым звеном в цепи основных торпедных систем. 59 На протяжении всего своего развития БСУ является слабым звеном в цепи формирующих функциональность торпеды основных торпедных систем: БЗО, обеспечивающего боевое могущество торпеды, ЭДК, обеспечивающего доставку БЗО к цели и БСУ, управляющей данными системами. Слабость БСУ-звена объясняется физикой применяемого в нем и не имеющего в настоящее время альтернативы акустического канала, осуществляющего информационный мониторинг акустического пространства, являющегося в то же время пространством боевого противостояния с кораблем-целью. Корабль-цель, активно воздействуя своими техническими средствами (в частности, средствами ГПД) на акустическое состояние боевого пространства, получает тем самым дистанционный доступ к информационным ресурсам БСУ атакующей торпеды, ограничивая ее эффективную дальность стрельбы, являющуюся основной характеристикой и определяющую боевую эффективность торпеды. Затраты на такое противодействие зачастую оказываются существенно ниже затрат, расходуемых на создание и применение БСУ, обеспечивающей селекцию цели на фоне использующих противоборствующей стороной средств ГПД. 2 Надсистема БСУ эволюции торпед диктует требования динамичности развития и высокого модернизационного потенциала БСУ. БСУ и средства акустического противодействия создаются в среде единого элементного базиса, из чего следуют взаимообусловленность и высокие темпы их развития (схема системы эволюции торпед, представленная на рисунке 3.4, отражает это обстоятельство). В полном объеме информация об эффективности конкретного варианта БСУ может быть получена лишь на морских испытаниях, максимально приближенных к реальному боевому столкновению противоборствующих сторон, анализ результатов которых позволит выявить недостатки и выработать технические решения, направленные на повышение эффективности БСУ. От оперативности внедрения этих технических решений зависит боевая эффективность торпеды, поскольку очередная (постоянно производимая) модернизация средств ГПД противоборствующей стороны может опередить текущую модернизацию БСУ и дополнительно снизить ее эффективность. Отсюда вытекает требование обеспечения высокого модернизационного потенциала современной БСУ и высокой динамичности ее развития. Т.е. характеристика динамичности развития (модернизируемости) БСУ является одной из важнейших составляющих боевой эффективности современных торпед. Отсутствие у торпед модернизационных возможностей делает их потенциально неэффективными. 3 В результате эволюции БСУ резервы повышения боевой эффективности торпед за счет расширения номенклатуры применяемых в БСУ физических полей исчерпаны. Технологические прорывы в эволюции элементного базиса обусловливают качественные изменения функциональности БСУ. Результативные в этом смысле технологические прорывы позволяют развитие БСУ представить 4-мя этапами. В исходном состоянии элементного базиса преобладали механические технологии, этому состоянию базиса соответствует этап механических БСУ. Распространению электронных аналоговых технологий соответствует этап электронных аналоговых БСУ. Внедрению информационных технологий, основанных на применении электронных цифровых процессоров, соответствует начало этапа электронных аналоговых БСУ. Внедрение сетевых информационных технологий позволило перейти к этапу БИСУ. Резерв расширения номенклатуры физических полей, применяемых для организации “коммуникативных окон”, связывающих решающее устройство БСУ с внешней средой путем внедрения новых датчиков и датчиковых систем, был исчерпан уже на этапе электронных аналоговых БСУ. На этапе электронных цифровых БСУ в значительной степени завершилась работа по “улучшению прозрачности коммуникативных окон” благодаря оптимизации и повышению разрешающей 60 способности датчиков и датчиковых систем, направленная на совершенствование их функциональности. Прогнозируемая их модернизация на последующих этапах связана в основном, не с совершенствование функциональности, а с повышением надежности, уменьшения стоимости и габаритов, а также улучшения других показателей. 4 Потенциал дальнейшего совершенствования функциональности БСУ лежит в совершенствовании ее алгоритмического обеспечения, архитектуры и системы РЭСТ. 4.1 Совершенствование алгоритмического обеспечения. Отсутствие в процессе развития БСУ перспективы получения дополнительной измерительной информации о состоянии боевого пространства для совершенствования функциональности БСУ вынуждает разработчиков БСУ искать пути получения дополнительных сведений о состоянии боевого пространства из уже имеющейся номенклатуры измерений путем совершенствования бортового алгоритмического обеспечения. Внедрение на этапе электронных цифровых БСУ процессорной электроники и информационных технологий открыло новые возможности совершенствования функциональности БСУ за счет применения нового класса ранее не реализуемых (в электронных аналоговых устройствах) алгоритмов, использующих такие ресурсы ЭВМ как память и информационные коммуникации, позволяющие объединять (интегрировать) информационные потоки, измеряемые разными датчиками и датчиковыми системами. Натолкнувшись на физические ограничения, традиционно ориентированное на увеличение объема и качества измерительной информации, развитие физического уровня БСУ переориентировалось на создание благоприятных условий для реализации нового класса алгоритмов, что придало острую актуальность проблеме разработки рациональной для этого архитектуры БСУ. 4.2 Совершенствование архитектуры на конкретном этапе развития БСУ следует рассматривать как элемент динамического процесса – развития БСУ, неразрывно связанного с развитием элементного базиса. Основной характеристикой элементного базиса, применительно к обсуждаемой здесь проблеме, является информационная плотность, которая растет в процессе его эволюции и прогноз на обозримое будущее не предполагает спада производной ее роста. Рост информационного потенциала БСУ, связанного с ростом информационной плотности элементного базиса, также не предполагает спада производной. Рост информационной плотности элементного базиса сопровождается постоянным усложнением его неделимых элементов (микросхем, и пр. радиоэлементов) и, как следствие – изменением их архитектуры (внутренней организации), направленным на реализуемость и “прозрачность” постоянно усложняемых их структур. Динамика развития элементного базиса обусловливает динамику развития архитектуры создаваемых на его базе систем, сложность которых по мере развития также возрастает. Фильтр эволюции при этом изменяет архитектуру системы таким образом, чтобы она была согласована с внутренней архитектурой составляющей ее элементов. В результате минимизируется избыточность компонентов системы, связей между ними, а для современных БСУ – обеспечивается потенциал реализуемости более широкого класса алгоритмов. С преодолением некоторого критического порога сложности остро выступает проблема обеспечения независимости декомпозируемых компонентов БСУ, в особенности компонентов решающего устройства. Придание сначала некоторым компонентам решающего устройства свойства универсальности, затем распространение этого свойства на все его компоненты позволило информационную составляющую БСУ - на этапе электронных аналоговых БСУ локализовать в системе связей БСУ (благодаря базовым универсальным компонентам – операционных усилителей), - на этапе электронных цифровых БСУ локализовать в запоминающих устройствах каждой из БЦВМ и отделить информационный уровень системы от физического 61 (благодаря базовым универсальным компонентам – цифровым процессорам, микросхемам памяти), - на этапе БИСУ вынести за пределы БСУ (благодаря базовым универсальным компонентам – микропроцессорам, микросхемам памяти, системам на кристалле, универсальным интерфейсам и коммуникациям). Здесь с очевидностью проявляются следующие процессы в развитии архитектуры БСУ: - отделения информационного уровня БСУ от физического; - обеспечения независимости информационного и физического уровней БСУ, - переноса структурной сложности БСУ с физического на информационный уровень. Современную архитектуру БСУ можно представить в виде многослойной постоянно развивающейся структуры, на первом этаже которой размещены слои физического уровня БСУ (рисунок 5.7), на втором – информационного (рисунок 5.8). Слои можно разбить на 2 класса: функциональные и декомпозирующие. В функциональных слоях формируются составляющие компоненты системных функций БСУ, декомпозирующие слои обеспечивают функциональную независимость друг от друга системных слоев. Развитие БСУ протекало таким образом, что сначала (с расширением номенклатуры используемых в БСУ физических полей) формировались нижние слои. С эволюцией элементного базиса формировались новые, верхние слои, а нижние – переформировывались таким образом, чтобы стать надежным фундаментом для верхних. Так на этапе электронных цифровых БСУ зарождаются измерительно-исполнительные тракты и декомпозирующие слои, которые приобретают четкие очертания (декомпозируются на независимые законченные функциональные компоненты) на этапе БИСУ. С момента завершения расширения номенклатуры физических полей развитие архитектуры распространяется преимущественно вверх, в информационные слои. Нижние слои переформируются таким образом, чтобы обеспечить верхним слоям все необходимые условия для интенсивного развития. Здесь в большей степени проявляется роль декомпозирующих слоев, позволяющих не перестраивая при модернизации БСУ всю структуру, деформировать преимущественно верхние слои, обеспечивая тем самым стремительное ее развитие ввысь. В практическом плане это означает, что на данном этапе развития БСУ следует концентрировать усилия на внедрении нового класса (интегрированных) алгоритмов, надстраивая их над существующими, а физический уровень и успешно отработанные и хорошо зарекомендовавшие себя на практике компоненты информационного уровня БСУ и алгоритмического обеспечения адаптировать под задачу реализации нового класса алгоритмов. Такой постановке соответствует архитектура БИСУ. 4.3 Совершенствование системы РЭСТ. Несмотря на структурный консерватизм надсистемы БСУ РЭСТ, содержимое ее компонент существенно изменилось. Внедрение в систему РЭСТ современных мощных микропроцессорных устройств, высокоскоростных интерфейсов, сетевого системного программного обеспечения позволило очередной раз резко повысить ее информационный потенциал и внедрить ряд САПР, автоматизирующих “рутинную” работу по проектированию БСУ и торпед и переводящих эту работу в ранг малолюдной высокоинтеллектуальной технологии. Одно из центральных мест в данной технологии занимают система разработки (модернизации) и экспериментальной отработки алгоритмического обеспечения БИСУ, а также система обработки и анализа экспериментальной информации. На данном этапе развития, в условиях бурно развивающегося элементного базиса и постоянного взаимообусловленного совершенствования морских средств нападения и защиты, совершенство системы РЭСТ и динамичность ее развития определяют потенциал поддержания боевой эффективности торпеды на должном уровне. 62 5 Функциональность (основная и вспомогательная ее составляющие) БСУ диктуется ее надсистемами “корабль-торпеда-цель” и РЭСТ. На этапе БИСУ в надсистеме “корабль-торпеда-цель” возросло число одновременно применяемых средств ГПД с 2-х до 4-х, в некоторых случаях – более, усилились их имитационные свойства. В результате, снизилась (в условиях современных сценариев боя) эффективная дальность стрельбы разработанных на этапах, предшествующих этапу БИСУ, торпед. Основная составляющая функциональности современной БСУ в соответствии с тенденциями развития надсистемы “корабль-торпеда-цель” должна совершенствоваться в направлении повышения устойчивости акустическим помехам. В отсутствии резервов расширения номенклатуры физических полей, позволяющих обнаруживать и селектировать цель, и резервов качественного улучшения датчиков первичной информации (в частности, позволяющих увеличить физическую апертуру акустических антенн), резервы качественного повышения эффективности БСУ лежат в области совершенствования ее алгоритмического обеспечения и увеличения информативности каналов связи с кораблем-носителем. Т.е., в отсутствии резервов увеличения объема полезной информации за счет расширения номенклатуры и информативности датчиковых “коммуникативных окон”, единственным резервом получения полезной информации остаются “коммуникативные окна”, предназначенные для связи с носителем. Вспомогательная составляющая функциональности БСУ, проявляющая себя при функционировании системы РЭСТ, должна совершенствоваться в направлении развития: - компонентов и информационных коммуникаций, связанных с увеличением объема, скорости записи и точности регистрируемых экспериментальных данных, - информационных коммуникаций, позволяющих организовать в рамках системы РЭСТ имитационную среду для эффективной экспериментальной отработки информационного уровня БСУ, адекватной реальной. Архитектурные решения БИСУ, представленные на рисунках 5.3, 5.4, 5.5, 5.7, 5.8, обеспечивают все необходимые условия для реализации основной и вспомогательной составляющих функциональности современной БСУ. Л5.1 – МК54 Л5.2 – пуски антиторпеды Л5.3 – БИСУ после 1999 года Л5.4 – структура БИСУ УГСТ Литература [Л2.1] - Начальный этап развития торпед [Л2.2] – Системный анализ, Лебедев [Л3.1] - Германская торпеда Т-5 [Л3.2] - МК27 мод.4 и МК32 мод.2 [Л3.3] – теория АВМ. [Л4.1] – обзор торпед с БЦВМ. [Л4.2] – Торпеда “Мурена”. [Л4.3] – АСОАИ. Л5.1 – МК54 Л5.2 – пуски антиторпеды Л5.3 – БИСУ после 1999 года Л5.4 – структура БИСУ УГСТ
