автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.07, диссертация на тему:Моделирование процесса оптимизации технико-экономических показателей при предварительном проектировании космической техники

Г I и

Министерство транспорта Российской Федерации Департамент воздушного транспорта.

Московский государственный тезснжчеокий университет граддавсков авиации.

Ва правах рукописи

СИДОРОВ Дмитрий Анатольевич

УДК 629.784.01 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА. ОПТИМИЗАЦИИ ТЕЖЖО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРИ ПРШАРШтНОИ ПРОЕКТИРОВАНИИ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕШКИ

Специальность 05.13.07 "Автоматизация технологически процессов н производств (транспорт) "

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация ка соискание ученой от&пени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа выполнена в Иооковоком государственном техническом университете грааданокой авиации .

Научный руководитель - доцент,кандидат технических наук

Романов Л.Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук.проФеосор

Кривенцев В.И, кандидат технических наук Федин В.А.

Ведущая организация - организация "Агат" г.Москва

Защита диссертации состоится " " 1994 г.

в _____ часов на заседании специализированного совета К 072.05.01 Московского государственного технического университета гражданской авиации по адресу: 125493,Москва,КронштадскиЯ бул.,д.20

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МПТ ГА Автореферат разослан *" "

Гченый секретарь специализированного оовета доцент,кандидат техггаческих наук

Л.Г.Романов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы, йявитие космического транспорта я космической энергетики в наотоящее время во многом определяется требованиями экономической целесообразности.Реализация этих требований лежит в основе оущезтвуппих проектных решений таких перспективных транспортных ородотв как воздушно-космические системы,многоразовые ракеты-носители,межорбитальныо транспортные аппараты.

Щюцеоо проектирования космического летательного аппарата КЛА овязан о рассмотрением большого числа альтернативных вариантов ж представляет собой сложную итеративную процедуру.предполагающую использование средств автоматизации проектирования на базе ЭВМ. Поэтому актуальна разработка моделей,методов и алгоритмов технико-экономического обоснования,адекватных современным требованиям к космической технике.

Обзор отечественных и зарубежных публикаций по вопросам автоматизации проектирования КЛА и космических энергосистем новых поколений показывает,что в настоящее время недостаточно разработаны модели и методы технико-экономических расчетов.На ранних этапах проектирования имеет место значительная иеопрелвлешюсть в оценке технико-экономических показателей.По этой причине во многих случаях невозможно показать преимущества того или иного проекта. Возникает риск принятия неоптималышх решений .ведущий к значительному экономическому ушербу.

Использование традиционных критериев для выбора предпочтительных вариантов техники ( минимум затрат,максимум эффекта) не

означает,что принятое решение будет приемлемым по другим экономя-

•»неким показателям и пользоваться спросом на рынке.Опережавший характер конотруктиано-технологической проработкл по отношению к экономическому обоснованию,объективно присуший проектированию новой техники ( временной лаг ) - может яьяятьоя причиной несоответствия технических параметров экономически оптимальным величинам.Данное несоответствие вызвано ограниченностью или отсутствием исходной экономической информации об аналогах, тго часто не позволяет оптимизировать технические параметры по экономическим критериям в процессе компоновки и конструктивно-технологической проработки.Вопрос об учете отмеченного временного лага при технико-экономическом обосновании проектных решений в литературе не последовал.

Цель работы - разработка метода оптимизация технико-экономических показателей для автоматизированного проектирования космической техники ( этап предварительного проектирования ) .

Основные задачу. Для достижения поставленной цели основное внимание уделено решению следующих задач:

- выявление технико-экономических особенностей проектных решений космической техники,

- обзор и анализ работ в области моделирования технико-акоцоии-ческого обоснования и автоматизации проектирования,

- моделирование технико-экономлчоских показателей о учетом особенностей предварительного проектирования космической техники,

- оптимизация проектных технических параметров по экопошчаокиу критериям.

.'.'отоды ксследоьакид. В работе использопани лоложзпкя

теории автоматизированного проектирования,теории технико-экономического обоснования,оптимизации и теории вероятностей.

Научная ноэизна. Разработан метод оптимизации технико-экономических показателей для автоматизированного проектирования космической техники (этап предварительного проектирования ) , учитывавший многокритериальный характер экономической оценки,а также временной лаг между конструктивно-технологической проработкой и экономическим обоснованием проекта.Разработаны алгоритм прогнозирования затрат на НИОКР и изготовление космической техники основанный на применении имитационного моделирования, модели интегрального экономического эффекта,рыночной цены и экономического риска создания космической техники,метод оптимизации параметров модульных подсистем КЛА по критерию минимума полных затрат учитывающий фактор неопределенности исходной технико-экономической информации.

Основннэ положение.выносимые на защиту:

- критерий выбора предпочтительных вариантов проектных решений,

- алгоритм прогнозирования затрат на ПИОКР и изготовление космической техники при предварительном проектировании,

- метод определения направленности проектирования для достижения соответствия тохотчфскпх параметров проекта экономически оптимальней величинам,

- метод оптимизации параметров модульных подсистем КЛА по критерию минимума полных затрат.

Практическая ценность. Разработанные модели,методы и алгоритмы позволяют проводить комплексную экономическую

оптимизацию при автоматизированном проектировании космической

техники,а также получить нормативные дагашо для предварительного тохнико-экояодаческого анал^а.Алгоритмы реализованы в вода компьютерных диалоговых программ для персональных ЭШ.

Реализация результатов оа$стц.Основные результаты работы попользованы при разработке отраслевых методических материалов по технико-экономическому обосновапию проектов космических энергоустановок,а также в учобном процоссо Московского авиационного института,что подтверждается актами внедрения.

Апробация рабоун.Основныо результаты доложены и обсуждены на У1И,1Х,Х1У научных чтениях по космонавтика,посвященных памяти С.П.Королева { Москва,1984-1990 г.г.) Гагаринскпх чтениях ( Москва,1985 г. ) .Втором международном симпозиуме по космической эне^-атике ( Парик,Франция,1991 г.' ,43 Конгресса международной' астроиавтическоП федерация ( Вашингтоп,СИЛ,1992 г) Пуфшкагщ. По материалам диссертационной работы опубликовало 5 статей и выпущено 3 научно-технических отчета.

Объем шботы.Диссертация состоит из введения,трех разделов, списка литературы,приложений.Диссертация содержит 138 страниц машинописного текста,15 рисунков,14 таблиц.Список литературы включает III наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность к научная новизна исследований,определяются цели п задачи работы,приводятся информация о практической ценности в реализация результатов исалодоваяий. '

В пасчом разделе выявлены технико-окономвческив особенности

проектных решений космической техники,проанализирован процесс предварительного проектирования.Сделан вывод о том,что тенденция хоммерциализадга космической деятельности,определявшая повышенное внимание к экономическим расчетам в сочетании со спецификой проектирования новых поколений космической техники - не позволяют ограничиться имеющимся методпчзсгазм обеспечением САПР КЛА. Определена последовательность разработки метода оптимизации параметров проектируемой космичеокой техники: моделирование экономических показателей.определение оптимизирующего воздействия на направленность проектирования,алгоритмизация метода для проведения расчетов на ЭВМ,оценка достоверности и эффективности.

Вуотюй раздел посвящэп моделированию экономических показателей при предварительном проектирования космической техники.

При разработке показателя интегрального экономического эффекта от создания п применения космической техники учитывались как общегосударственные интересы ( научно-технический прогресс, обеспечение социальных и эпологичоских стандартов ) , так я интересы предпринимательской деятельности фирм-разработчиков, изготовителей я потребителей {получеппо прибшгя ) .Эффект рассчитывается как стоимостная оценка разности результатов и затрат за период осуществлопия космической программы.Дашнй показатель разработан э статическом и динамическом вариантах.Стоимостная оценка сопутствующих результатов ( социальных и экологических) проводится о учетом вшолнення КМ. заданной программы операций. Нулевая величина аффекта на стадиях создшпш п эксплуатации косипгсксЯ тгшйшз определяет соответственно нижний и верхний поковав предо®?.

При моделировании цены на изготавливаемую космическую технику учитывалась танденцич развития международного рынка и • конкурсный механизм отборе проектов для последующей разработки. Платежеспособный спрос рассматривается как величина,прямо зависящая от технического уровня и обратно - от цены изделия. Полученная модель для предварительных расчетов цены изделия( /-£) имеет виц i--—•

где Дб - соответственно цена и объем изготовления

( предложение ) техники,принятой за базу сравнения,

Г - технический уровень проектируемого изделия в сопоставление о изделием.принятым за базу сравнения,

А - объем изготовления ( предложение ) проектируемого изделия.

Практика показывает,что основная причина ошибок прогнозов затрат на создание ново® космической техники в условиях проектирования связана о неопределенностями технического облика я условий (факторов ) .определяющих процесс создания.Ошибки прогнозов затрат на ранних этапах проектирования КЛЛ могут достигать 200-400JC в сторону занижения затрат.Для оценки удельных затрат на fflwKP к изготовление космической техники в условиях предварительного проектирования является целесообразным использование метода имитационного педалирования.Модель расчета удельных затрат ( ) при случайном варьировании техническим параметром проекта í R ) в диапазоне его возможного изменения

т~1

л7^ (Эту

/\/ - общее число дискретных случайных значений технического параметра & в диапазоне его ьозможного изменения, й ^ - ^ -е> приращение затрат относительно ожидаемой величины Со ,

Л К - т -а пряратенио технического параметра относитель-

но ожидаемой величины Д( Ь - т -в приращение продолжительности или трудоемкости работ по созданию техники относительно ожидаемой величины , - т -в приращение функция количественных оценок

факторов,определявших процесс создания техники,=1.....N у

Достоинством моделей ( 2 ) - ( 3 ) является возможность рассмотрения необходимого количества существенных факторов независимо от исходного объема выборки по аналогам,что особенно актуально для космической техника,которой присущ мелкосерийны» ( а в ряде случаев единичный ) тип производства.

Для снижения дисперсия оценок уделышх затрат предусмотрена

/"'¡^ /т! а.

аппроксимация величин отношения приращений л и ¡Л

с использованием объективных количественных закономерностей,

прнсушх процессам ГОЮКР в производства. Блок-схема расчетов

удельных затрат представлена на ртгс.1. Обозначения:

л""'/*/л /

Ор - дисперсия величин отношения приращений ¿1 и ,

2)// - дисперсия аппроксимаяии величин отношения приращений £ функцией У при I -м значении коэффициента эластичности затрат ,

МГВС - метод наименьших квалратоп.

Формирование исходных моделей

с, ь

1

Выбор и количественное описание значимых фактороь,опенка весомости

* -

Генерирование дискретных случайныхо значений варьируемого параметра лт

тг1

Расчет

вп н Ц

Расчет 4

Генерирование дискретных случайных значений коэффициента эластичности

затрат Л

I .

Оценка параметров I -й аппроксимирующей зависимости

« , .¿ОТ

р) во т

Да

Да

Нет 'Изменить ?

Нет

Л йГЯ а с

Модель расчета удельных затрат (2)

1}

Рис.1. Клок-схема расчета удельных затрат методом имитационного моделирования.

¿V - среднее арифметическое величин отношения приращений '

ГС/П .

Если полученные по результатам имитационного моделирования оценки удельных затрат непротиворечивы,то на основании теории комплексного прогноза можно построить параметрическую,зависимость затрат <3 ) от варьированных технических параметров проекта (,..., Иц > :

п

3 -Т.**

1-1

где

п

Л 4 ) г1 . (5)

С#1 э Д- соответственно оценка удельных затрат и дисперсия затрат при случайном варьировании £ -м техническим параметром проекта ( /• =1.....Л ) .

На основе (2) - ( 5) получены параметрические модели затрат на НИОКР и себестоимости изготовления для турбомашинных гелиоустановок КЛА.

Необходимость учета экономического риска при предварительном проектировании космичвскоЯ техники обусловлена ее высокой иапвталоемкостьо.а танка неопределенностями,присущими процессу прооктированая.Кооирэяелешюсти привадят к несоответствию фактических и прогнозируемых затрат ресурсов,Для госбюджетного фшшпсированая коекячееких програ-лм, которое преобладает в нас-тотва зрошт, возмог «м негатшшэ л благоприятные экономические пойлодствзя кешю связать соответственно о Фактическим провы-шзтгтпм я экономей госбвдшэткнх ассигнований. Разработана

модель риска ( Ъ ) .количественно соизмеряющая возможности превшпения и экономии ожидаемых затрат над фактическими:

7_- .се)

где

Р/ Л" - соответственно вероятности того,что фактические затраты, на НИОКР и изготовление провисят расчетные;

РР Ри

величины *с и >с определяются по результатам имитационного

моделирования (2) - (3) . _ _

рР р«

Для практических вычислений вероятностей 'с и 'с используется разложение функции плотности вероятностного распределения затрат в ряд Тййлора.Проведена оценка экономического риска для турбомашшных гелиоустановок КДА различных мощностей.

В третьем разделе сформирован комплексный критерий выбора предпочтительных проектных решений космической техники,определено оптимизирующее воздействие на техшг. .скую направленность проектирования,представлен метод оптимизации параметров модульных подсистем КЛА,а также алгоритм метг-а оптимизации технико-экономических показателей' космической' хнюш при предварительном проектировании.

Комплексность критерия выбора предпочтительных проектных решений кос шческой техники предполагав-' учет рассмотрешшх во втором разделе экономических покааатолс:.,а также особааностоЯ проектирования.Опережающий характер конструктивно-технологической проработки по отношению к акономиче кому обоснованию проекта ( временной лаг) обусловлен необходимо ,тыо проведения копструк-тивмо-техиологп^схой проработки для получения экономической информации об аналогах КЛА и ого подсистемах.0 этой связи

параметры проекта,оптимизированные на множестве экономических показателей,могут на соответствовать технически обоснованным величинам.

В теории и практике технико-экономического обоснования выбор предпочтительного варианта осуществляется о использованием критериев максимума экономического э^Лекта и минимума затрат. С учетом рассмотренных экономических показателей,а также временного лага между конструктивно-технологической проработкой л экономическим обоснованием проекта,комплексный критерий предпочтения ( ) можно записать кал минимум абсолютной пазности максимального на множества ограничений по экономическим показателям и ожидаемого значения интегрального экономического эффекта Зт

гд£ ^ - индекс альтернативного варианта,

Зц в- ■ ■ ■} - максимальная на множестве ограничений

по цене,риску,затратам на ПИОКГ величина интегрального эффекта

для /" '-го варианта,

р*<> о*.

пц - экономически оптимальные величины технических

параметров ^ -го варианта,соответствующие 3^ .По своему смыслу,критерий ~ ^^ выражает величину потерь эфйекта из-за несоответствия технических параметров экономически оптимальным величинам.

В итеративном процессе проектирования необходимо использовать алгоритм, обеспеч-гоамций п<. ¿гедоватолышч снижение величины $ • С этой целы) направленность изменений технического облика устанавливается путем сравнения полных затрат ( 3 х ) 0 пороговой величиной (Зг) .соответствующей экономически оптимальном велитп-пам технических параметров выбранного по критерию (7) варианта,

т.е. » .Для оценки характера взаимосвязи

интегрального экономического эффекта ( Зт ) и полных затрац Зх ) используется коэффициент ^ :

учетом данного обстоятельства,необходимо искать проектные решения, обеспечивающие снижение полных затрат для достижения соответствия

способствующие повышению технического уровня,несмотря на увеличение затрат.Состав конструктивных изменений может быть отражен в морфологической матрице проекта.

Практика предварительного проектирования чурбомашикпой гелиоустановки КЛА показала, что при соблюдении вииэязложеиного пршщипа формирования технических решений,величина критерия обнаруживает тенденцию к снижении ( рпс.2 ). Ка основа вентральной предельной теоремы теории вероятностей доказано,что тондепшш снижения ¿.с, будет являться практически достоверным событием при большом количестве циклов проактировшшя.

Расчет оптимальных параметров подсистем по кратера» минимума

полных затрат предусматривается для сяучзя.когда техническая

направленность проектирована* связана со еяяжтш&а полш затрат,

С учетом современной концепция прооктировакая кес&шческой тохишш,

оо подсистемы рассматриваются в модульном исполнеиви.й^имязЕДгит-ся параметры,кратные числу модулой.Теорвтичвшйи црещтоснякд

«лтшкзаиин связана с тем, что о увайачэнпш числа мздулеП

Эг

как пр

¿4

РУ<1. 3 ю6 2 Юв 10е

10х

> N < Г --

1

5 6

9 10 II 12

Рйс.2. Динамика критерия предпочтения при использовании метода выбора технической направленности проектирования.

х - значения крг-ерия 1} для выбранных вариантов проектной концепции турбомашинной гелиоустановки КЛА.

К

кВт I #

У /У Н=300 км

V

У' _________

,кВт

"МО1

5-10^

5-1СТ3

Й!с.З. Зависимость экономически оптимальной мощности зиергог'одуля от мощности турбоматиыой гелиоустановки РИА. Обозначения: 0 - высота орбиты;

--- - границы доверительного интерпала .для

уровпя доверительной вероятности.

2

ie

увеличиваются затраты на изготовление и эксплуатацию системы в целом,но одновременно снижаются затраты на ГОЮКР в расчете на разрабатываемый модуль.

Оптимизация параметров модульных подсистем по критерию Зг ■ min реализуется в 5 последовательных этапов: установление диапазонов возможного изменения и законов вероятностного распределения варьируемых величин; определение оптимального числа модулей для каждого набора дискретных случайных значение варьируемых величин; оценка математического ожидания оптимального числа модулей; оценка оптимальных параметров модуля; построение доверительных интервал< в оценок оптимальных параметров. В качестве варьируемых величин рассматриваются удельные затраты и характеристика надежности.На основе проведенных расчетов выявлена тенденция повышения оптимальной по критерию 3£ *miri мощности эиергомодуля с ростом мощности турбомашинной гелиоустановки КЛА ( рис.3 ).

На рис.4 представлен алгоритм метода оптимизации технико-экономических показателей для предварительного проектирования космической техники.Метод содержит два основных этапа реализации: формирование комплексного критерия предпочтения (блоки 1-8 ) и определение направленности дальнейшего проектирования ( блоки 9-13 ) . Практика использования метода показывает,что он наиболее эффективен на ранних этапах проектирования,когда имеются наибольшие возможности изменения технического облика.

Для автоматизации расчетов по раэработанноцу методу оптимизации технико-экономических показателей космической техники

раяработая комплекс диалоговых программ для персональных ЭВМ.

Формирование моделай затрат на НИОКР и изготовление

I

I

Модель эксплуатационных затрат 3

Падаль ценц

Л.

Оценка спроса и предложения

Модель экономического риска 2

! Технико-экономические

^ параметры конкурирующих _ .

1 Модель экономического Социальные и экологичес-

| эйфекта 5 кие нормативы

Верхний и нижний ценовые пределы 6

Расчет экономически оптимальных параметров вариантов_7

I 1

Выбор предпочтительного варианта

Снижение полных затрат

Расчет оптимальных хз параметров подсистем

Повышение технического Уровня 12

Рис.4. Алгоритм метода технико-экономической оптимизации.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ и' РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Р&эработай метод оптимизации технико-экономических показателей для автоматизированного проектирования космической техники ( этап предварительного проектирования ) .позволяющий учесть многокритериальный характер экономической оценки,фактор неопределенности,временной лаг меладу конструктивно-технологической проработкой и экономическим обоснованием,обеспечить соответствие проектных параметров экономически оптимальным величинам. Метод реализован в виде системы диалоговых программ для персональных ЭВМ.

2. Разработанный для предварительного проектирования метод определения направленности технических изменений обеспечивает повышение экономической оптимальности проекта.Суть метода состоит в сравнении полных затрат на выбранный вариант с величиной полных затрат,соответствующей экономически оптимальным параметрам выбранного варианта.

3. Разработан метод,позволявший ингервально оценивать оптимальные по критерию "минимум полных затрат" технические параметры подсистем-модулей с учетом фактора неопределенности исходной технико-экономической информация. В соответствия с расчетами по данному методу на примере турбомаадапшх гелиоустановок КЛА выявлена тенденция повышения оптимальной по критерию юттиуыа полных затрат мощности подспствмы-энэргшодуля о ростом моащоста энергоустановка.

4. Комплексным критерием выбора предпочтительных проекте; решений космической техники является минимум абсолютной разности максимальной на множестве экономических отраикчашй и ожидаемой вйлпчун интегрального экономического рф&окта.

ге

рассчитываем!пс для каждого из альтернативных вариантов проектируемой техники.При этом в качестве экономических ограничений попользуются ограначени': по финансированию НИОКР, экономическому риску и ценовые пределы.

5, Разработан алгоритм моделирования и прогнозирования затрат на НИОКР и изготовление космической техники,который в условиях предварительного проектирования позволяет учитывать нооиредо-ленность технического облика и условий создания,обеспечивает приемлемую точность расчетов аатрат,оценивает достоверность .результатов расчетов и формирует параметрические модели затрат па новые технические объекта.

5. Для учета вероятностного характера расчетов затрат при проектировании космической техники целесообразно ввести в рассмотрение показатель экономического риска. Разработан показатель рдска,соизмеряющий возможные негативные и благоприятные экономические последствш.В процессе оптимизации космической техники показатель экономического риска используется как дисциплинирующее условие.

7. Показатель экономического эффекта,используемый при проектировании космичоской техника,должен учитывать как государственные интересы { научно-технический прогресс,обеспечение социальных

а экологических стандартов ) ,так п интересы предпринимательской деятельности фирм-разработчиков,изготовителей и потребителей (получение прибили ) . Таким показателем является нптогралышй экономический эффект,рассчитываемый как стоимостная оценка разности результатов и ттрат за триод осуществления космической программы.

8. Разработана модель црнн,позволяющая соизмерять платежеспо-ЬобныЙ спрос и предложение в условиях рынка.Для оценки

платежеспособного спроса на проектируемую космическую технику "целесообразно использовать показатель технического уровня.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах :

1. Сидоров Д.А. Метод построения зависимости "параметры энергоустановки - стоимость НИОКР" для предварительного проектирования. - В сб.г ИЪследование параметров специализированных энергосиловых установок.-М.г МАИ, 1986,с.76-80.

2. Сидоров Д.А. Методика оптимизации параметров энергетических модулей ЭУ по критерию экопомической эффективности. - В ей.: Рабочие процессы в подсистемах ЭСУ.-М.: МАИ,1987,с.4-9.

3. Севрук Д.Д. .Сидоров Д.А. и др. Методология технико-экономических исследований при разработке проектных концепция солнечных электростанций.-Труды IX Чтений по космонавтике,посвяшшшх памяти С.П.Королева.Секция: "Энергетические установки и электроракетнне двигатели".-М.: ИИЕГ АЯ СССР,1988,с.42-4?.

4. Севрук Д.Д..Куркин И.И..Сидоров Д.А. и др. Моделирование развития и инфраструктуры космических солнечных электростанций. - Труды Второго международного симпозиума по космической энергетике /Париж,Франция,1991 г./,с.260-262.

5. Сидоров Д.А. Критерий народнохозяйственной экономической эффективности бортовых энергоустановок ДА.-В сб.: Проблемы разработки ЭСУ и вопрооы их использования в народном хозяйстве. -М.: МАИ, 1991,0.12-15.