В. Г. Иванов, ОАО «ВНИТИ ЭМ»К. С. Ляпидов, к-т техн. наук,С. Н. Турусов д-р т.ехн. наук, профессор, ОАО «ВНИТИ ЭМ»

Современный корабль на взгляд проектанта

Жизненный цикл современного корабля (ЖЦК) включает в себя стадии проектирования, изготовления, испытаний, обеспечения ремонта, модернизации и замены элементов, планирования развития. Корабль рассматривается как единица, входящая в сложную инфраструктуру (соединение, база, флот) на уровне материально-технического обеспечения, подготовки кадров, планирования использования и т.п. Б то же время, корабль — сложная организационно-техническая система (ОТС) с точки зрения организации процесса управления. Непрерывное усложнение корабельных технических систем, расширение номенклатуры решаемых ими задач, рост степени автоматизации процессов управления выдвигают на передний план проблему рациональной организации процессов проектирования.

Комплекс технических средств корабля (КТС) — совокупность многофункциональных сложных технических систем, действующих в составе системы более высокого уровня (корабля), которая накладывает определенные ограничения и условия на их функционирование. В то же время, изменение технического состояния (уровня готовности) приводит к изменению круга функциональных задач, решаемых КТС и кораблем.

Отсутствие устоявшихся методов проектирования ОТС, неопределенность требований и ограниченность нормативной базы, нечетко определенная система базовых понятий затрудняют разработку методического обеспечения системы проектирования корабля как ОТС. Дополнительные трудности возникают на ранних этапах процесса проектирования для кораблей конкретных проектов с различной степенью автоматизации.

Отсутствие методологии, включающей систематическое использование совокупности средств анализа проектных решений (проектных ситуаций и альтернатив) и методов проверки и интерпретации результатов, увеличивает затраты ресурсов, замедляет темпы развития и обновления систем и, в частности, может привести к неустранимым ошибкам проектирования. Кроме того, снижается квалификация и проявляются психологические и социальные издержки в труде проектантов, конструкторов, технологов. Недостаточен также анализ появления пионерных решений в развивающихся и перспективных классах кораблей в мире.

Структура и связи

В общем случае организационно-техническая система может рассматриваться в виде совокупности трех структур: организационной, технической и структуры ресурсов, представленной на рисунке.

Организационная структура регламентирует эксплуатацию КТС личным составом, включая управление техническими средствами (ТС), распорядок и правила проведения эксплуатационных мероприятий, правила взаимодействия людей между собой, правила отчетности, направления и периодичность информационных и части материальных потоков.

Техническая структура отражает размещение на судне ТС и их физические и функциональные взаимосвязи. Иначе говоря, технические средства ОТС рассматриваются как единый комплекс разнородных объектов. С точки зрения иерархии управления, КТС может быть представлен в виде набора базовых элементов, которые объединяются в функционально законченные группы — системы. Ряд систем может быть представлен в виде набора подсистем, не являющихся функционально независимыми. Все устройства, входящие в КТС, распределены функционально (по системам) и территориально (по отсекам и помещениям). Большинство подсистем КТС являются автономными объектами сложной структуры, и требуется пройти несколько уровней иерархии КТС, чтобы дойти до простейшего элемента (агрегата).

Исходя из этого, анализ ОТС следует основывать на декомпозиции, которая позволяет рассматривать иерархическую говоря, технические средства ОТС рассматриваются как единый комплекс разнородных объектов. С точки зрения иерархии управления, КТС может быть представлен в виде набора базовых элементов, которые объединяются в функционально законченные группы — системы. Ряд систем может быть представлен в виде набора подсистем, не являющихся функционально независимыми. Все устройства, входящие в КТС, распределены функционально (по системам) и территориально (по отсекам и помещениям). Большинство подсистем КТС являются автономными объектами сложной структуры, и требуется пройти несколько уровней иерархии КТС, чтобы дойти до простейшего элемента (агрегата).

Исходя из этого, анализ ОТС следует основывать на декомпозиции, которая позволяет рассматривать иерархическую — информация о процессах, протекающих в ОТС;

— человеческие ресурсы как элемент воздействия на ОТС.

Все ресурсы могут быть разделены на восстанавливаемые и невосстанавливаемые.

Рассматривая ОТС с точки зрения средств, обеспечивающих функционирование отдельных компонентов, ее можно представить в виде комплекса обеспечений, где описанные структуры тесно взаимодействуют между собой и обмениваются потоками информации, управляющих сигналов, материального тела, энергии.

Информационное обеспечение (ИО) — это формализованная совокупность способов, методов и средств получения, обработки и хранения информации в рамках ОТС. Информационная структура задает модель данных и правила принятия решений по управлению эксплуатацией судна на основе имеющейся информации.

Под информационно-технической моделью корабля понимается структурированная совокупность данных о составе, характеристиках, взаимосвязях, нормах и правилах эксплуатации и ремонта корабельного оборудования и корпусных конструкций, а также упорядоченное множество поколений данных по этапам ЖЦК. С позиций полного информационного обеспечения процесса проектирования, создание подобной модели не покрывает все информационные потребности. Для каждого корабля должны разрабатываться конкретные информационно-технические модели.

Электроэнергетика претендует на большее

Под электроэнергетической системой корабля (ЭСК) понимают совокупность источников электроэнергии, преобразователей, распределительных и регулирующих устройств и кабелей, объединенных процессом производства, преобразования и распределения электроэнергии. Принципиальным является то, что в состав ЭСК не входят потребители. Однако революционные преобразования в силовой электронике и системах управления позволяют существенно расширить возможности самой электроэнергетической системы.

За рубежом стала весьма популярной концепция создания кораблей, оснащенных системами электродвижения и электропитания, получившая название «еlectric shiр» («электрический корабль»). В частности, она предполагает использовать для удовлетворения всех потребностей в энергии только электрические средства, взамен механических, пневматических и гидравлических. Работы по созданию «электрических» кораблей ведутся в интересах ВМФ США, Англии, Франции и других стран. Определяющим в создании «электрического» корабля является обеспечение возможности применения на нем перспективного оружия, основанного на новых физических принципах, требующих значительных затрат электро¬энергии. При этом роль ЭСК значительно повышается, кроме решения традиционных задач они должны обеспечивать энергоснабжение новых видов вооружения большой мощности, соизмеримых зачастую с мощностью системы электродвижения корабля. При таком подходе довольно сложно трактовать понятие электроэнергетической системы, исключив из ее состава потребители. При этом нарушатся традиционная иерархическая структура «корабль — энергетическая установка — электроэнергетическая система».

Прогнозируется серьезное увеличение энерговооруженности. Единая электроэнергетическая система (далее — ЕЭЭС) однозначно потребует создания высоковольтных сетей распределения. Повышение напряжения в первичных сетях до величины 6-10 кВ с одной стороны, при росте единичной мощности потребителей электроэнергии с другой, приведет к снижению потребляемых токов исполнительными устройствами, сделает более компактными кабельные сети и позволит улучшить массогабаритные характеристики коммутационнозащитной аппаратуры [1].

Перевод всего электрооборудования на высоковольтное питание потребовал бы создания новых высоковольтных потребителей и исполнительных механизмов, что может негативно сказаться на надежности ЕЭЭС, привести к ее удорожанию и увеличению эксплуатационных расходов. В переходном периоде поэтапной модернизации корабельных ЕЭСС неизбежно использование современных отработанных исполнительных устройств с низковольтным питанием, удовлетворяющих высоким требованиям, предъявляемым к корабельным системам.

Поэтому наряду с высоковольтной сетью генерирования и распределения электроэнергии в ЕЭЭС должны быть предусмотрены сети распределения,рассчитанные на напряжения 380 В, согласованные с высоковольтной сетью с помощью вторичных источников требуемой мощности.

По сути, ЕЭЭС становится электроэнергетической установкой с заданным составом потребителей электроэнергии, которые во многом определяют ее облик. Понятно, что структура такой системы будет разительно отличаться от структур существующих сегодня, а для ее функционирования потребуется создание комплектующего электрооборудования нового поколения. Важнейшим условием для этого является своевременное создание необходимого научно-технического задела.

Не менее важно правильно этим заделом воспользоваться.

Наш ответ и способ организации

Разработка современных проектов средств управления и электропитания для ЕЭЭС с использованием последних достижений вычислительной техники и новых информационных технологий требует нетрадиционного подхода. Как показывает практика, сейчас совершенно необязательно создавать крупные творческие коллективы для решения широкого круга задач, кроме того, это экономически невыгодно. Достаточно иметь небольшое число высококвалифицированных специалистов, владеющих новыми технологиями и обладающих универсальными навыками, предметно решающими поставленную задачу, и относительно небольшое финансирование, чтобы проект получил воплощение «в металле».

Одним из рациональных способов оснащения ЕЭЭС современным электрооборудованием является создание в масштабах отрасли так называемой виртуальной верфи «электрических кораблей». По сути дела, речь идет о технологической платформе, организуемой на базе научных и промышленных электротехнических предприятий, объединенных единым подходом и концепцией модернизации. Накопленный опыт по созданию современных электромашинных комплексов и силовой полупроводниковой техники с микропроцессорными программируемыми системами управления обеспечат успех при создании «электрических кораблей».

Преимущества такого подхода несомненны:

— территориальная близость (отсутствие командировочных расходов и небольшие расходы на транспортировку готовой продукции);

— возможность практически неограниченного наращивания используемых ресурсов (наличие высококвалифицированных специалистов и предприятий высокой культуры производства);

— конструктивные и схемные решения более продуманы для удобства потребителей и упрощенного продвижения перспективных идей;

— общее понимание целей и задач поддержки и развития отечественной науки и производства;

— ориентация на ресурсы региона (традиционно Санкт-Петербург ориентирован на судостроение, разработку и создание новых систем и устройств современного флота).

Главное предназначение виртуальной верфи «электрических кораблей» — сохранение и развитие интеллектуального потенциала российских разработчиков и производителей. При таком подходе основными направлениями становятся:

1. Разработка и создание;

— проектов ЕЭЭС на базе последних достижений вычислительной техники и новых информационных технологий;

— средств автоматического управления локальными подсистемами и устройствами с использованием микропроцессорной техники;

— корабельных систем централизованного электропитания, в том числе, систем бесперебойного электропитания;

— элементов современных САПР корабельного электрооборудования.

2. Использование новой элементной базы корабельной силовой электроники, в смысле улучшения качества электроэнергии с учетом влияния электромагнитных полей и электромагнитной совместимости.

3. Выбор функциональных узлов для имитационно-физического моделирования, как объектов управления, так и систем управления на базе информационных моделей.

Возможности роста производительности и эффективности производства отечественной промышленности далеко не исчерпаны, и могут быть подняты на новый уровень с использованием передовых технологий.

Актуальнейшей проблемой проектирования и внедрения «электрических кораблей» становится концепция использования информационных моделей корабельных электротехнических систем как элементов ОТС. Она предполагает реализацию принципа, при котором на едином аппаратном ресурсе устанавливается совокупность функций генерирования, преобразования, коммутации, распределения электроэнергии и защиты цепей, что обеспечивает существенное улучшение многих технических (в том числе, массогабаритных) и технико-экономических характеристик.

Кстати, о кластере

Как уже много раз отмечалось, в том числе и в журнале «Экспертный союз», важнейшим фактором снижения себестоимости постройки кораблей, в том числе «электрических кораблей», фактором конкурентоспособности судостроения является кластеризация. Под этим термином понимается организованное взаимодействие между территориально и технологически связанными научными и промышленными предприятиями. Кластер может создаваться на базе головного предприятия или быть ориентированным на инновационный центр. Взаимодействие внутри кластера осуществляется в рамках стандартизованной системы корпоративного управления. И именно кластеризация позволяет постоянно наращивать производительность и степень кооперации.

Санкт-Петербург, являющийся городом-основателем Российского флота, может и должен сконцентрировать свои мощности по созданию виртуальной верфи современных «электрических кораблей», используя уникальные возможности научных организаций и промышленных предприятий, в том числе, входящих в структуру Государственной корпорации «Ростехнологии».