Э. Б. Быков, к.т.н., А. В. Козлов, д.т.н., НПО "АМТ"
Судно является сложным многомашинным объектом, содержащим целый ряд локальных систем управления судовыми энергетическими и транспортно-технологическими процессами. Для исключения вероятности возникновения аварийных ситуаций, связанных с особенностями эксплуатации судна, алгоритмы управления судовым оборудованием должны быть тщательно отлажены при любых видах управляющих и дестабилизирующих воздействий на судно и его оборудование. Решение этой задачи требует достаточно длительного периода проектирования и комплексной отладки функционирования судовых средств автоматизации.
В настоящем материале показаны подходы научно-производственного объединения «Автоматизация машин и технологий» (НПО «АМТ») к разработке интегрированной системы управления (ИСУ) движением, маневрированием и динамическим позиционированием судна, оснащенного главным двигателем (ГД), винтом регулируемого шага (ВРШ), винторулевой колонкой (ВРК), носовым и кормовым подруливающими устройствами (НПУ) и (КПУ). Скорость и угол направления движения судна задается рукояткой X-Y-Z джойстика ИСУ.
Задача состоит в разработке ПО для программируемых контроллеров ИСУ, обеспечивающих движение, маневрирование и динамическое позиционирование судна по следующим программам:
· ход судна с требуемой скоростью в заданном направлении;
· разгон судна по комбинаторной характеристике совместного управления ГД и ВРШ;
· линейное позиционирование судна;
· угловое позиционирование судна;
· разворот (вращение) судна на месте;
· движение судна лагом;
· отход судна носом;
· отход судна кормой.
При этом учитываются параметры и направления дестабилизирующих воздействий на судно, в том числе:
· величина загрузки судна;
· силы ветра, течения, волнения;
· глубина мелководья.
Традиционные подходы к проектированию и комплексной отладке алгоритмов управления судовым оборудованием предусматривают применение специализированных стендов с имитаторами, характеризующими судно и судовое оборудование, управляющие воздействия оператора, внешние и внутренние возмущающие воздействия на судно и его оборудование, которые дестабилизируют судовые энергетические и транспортно-технологические процессы.
Необходимо проектирование и изготовление имитаторов, проведение их испытаний и метрологической аттестации. Но даже наличие множества физических имитаторов, моделирующих такой сложный объект как судно, не предоставляет возможности в полной мере охватить все виды многофакторных воздействий, свойственных реальным процессам эксплуатации судна и его оборудования.
В еще большей мере усложняется процесс разработки алгоритмической части программного обеспечения и последующего программирования контроллеров системы управления судовым оборудованием, в особенности в тот период, когда взаимодействие конкретно примененного судового оборудования и его энергетические показатели, в полном объеме еще не отработаны.
Даже в самом простейшем рассмотрении задача формирования и построения структуры модели ИСУ путем математического описания ее межмодульных входных и выходных связей, внутримодульных связей системы и функций преобразования информации представляет повышенную сложность. Решение поставленной задачи в традиционном виде требует подробных текстовых описаний и пояснений, многостраничных выкладок с математическим анализом зависимостей между параметрами моделируемой системы, а также оценки качества поведения системы в целом. При необходимости оперативного проектирования сложных систем управления сложными объектами такой подход практически неприемлем.
В конечном итоге, требуется переход на такую технологию предпроектных исследований и проектирования судовых средств автоматизации, при которой трудозатраты и сроки выполнения проектных работ были бы сведены к минимуму.
Современные информационные технологии предоставляют новые возможности эффективного проектирования и анализа сложных систем взаимодействия, отражающих реальные процессы управления поведением объектов локальной или сетевой структуры. Компьютерное моделирование, основанное на объектно-ориентированных подходах, может рассматриваться как наиболее перспективное.
Однако проблема формирования компьютерных моделей, имитирующих сложные технические системы, заключается в том, что для этой цели обычно привлекаются программисты, которые, к сожалению, не владеют предметом разработки. Помимо собственной специализации, им необходимо глубоко вникать в суть задачи, что не всегда оправдано. Лишь предметный специалист может быть постановщиком задачи, способным оценить правильность ее решения, однако он не имеет требуемой подготовки в программировании и не способен самостоятельно формировать и отлаживать имитационные модели.
Для практического решения указанной проблемы в НПО "АМТ" была специально разработана универсальная объектно-ориентированная программно-инструментальная оболочка OUR-СAD (The Object Universal Resolver-CAD), предназначенная для предпроектных исследований, проектирования, компьютерного моделирования и комплексной отладки сложных систем взаимодействия.
В отличие от инструментальных программ, написанных на традиционных языках процедурного программирования, данная программная оболочка является объектно-ориентированным инструментом функционального программирования. При этом работа в среде OUR-CAD снимает проблемы построения и восприятия сложных систем при анализе их функционирования и внутренней организации.
Инструментальная оболочка программы работает в среде Windows. Принципы функционального программирования органично опираются на известные принципы процедурного языка программирования С++, использованного при написании программы OUR-СAD.
Компьютерные модели строятся на модульных принципах многоуровневой иерархии. В структуре выделенного класса каждый из модулей на выбранном уровне абстракции обладает наделенными признаками, свойствами, структурным построением и функциональным содержанием. Уровень сложности моделируемой системы зависит от факторов, которые на выбранном уровне абстракции рассматриваются как существенные.
При таком подходе структурные элементы компьютерных моделей описываются взаимосвязанными между собой передаточными математическими и логическими операторами. В зависимости от уровня сложности, структурные элементы могут иметь вид простейших операторов с минимальным набором элементарных звеньев, или сложных операторов с большим количеством взаимосвязанных входов и выходов, входящих в операторы более высоких уровней. Моделирование непрерывных и дискретных процессов, основанное на принципах логического и математического преобразования структурных операторов, выполняется как в расчетном режиме, так и в выбранном масштабе реального времени.
В процессе расчета пользователю предоставляется возможность управлять поведением модели и имитировать управляющие и возмущающие воздействия на объекты управления. Значения контролируемых параметров в цифровом, сигнальном и графическом виде выводятся на дисплей ПК.
Программа позволяет специалисту предметной области, без участия программистов, создавать и отлаживать на функциональном уровне собственные компьютерные модели сложных систем. В частности, программа OUR-CAD может использоваться специалистами в областях судостроения, энергетики, транспорта, промышленного производства и др.
Структурная схема проектируемой ИСУ представлена на рис. 1. 
Рис. 1. Структурная схема ИСУ движением, маневрированием и динамическим позиционированием судна.
Модель системы управления разделяется на три базовых структурных модуля:
· субъектный модуль, характеризующий судоводителя;
· объектный модуль, характеризующий судно как объект управления;
· передаточный модуль, характеризующий средства автоматизированного управления судном.
На рис. 2 показано построение компьютерной модели ИСУ в виде субъектного, объектного и передаточного модулей, характеризующих на верхнем уровне соответственно судоводителя, судно и судовые средства автоматизации. Каждый из структурных модулей фрагментируется и детализируется в соответствии с собственной структурной иерархией. Фрагментируются как сложные операторы верхнего уровня, так и операторы промежуточных и детальных уровней в виде блок-схем передаточных функций. 
Рис. 2. Принцип построения имитационной модели системы управления судном на базе ее структурных модулей.
Иерархические принципы фрагментирования структурных модулей показаны на рис. 3. 
Рис. 3. Фрагментирование структурных модулей компьютерной модели системы управления судном.
Детализация структурных модулей выполняется вплоть до таких нижних уровней существенной абстракции, при которых разработчику модели предоставляется возможность оперирования элементарными математическими и логическими передаточными функциями в рамках охвата его представлений о моделируемом процессе преобразования информации.
На рис. 4 показана структура ИСУ, которая, по аналогии с показанной на рис. 1 структурой, может быть представлена в виде сложного операнда преобразования судовых энергетических процессов при управляющих и возмущающих воздействиях на судно и его оборудование. 
Рис. 4. Представление судна в виде сложного операнда преобразования энергетических процессов при управляющих и возмущающих воздействиях на элементы судовых технических средств.
Компьютерное моделирование выполняется в три этапа:
1. моделирование объекта управления, характеризующего судовое движительное оборудование и судно в целом, с учетом управляющих и дестабилизирующих воздействий;
2. формирование алгоритмов автоматизированного управления судном, исходя из заданных программ его движения и маневрирования;
3. комплексная отладка алгоритмической части программного обеспечения ИСУ совместно с моделью объекта управления.
В зависимости от выбранного объема и глубины рассмотрения, структурные модули имитационной модели судна могут формироваться как одним, так и несколькими специалистами, каждый из которых владеет определенной глубиной знаний в собственной предметной области.
Формируя структурные модули, предметные специалисты определяют их функционирование и определяют входные и выходные межмодульные связи на верхних, параллельных и подчиненных уровнях. В том случае, если внешние и внутренние связи согласованы, и при этом каждый из модулей признан адекватным реальному объекту, синтезируется локальная группа модулей, на базе которых формируются структурные модули повышенного иерархического уровня.
В полном объеме система управления судном формируется путем объединения по входам и выходам субъектного, объектного и передаточного модулей. При правильной организации работ и отсутствии ошибок при формировании структурных модулей пониженных уровней, поведение синтезированной модели судна обязано быть адекватным поведению реального судна при любых видах управляющих и дестабилизирующих воздействий.
По результатам имитационного моделирования и комплексной отладки алгоритмов управления судовыми движителями и судном в целом, разрабатывается алгоритмическая часть программного обеспечения ИСУ, реализуемая в поставляемых на судно программируемых контроллерах.
Помимо решения поставленной задачи, программно-инструментальная оболочка OUR-СAD может успешно использоваться при разработке широкого спектра компьютерных моделей в других направлениях, к числу которых могут быть отнесены:
· Системы автоматического регулирования дизель-генераторных и турбогенераторных энергетических установок.
· Судовые пропульсивно-энергетические комплексы, содержащие гребные установки на базе ГД с ВФШ или ГД с ВРШ, рулевые устройства, рулевые насадки, винторулевые колонки, подруливающие устройства, балластные системы для выравнивания крена и дифферента.
· Электроэнергетические комплексы на базе дизельных электростанций с возможностью совместной работы с валогенератором.
· Подводные аппараты, суда на подводных крыльях.
· Общесудовая экспертная система контроля безопасности судна.
· Разработка и комплексная отладка типового алгоритмического обеспечения программируемых контроллеров в составе систем автоматического регулирования и автоматизированного управления судовыми пропульсивно-энергетическими и электроэнергетическими комплексами.
Список примеров, иллюстрирующих возможности компьютерной разработки и комплексного анализа имитационных моделей систем повышенной сложности, может быть расширен, исходя из задач, поставленных предметными специалистами соответствующих областей знаний.
Помимо своего основного назначения, программно-инструментальная оболочка OUR-СAD может рассматриваться в качестве универсального инструмента для создания, гибкой перенастройки и модифицирования предметно-ориентированных САПРов различного уровня сложности в следующих направлениях:
· тренажерные программы интерактивного управления имитационными моделями, характеризующими энергетические и транспортно-технологические процессы с учетом управляющих и дестабилизирующих воздействий;
· организационно-управленческие задачи сетевого планирования и комплексного анализа производственных и транспортно-технологических процессов;
· менеджмент качества продукции и эффективности деятельности предприятия в условиях рынка.
