Междисциплинарный характер компьютерных проектов
1.2. Базовые положения современной проектной технологии прототипирования
Современные боевые и гражданские самолеты являются типичными представителями технотронных комплексов, эксплуатация и боевое применение которых в принципе невозможны без использования средств вычислительной техники. (Пере)насыщенность современных летательных аппаратов (ЛА) бортовым электронным оборудованием (БЭО) - это не дань моде, а объективная реальность, вызванная как необходимостью повышения безопасности полетов, в том числе и в сложных метеоусловиях, так и необходимостью максимального использования летно-технических и боевых характеристик ЛА. В частности, даже боевые ЛА 3-го поколения типа F-16 являются статически неустойчивыми на дозвуковых скоростях, нейтрально устойчивыми в диапазоне трансзвуковых скоростей и устойчивыми на сверхзвуковых скоростях [6]. Поэтому для таких ЛА были разработаны активные системы управления на основе бортовых компьютеров, без которых летчик был бы вынужден заниматься не столько управлением ЛА, сколько его стабилизацией на протяжении всего полета, как это имело место на заре авиации. В результате ЛА 5-го поколения уже представляет собой сложнейший технотронный комплекс, проектирование которого требует учета всего комплекса "человеко-машинных" факторов и на всех этапах жизненного цикла.
Военно-политическая составляющая (пере)насыщенности современных и перспективных ЛА БЭО связана со стремлением технически развитых стран, и в первую очередь США, с одной стороны, монополизировать мировой рынок производства и эксплуатации авиационной техники, а с другой стороны, повысить мобильность передислокации боевых авиационных группировок в зону локальных военных конфликтов, в рамках которых авиации принадлежит решающая роль. С этой целью США через международную организацию гражданской авиации ИКАО лоббируют технические нормы, полностью обеспечивающие полеты и посадку ЛА на аэродромы за счет собственного БЭО и глобальных систем спутниковой навигации. Реализация такой военно-технической политики позволит авиации США быстро перебазироваться в зону боевых действий без каких-либо серьезных требований к наземному оборудованию, что характерно для слаборазвитых стран, где в основном и развертываются современные локальные конфликты.
В силу изложенных причин США потребовалась качественно новая технология сквозного системного проектирования ЛА, его систем и БЭО, включая и бортовые вычислительные системы (БВС). Она получила название " прототипирование " и представляет собой итерационный процесс, в котором общий замысел проекта переводится в конкретизированное описание разрабатываемого объекта последовательным приближением. На практике технология интеграции и прототипирования (технология ATIP [7]) впервые была использована в НИР AVSEP (Avionics Virtual Systems Engineering and Prototyping - виртуальная системотехника и макетирование авионики) и сыграла ключевую роль во всем процессе развития проектных технологий, относящихся не только к авионике боевого самолета, а вообще к бортовому оборудованию различных аппаратов. Революционность этой проектной технологии состоит в том, что комплекс БЭО боевого самолета начал создаваться не путем комплексирова-ни я ("сборкой" системы из отдельных уже сформировавшихся как самостоятельные изделия блоков), а интегрированным проектированием.
По оценкам американских специалистов появление технологии ATIP равнозначно появлению в авиации технологии аэродинамических продувок ЛА. С этим связано использование в некоторых работах и публикациях неформального упоминания технологии ATIP как "аэродинамической трубы авионики" ("Avionics Wind Tunnel").
Технология ATIP позволила получить один из вариантов архитектуры комплекса БЭО самолета JSF (Joint Strike Fighter - многоцелевой ударный истребитель-бомбардировщик), ставшего отправной точкой для проведения последующих итераций разработки БЭО.
Проведение самой НИР ATIP позволило, в частности, определить основные положения итерационного процесса, посредством которого фирмы-исполнители должны осуществить переход от утвержденной концепции БЭО к комплексу блоков оборудования, являющемуся материализацией этой концепции.
Методически этот процесс основан на оценке характеристик боевого функционирования самолета как боевого авиационного комплекса с учетом конкретных характеристик основных систем БЭО и воспроизведением работы летчика в общем процессе функционирования боевого авиационного комплекса. Последнее проводилось с помощью различных моделирующих стендов, обеспечивающих участие человека в реализации исследуемых процессов.
Учет характеристик основных систем на первых этапах проводился с использованием математических моделей этих систем, которые по ходу исследования постепенно заменялись полунатурным моделированием с использованием блоков реальной аппаратуры. В результате, многократно повторяя одни и те же варианты боевого применения JSF [7-10] при различных значениях параметров основных систем БЭО, разработчики смогли оценить степень влияния этих параметров на показатели боевых возможностей самолета.
Используя описанную процедуру, разработчики осуществили также постепенную адаптацию общей архитектуры комплекса БЭО JSF "версия 1" к конкретным особенностям разрабатываемого ими самолета. Начав с одной и той же "исходной точки", фирмы Boeing и Lockheed Martin постепенно двигались каждый в своем направлении, все в большей степени конкретизируя облик БЭО своего варианта проекта самолета JSF.
Степень индивидуализации разработок БЭО может быть проиллюстрирована вариантами информационно-управляющего поля (ИУП) кабины пилота, принятыми фирмами Boeing и Lockheed Martin для самолетов Х-32 и Х-35 к середине 1999 г.
Оба разработчика отказались от использования индикатора на лобовом стекле (ИЛС). Функции этого устройства были полностью переданы нашлемной системе индикации. Фирма Lockheed Martin сохранила в информационном поле три широкоформатных многофункциональных цветных индикатора в несколько ином их расположении, чем это было в ИУП комплекса БЭО JSF "версия 1". В отличие от этого фирма Boeing использовала в ИУП самолета Х-32 только два широкоформатных многофункциональных индикатора, дополненных двумя резервными индикаторами малого размера.
Следует подчеркнуть чрезвычайно высокую динамичность процесса разработки БЭО, существовавшую в ходе выполнения НИР ATIP [7]. Примером может являться проведение фирмой Boeing "открытых сессий" общего процесса разработки БЭО. Каждая такая "сессия" длилась в течение недели и проводилась с участием летчиков, представлявших различные виды вооруженных сил США и стран - участников программы JSF. В процессе моделирования нескольких десятков боевых вылетов с участием летчиков проводилась оценка совершенства ИУП, программного обеспечения и используемых решений по интеграции функциональных систем БЭО.
На основании этих оценок принимались решения по внесению изменений в существующий проект комплекса БЭО, реализация которого не занимала много времени. Некоторые изменения, например, в программном обеспечении могли производиться практически без задержки. Другие изменения, связанные с изготовлением новых вариантов моделируемых устройств, производились в течение суток. Это обеспечивалось за счет использования специальных автоматизированных средств конструирования, позволяющих при очень малых затратах времени создавать трехмерные модели элементов оборудования кабины, требующих изготовления.
Для проведения этих исследований использовался моделирующий комплекс фирмы Boeing, состоящий из двух стендов с полной визуализацией окружающей обстановки. Еще одно рабочее место оператора моделирующего комплекса использовалось для моделирования действий самолета противника. Это позволило воспроизвести групповые действия боевых самолетов с проверкой функционирования тех систем БЭО, которые предназначались для обеспечения таких действий. Типичной для таких исследований задачей являлась передача информации о противнике с одного самолета на другой, атакующий цель, но находящийся в режиме радиомолчания.
Авионика всех трех вариантов самолета, разрабатываемая по программе JSF, размещается в центральном отсеке, а антенны будут конструироваться в соответствии с требованиями, предъявляемыми тремя видами вооруженных сил, с изменением тех или иных функций путем подключения или отключения соответствующих модулей программного обеспечения.
В итоге была получена перспективная архитектура БЭО, которая характеризуется [7]:
- общностью оборудования (примерно 90 % авионики трех вариантов самолета JSF должно обеспечиваться за счет использования общих аппаратных и программных модулей);
- гибкостью (независимое от аппаратной части программное обеспечение позволяет по мере необходимости осуществлять замену процессоров без дорогостоящей операции перекодирования);
- масштабируемостью (изменение количества модулей обеспечивает изменение возможностей авионики для различных вариантов самолета).
При этом приемлемая стоимость разработки авионики достигается за счет:
- функциональной интеграции, позволяющей осуществить разработку, изготовление и обслуживание систем с меньшим числом модулей;
- открытости архитектуры, базирующейся на коммерческих стандартах, что позволит уменьшить стоимость компонентов и упростить модернизацию систем;
- гибкости структуры прототипов систем, позволяющей вносить изменения в авионику на этапах проектирования.
Методическая стадия исследований, проведенных в рамках НИР AVSEP, отличалась использованием весьма детализированных алгоритмов оценки стоимости изделия. Они обеспечивали стоимостную оценку не только всего изделия в целом, но и отдельных функций, выполняемых этим изделием. Благодаря этому оценка каждого варианта проектных решений по комплексу БЭО могла быть сделана при рассмотрении не общей величины стоимости, а стоимостной сводки, учитывающей все основное подсистемы БЭО. Стоимость вычислительного ядра авионики самолета JSF составляет почти 25 % от общей стоимости всей авионики, и чтобы не превысить это значение, предполагается широкое использование коммерческих стандартов и компонентов.
Применение при создании БЭО самолета JSF ряда научных и технических решений, исследованных ранее при разработке авионики самолета F-22, позволяет говорить о технологии прототипирования как о базовой составляющей в процессе эволюционного формирования типового облика БЭО самолетов 5-го поколения.
Таким образом, к отличительным концептуальным особенностям технологии проектирования авионики самолетов 5-го поколения относятся:
- реализуемость, открытость и адаптируемость архитектуры;
- общность используемых на борту ЛА аппаратных и программных средств;
- независимость программ от используемых аппаратных средств;
- масштабируемость вычислительных средств;
- приемлемая стоимость авионики;
- ориентация на широкое использование коммерческих технологий и компонентов;
- унификация сети передачи данных;
- стандартизация конструктивного исполнения всей авионики;
- совершенная методология и инструментальные средства программирования;
- эффективные средства встроенного контроля;
- повышение уровня надежности, ремонтопригодности, технического обслуживания;
- эффективные средства локализации ошибок.
Реализация этих концептуальных особенностей авионики достигается за счет применения следующих технологий и технических решений:
- практическая реализация идеи ядра авионики, за счет чего достигается общность использования на различных самолетах аппаратных и программных средств;
- использование технологии и гибких средств виртуального прото-типирования авионики на ранних этапах ее разработки, что обеспечивает высокую гибкость проектирования при минимизации стоимости внесения изменений и при анализе различных вариантов построения авионики;
- использование развитой технологии программирования, стандартизации интерфейса прикладных программ;
- применение оптоволоконных каналов передачи информации;
- использование высокоинтегрированных средств обработки информации;
- использование открытой масштабируемой сетевой модульной архитектуры вычислительной системы, построенной на основе технологии с применением волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), коммерческих компонент и стандартных интерфейсов;
- глубокая функциональная интеграция;
- модульность БЭО;
- применение технологии искусственного интеллекта.
На основе приведенных данных можно заключить, что устойчивая техническая политика в области создания БЭО позволила США выйти на качественно новый уровень:
- структурно-функциональной и конструктивной интеграции всех компонент БЭО перспективных ЛА;
- проектных технологий, основу которых образует натурное и виртуальное прототипирование с участием летчика на самых ранних этапах разработки БЭО.
Промышленный выпуск изделий, разработанных по технологии про-тотипирования, требует гибких автоматизированных производственных технологий, быстро реагирующих на изменения структурно-функциональных и конструктивно-технологических схем по всей номенклатуре выпускаемых изделий. Данное требование достаточно критично даже для современной микроэлектроники и вычислительной техники, в которых период удвоения качества составляет 1,5-2 года.
В итоге можно считать, что США фактически готовят переход к интеграции всего жизненного цикла разработки, выпуска, эксплуатации и развития БЭО, что требует сверхмощных систем полунатурного моделирования (аэродинамической трубы авионики), которые напрямую формируют маршрутные карты гибкого технологического производства БЭО с учетом накопленного опыта эксплуатации и боевого применения.
Чтобы оценить инерционность фазы перехода от научных исследований к конкретному их воплощению в программно-аппаратные платформы, достаточно напомнить, что идеи открытости, масштабируемости и адаптируемости интенсивно разрабатывались отечественными учеными более 25 лет тому назад в рамках теории многопроцессорных вычислительных систем с программируемой архитектурой [11].