Автоматизация АПЛ Проекта 705

В 1958 г. академик А.П. Александров предложил Вадиму Александровичу Трапезникову принять участие в конкурсе предэскизных проектов глубокой комплексной автоматизации нового класса атомных подводных лодок (АПЛ) – лодок-истребителей подводных и надводных кораблей вероятных противников. После обсуждения этого предложения с рядом ведущих сотрудников Института и консультаций с руководством организаций, привлечённых к разработке проекта АПЛ, Вадим Александрович принял решение участвовать в конкурсе.

Конкурс был выигран. Постановлением ЦК КПСС и Совета Министров СССР Институту было поручено научное руководство автоматизацией АПЛ и проведение исследований, необходимых для поддержки процесса проектирования. Привлечение академической организации к новому и ответственному проекту было, конечно, не случайным. На начальном этапе развития атомного флота именно учёные определяли пути развития этого вида вооружения. Упомянутым постановлением все работы по новой АПЛ возглавил акад. А.П. Александров, по ядерной энергетической установке – акад. А.И. Лейпунский, по автоматизации – акад. В.А. Трапезников. Главным конструктором корабля был назначен Г.М. Русанов, высокообразованный и смелый инженер-подводник (ЦКБ “Малахит”).

Традиционное, чисто эволюционное улучшение свойств нового корабля не давало требуемого уровня его тактико-технических характеристик. Тактические схемы применения лодок-истребителей, в отличие от лодок-ракетоносцев, требуют активных действий по отношению к силам противника для получения необходимой информации и последующего применения оружия. Этим требованиям можно было удовлетворить, только существенно повысив тактико-технические характеристики корабля, и в первую очередь точность и оперативность принятия решений, причём обязательно в сравнении с аналогичными характеристиками сил вероятного противника.

Оценки параметров систем и лодки в целом показали, что наряду с выполнением более жёстких технических требований необходимо примерно в три раза сократить численность личного состава в сравнении с близкими по объёму установленного оборудования торпедными лодками. Потребовались новые предложения буквально по всем системам и видам оборудования, начиная с корпуса и винта корабля. В результате напряжённой работы многих организаций и предприятий в 1970 г. ВМФ был передан для испытаний опытный образец лодки, который удовлетворял заданным тактико-техническим требованиям. 

Внимательное рассмотрение технических проблем и предложенных решений по информационным и управляющим системам первой в мире комплексно автоматизированной подлодки, какой на флоте считается АПЛ Проекта 705, представляет несомненный исторический интерес.

Труднее всего далось решение проблемы сокращения численности личного состава, задействованного в управлении многочисленными системами и оборудованием корабля. Было намечено два пути её решения. Первый заключался в увеличении степени автоматизации операций принятия и исполнения решений, как сказали бы сегодня – в повышении уровня интеллектуализации соответствующих управляющих систем. Второй путь состоял в увеличении числа технологически связанных между собой объектов, которыми можно было бы управлять одновременно посредством подачи одной управляющей команды человека-оператора.

Возможности реализации первого пути в 60-е годы прошлого столетия были не столь обширны, как в нынешнее время. Но всё-таки они и тогда были и, в основном, сводились к тому, чтобы: (а) более эффективно организовать рабочие места операторов; (б) более полно автоматизировать системы предаварийной защиты и выполнения оконечных операций (операций ввода в номинальные режимы и останова технологического оборудования), (в) наладить контроль правильности функционирования, выполнения диагностики и документирования состояния систем, оборудования и регистрируемых на борту лодки событий; (г) создать управляющие системы с более эффективной структурой.

Задача выбора оптимального соотношения между автоматизированными операциями переработки информации и принятия решений и операциями, выполняемыми человеком-оператором вручную, была и остаётся одной из труднейших. Причём чем сложнее объект, тем труднее эта задача. Причиной необходимости передачи человеку-оператору непосредственного решения тех или иных проблем, выполнения тех или иных операций являлась уникальная способность человека действовать интуитивно в условиях значительной информационной и событийной неопределённости.

Впрочем, данная важнейшая способность человека-оператора проявляется только тогда, когда этот оператор хорошо обучен, а организация его рабочего места удовлетворяет достаточно высоким требованиям. В процессе выполнения работ по Проекту 705 решения отыскивались, главным образом, экспериментально – на полунатурных стендах. Создавались модификации реальных пультов управления, а на электронных моделях воспроизводились все варианты режимов функционирования систем и оборудования, включая возникновение предаварийных ситуаций и вероятные аварии. В результате подобного моделирования и при учёте возникающих в процессе эксперимента стрессовых состояний определялось минимально необходимое число операторов. Одновременно решались задачи профессионального отбора операторов (по “быстроте” интеллекта) и выбора технических средств визуализации и характера представления информации, поступающей к операторам.

Вопросы оценки действий операторов в стрессовых ситуациях и по сей день можно считать открытыми. Специалисты подобного профиля проходят многолетнюю и абсолютно профессиональную выучку, но, несмотря на это, 70 % аварийных ситуаций возникают по вине оператора. В Проекте 705 наибольшее число операторов было задействовано в контурах управления тактическими и боевыми действиями лодки. Это – члены так называемого командирского боевого расчёта (КБР), в который входят командир корабля, штурман, гидроакустик и другие специалисты. Организация коллективной работы КБР относится к классу задач координированного управления. Варианты её наилучшего решения определялись, в основном, с помощью работы на специализированных стендах.

При минимизации числа операторов важную роль играли вопросы выбора структуры систем подлодки, средств сжатия информации и способов организации группового управления. При выборе структуры систем предпочтение было отдано иерархическим структурам. Иерархия – древнейший способ обеспечения управляемости многообъектных комплексов. Однако главные задачи, которые возникают при формировании иерархической структуры: выбор числа уровней иерархии и числа управляемых объектов нижестоящего уровня, подчинённых конкретному объекту вышестоящего уровня (задача комплексирования), – не имеют строгого теоретического решения. Известны лишь некоторые характеристические свойства иерархических структур. Например, увеличение числа уровней упрощает алгоритмы координации действий объектов нижестоящих уровней, но влечёт за собой снижение быстродействия и надёжности всей системы.

Анализ структуры управляемых технологических комплексов корабля показал, что для большинства из них минимальное число связей между уровнями связано с выбором трёхуровневой структуры управления. Нижний уровень включал в себя средства получения информации и её первичной обработки (фильтрация и нормирование), регуляторы, системы логического управления пусками и остановами объектов и, наконец, средства обмена информацией в пределах уровня. Средний уровень образовывали средства формирования заданий нижнему уровню, средства предаварийной защиты и реконфигурации структуры нижнего уровня, средства обобщения информации, передаваемой на верхний уровень. Верхний уровень сводился к рабочим местам операторов, органам резервного дистанционного управления средствами нижних уровней и системе автоматической регистрация событий (так называемый “чёрный ящик”). Нижний уровень систем компоновался из условия обеспечения максимально возможной надёжности его средств при условии сохранения допустимого уровня качества управления.

Автоматизация сбора информации о состоянии оборудования и аппаратуры, её обобщение и сжатие перед представлением оператору вкупе с групповыми командами управления в корне изменили не только внешний вид корабельных пультов управления, но и характер работы самих операторов. Теперь внимание операторов сосредотачивалось только на изменениях режимов работы систем – событиях, и лишь для каких-либо уточнений могли вызываться численные значения интересующих оператора координат и параметров. Выбранная организация информационных каналов повышала точность и сокращала время принятия решений. Для реализации группового управления были введены специальные команды управления целыми режимами функционирования объектов. Затем с помощью средств логического управления эти команды автоматически развёртывались во времени, связывались с событиями и преобразовывались в индивидуальные команды, подававшиеся на исполнительные органы и локальные системы.

Изучая динамику процессов в атомной энергетической установке, в комплексе пространственного маневрирования и в других системах корабля, сотрудники Института выполнили колоссальный объём исследований. В контакте с организациями-соисполнителями отрабатывались математические модели процессов, синтезировались законы управления, формировались модели исходных событий, которые могли привести к авариям, и их последующего развития, изучались варианты действия управляющих систем по компенсации возможных последствий. В процессе работы над проектом применялись разнообразные аналитические методы. Однако главным инструментом было моделирование на разработанных в нашем Институте аналоговых вычислительных машинах (ЭМУ-10). Необходимость и неизбежность моделирования диктовалась значительным числом нелинейностей и высочайшей многомерностью (многосвязностью) исследуемых процессов. Модели некоторых комплексов, например, энергетической установки, занимали около трёхсот решающих усилителей. Выполненные исследования динамики позволили не только синтезировать алгоритмы работы управляющих систем, но и выявить существование ряда доселе неизвестных и опасных процессов.

Следует особо отметить ту роль, которую Проект 705 сыграл в развитии исследований по проблемам анализа и обеспечения надёжности и живучести автоматизированных комплексов. В проектной документации того времени разделы, посвящённые анализу надёжности, не предусматривались. Именно Проект 705 стал прецедентом, который сделал обязательным выполнение предварительного количественного анализа надёжности корабельных систем. Для этого сотрудникам Института пришлось выполнить немалый объём аналитических и организационных работ. Институт выпустил все необходимые руководящие материалы, разработал методы расчёта надёжности, предложил типовые модели оценки надёжности систем, подготовил справочник исходных данных для определения интенсивностей отказов всех технических компонент. Сотрудники Института организовали и провели обучение работников проектных организаций, выполнили предварительный расчёт и анализ надёжности всех разрабатываемых систем. В те времена бытовало определённое недоверие к количественным оценкам надёжности, однако все участники работ над Проектом 705 воспринимали результаты предварительного анализа надёжности как конструктивный и крайне полезный способ выявления слабых мест, позволяющий добиться так называемой надёжностной равнопрочности основных систем.

Таким образом, работы над Проектом 705 стимулировали развитие теории и создание новых оригинальных методов анализа надёжности и живучести систем сложной структуры. Решение проблемы обеспечения надёжности потребовало от разработчиков немалых усилий. Были разработаны принципы и способы введения избыточности (резервирование) и подсистем восстановления работоспособности в специальным образом расклассифицированную аппаратуру; выполнена унификация элементной базы и конструктивов аппаратуры, предложены методы контроля работоспособности и обеспечения ремонтопригодности. Особенно значительный эффект по показателям качества и надёжности управления дала предпринятая по инициативе Института разработка унифицированных для всех систем лодки блоков логического управления (около 80 % всей аппаратуры) и аппаратуры информационных каналов (датчиков, источников питания, вторичных приборов усиления, фильтрации и нормализации сигналов). 

Чтобы подчеркнуть всю сложность проблем обеспечения надёжности, приведём один пример. В соответствии с требованиями Минэлектронпрома интенсивность отказов выпускаемых отечественной электронной промышленностью комплектующих элементов должна была составлять величину порядка 10^-3-10^-4 отказов, а наработка на отказ – около двух тыс. часов. При таких нормативах и разумных запасах резервной аппаратуры (ЗИПа) на борту лодка не смогла бы обеспечить номинальной продолжительности автономного плавания, то есть должна была бы постоянно держаться поближе к базе, чтобы успевать своевременно пополнять ЗИП. Выход из положения нашёл В.А. Трапезников, предложивший командованию флота принять нормативный документ, в соответствии с которым гарантировался ресурс наработки до 10–15 тыс. час и интенсивность отказов на уровне зарубежных аналогов (10^-5). Разумеется, это вызвало острую дискуссию, тем не менее, флотское начальство предложение Вадима Александровича приняло.

На плечах Трапезникова – научного руководителя всех разработок по системам управления – лежала колоссальная ответственность. По результатам проводившихся в Институте испытаний Вадим Александрович отлично знал истинное положение дел в области надёжности по Проекту 705. Впрочем, не хуже он разбирался и в психологии и принципах работы большинства советских руководителей: не обещай лишнего – меньше будет шишек. Экономические механизмы тогда ещё не работали. Поэтому результативность и качество выполнения работ зависели от двух факторов: страха перед наказанием (в случае неудачи) и развитого чувства личной ответственности. Последнего директору нашего Института было не занимать.

Результат по надёжности получился таким. Элементная база проходила специальный отбор, была введена прогрессивная технология изготовления печатных плат, и по данным эксплуатации фактический ресурс электронных блоков достиг 30–40 тыс. час.

В связи со значительным сокращением личного состава особо жёсткие ограничения были установлены на объёмы трудозатрат по техническому обслуживанию и восстановлению работоспособности систем. Конечно, при этом были использованы все известные результаты отечественных и зарубежных исследователей в области теории надёжности: методы и схемы контроля, диагностики, задачи оптимального резервирования. Впрочем, труднее всего оказалось решить организационные вопросы. Мощнейшим рычагом минимизации упомянутых трудозатрат – затрат на техобслуживание – всегда являлась унификация элементной базы, конструктивов и других технических решений. Однако системы подлодки создавались десятками предприятий страны, которые относились к разным министерствам и работали по разным нормативным документам. Общесоюзная стандартизация тогда ещё была слаба, а рынок, как эффективный механизм стандартизации, попросту отсутствовал. Поэтому проблема решалась чисто “силовыми” методами – на уровне больших руководителей (в частности, научных) и Совета Министров СССР. Участие в Проекте 705 было престижным, поэтому руководители Проекта организовывали конкурсные разработки. Так, конструирование блоков логического управления было заказано сразу четырём организациям (лучшей была признана разработка СПКБ ЮВМА, г. Ростов-на-Дону).

Немало сил было затрачено на комплексную отладку систем. Практика того времени заключалась в том, что процесс отладки, как правило, начинали уже после монтажа всей аппаратуры на объекте. Это приводило к значительным потерям времени и было сопряжено с потенциальным риском аварий. В дело вмешался Вадим Александрович, который самым решительным образом настоял на необходимости создания отладочных стендов, воспроизводящих с помощью математических моделей режимы функционирования технологических комплексов (главной энергетической установки, комплекса маневрирования корабля в пространстве, электроэнергетической системы, боевой информационно-управляющей системы и других систем). Стенды изготовили, и процедура ввода в действие и предварительной отладки штатных систем была значительно упрощена.  

Существенное сокращение численности операторов сопровождалось специальными мерами по усилению защиты от ошибочных действий операторов, что оказалось возможным только благодаря применению логических средств автоматизации нового поколения. 

Опыт автоматизации АПЛ Проекта 705 кардинально изменил отношение руководства флота к проблеме комплексной автоматизации кораблей. Господствовавшее среди высшего офицерства недоверие к средствам автоматики сменилось на абсолютно нормальное, адекватное отношение к автоматизации, как к одному из важнейших средств обеспечения боеготовности кораблей, включая устойчивость их динамики. 

В результате Институт завоевал себе достаточно высокий авторитет у судостроительных организаций. В 70–80-е годы по постановлениям Правительства был выполнен цикл работ по развитию идей автоматизации новых проектов кораблей. Ряд сотрудников Института, которые принимали участие в работах по Проекту 705, привлекли вновь для научного руководства процессом автоматизации новой серии атомных ледоколов (“Арктика”, “Сибирь”), а также новой серии танкеров и контейнеровозов. В открытой печати тогда удалось опубликовать лишь ту часть полученных результатов, которые относились к крупнотоннажным судам (монография “Теоретические вопросы построения АСУ крупнотоннажными транспортными судами”, М.: “Наука”, 1978).

Какие же выводы можно сделать из рассказанного о работах по Проекту 705?

Во-первых, вывод о том, насколько велика роль эффективных организационных механизмов, и насколько значительно правильное понимание руководителями и коллективом исполнителей работы всей её важности. Вадиму Александровичу удалось собрать коллектив истинных единомышленников, создать в нём атмосферу взаимовыручки и сотрудничества, привить людям чувство предельной ответственности (в чём, конечно, сам он был наиболее ярким примером). В работе, которая шла как общеинститутская тема, участвовали примерно 10 лабораторий. Весь коллектив исполнителей был разбит на группы. Состав каждой группы формировался не по лабораторному, а тематическому принципу.

Во вторых, была выбрана правильная политика сотрудничества с организациями-соисполнителями проекта. С первых шагов на вооружение был поставлен принцип “учимся сами – учим других”. Это позволило добиться взаимного доверия и стабильного творческого сотрудничества со специалистами многих смежных организаций. Наиболее тесно Институт работал с проектными и научно-исследовательскими организациями Ленинграда, Москвы, Обнинска и Нижнего Новгорода. 

В-третьих, было введено неукоснительно исполнявшееся правило обязательного обмена результатами исследований всех организаций-соисполнителей. За этим следовали обсуждение, подготовка проекта решения и утверждение этого решения соответствующим научным руководителем.

В-четвёртых, конкурсная, конкурентная организация разработок основных технических решений, особенно средств автоматизации, оказалась крайне действенным механизмом. 

При этом Институт осуществлял научное сопровождение всех стадий испытаний опытной подлодки и первого её серийного образца.

Значительный вклад в автоматизацию АПЛ Проекта 705 внесли В.А. Трапезников, Д.И. Агейкин, В.Ю. Кнеллер, С.И. Бернштейн, Б.Г. Волик, М.Х. Дорри, М.М. Соловьёв, Г.Г. Гребенюк, С.М. Доманицкий, Г.Э. Острецов, М.Г. Тахтамышев, Б.Я. Коган, Ф.Б. Гулько, В.М. Дворецкий, Г.Г. Молчанов, А.И. Попов, В.П. Силанчев, А.Ф. Волков, В.А. Ведешенков, В.Д. Зенкин, Г.К. Сорокин, Г.Б. Семёнов, А.В. Лебедев, Т.А. Турковская, И.Е. Декабрун, Н.А. Шавыкин.

Работа была отмечена правительственными премиями и наградами. Среди них: Ленинская премия (В.А. Трапезников), Государственная премия (Д.И. Агейкин, А.Ф. Волков), орден Октябрьской Революции (Д.И. Агейкин), орден Трудового Красного Знамени (С.И. Бернштейн, Б.Г. Волик), орден “Знак Почёта” (В.А. Ведешенков, И.Е. Декабрун, Г.Э. Острецов), медаль “За трудовую доблесть” (Ф.Б. Гулько, Г.Г. Молчанов), медаль “За трудовое отличие” (М.Х. Дорри, М.Г. Тахтамышев).