Например, Бобцов

ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ВЫБОРУ СИСТЕМЫ МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

40 В. И. Горбулин, В. В. Панченко, Н. В. Радионов
УДК 621.391.037
В. И. ГОРБУЛИН, В. В. ПАНЧЕНКО, Н. В. РАДИОНОВ
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ПОДХОД К ВЫБОРУ СИСТЕМЫ МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Впервые сформулирована корректная математическая постановка техникоэкономической задачи выбора состава системы малых космических аппаратов и средств наблюдения за заданным районом, обеспечивающей требуемую достоверность получаемой информации в условиях ограниченного финансирования. Предложенная декомпозиция позволила разработать методику раздельного решения технической задачи по критерию допустимости и оптимальной экономической задачи.
Ключевые слова: средства наблюдения, космические аппараты, задача выбора, достоверность, финансирование, оптимизация.
Введение. В настоящее время создание и совершенствование малых космических аппаратов (МКА), предназначенных для обзора земной поверхности, — одно из перспективных направлений развития космических технологий. Преимуществом применения МКА является возможность обзора в сжатые сроки значительных территорий. Кроме того, изображения, полученные с помощью бортовой аппаратуры МКА, обладают необходимой точностью, позволяющей идентифицировать нужные объекты в разнообразных волновых диапазонах. Поэтому применение МКА в комплексе с традиционными средствами контроля позволит в целом повысить достоверность информации за счет комплексирования источников.
Однако при внедрении подобной космической технологии в условиях ограниченного финансирования возникает задача выбора варианта эффективного применения комплекса имеющихся средств. При математической постановке этой задачи следует учитывать не только показатели качества выполнения целевой задачи средствами наблюдения, но и затрачиваемые на ее решение финансовые ресурсы. При этом расчет эффективности комплексного применения средств наблюдения является трудной научно-технической задачей, требующей решения на этапе принятия системы в эксплуатацию, когда будут довольно точно определены основные тактико-технические характеристики (ТТХ) средств, разработано программноматематическое обеспечение обработки информации и определены сметы на создание и эксплуатацию системы.
Концептуальная постановка задачи выбора состава аппаратуры МКА. Конечной целью функционирования системы сбора информации является селекция (распознавание) объектов в пределах заданного района земной поверхности площадью Sз при обеспечении требуемой вероятности селекции P. Вероятность селекции зависит от возможности наблюдения и распознавания класса объектов и определяется целой группой параметров, в которую могут входить ТТХ средств, характеристики условий и методов наблюдения, также существенно зависящие от вложенных в их разработку и функционирование финансовых ресурсов.
В настоящей статье предлагается методика расчета целевого показателя задачи выбора состава аппаратуры МКА с использованием декомпозиции с выделением технических и экономических показателей. Так, каждое из разнотипных средств наблюдения можно характеризовать техническими показателями, основными из которых являются:
— условия наблюдения (дальность и волновой диапазон сканирования); — зона наблюдения (площадь сканируемого района); — разрешающая способность; — гарантийный срок эксплуатации и потребляемая мощность.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 4

Технико-экономический подход к выбору системы малых космических аппаратов

41

Перечисленные показатели существенным образом влияют на эффективность выполнения задачи системой. Однако в целом они определяют только полезностный аспект эффективности функционирования каждого из средств. Возможность реализации системы определяется финансово-экономическими показателями — стоимостью средства и эксплуатационными затратами на него в течение заданного периода в обозримом будущем.
В качестве целевого показателя применения комплекса средств наблюдения для системы МКА и для каждого средства наблюдения в отдельности предлагается использовать соотношение „полезность—стоимость“ [1]. Техническую полезность системы предлагается оценивать некоторым скалярным показателем, характеризующим достоверность информации, а ее стоимость — векторным показателем, включающим затраты на создание (закупку) и эксплуатацию средств наблюдения. В этом случае на этапе принятия системы в эксплуатацию может быть использована двухцикловая методика выбора ее состава. В первом цикле расчетов с использованием принципа масштабирования в состав системы отбираются средства, удовлетворяющие критерию пригодности по скалярному показателю. Во втором цикле на основе отобранного множества средств наблюдения с учетом показателя „стоимость“ решается оптимизационная задача минимизации расходов.
При обосновании единого технического показателя эффективности комплексного применения средств наблюдения целесообразно использовать понятие достоверности информации. В качестве основного компонента предлагается использовать так называемый коэффициент достоверности информации D , получаемой от одного технического средства наблюде-
ния [2]. Этот коэффициент можно определить соотношением D = S ∆ , где S — площадь
района, сканируемая в течение исследуемого периода времени T , ∆ — показатель разрешающей способности средства наблюдения, выраженный минимальной площадью классифицируемого (с заданной вероятностью) объекта.
С увеличением S возрастает и вероятность обнаружения объекта на земной поверхности, а с уменьшением ∆ — вероятность классификации объекта на просканированном районе. Однако в действительности значение S зачастую меньше, чем Sз. Кроме того, может быть задано множество таких районов. Тогда за время Tи трасса одного средства наблюдения
может проходить через контролируемый район только в течение ограниченного временного интервала, или обстановка в районе в период отсутствия наблюдения может изменяться. Поэтому для полноты и постоянства контроля за заданным районом должна использоваться система средств наблюдения, состоящая из n отдельных однотипных средств. Тогда для системы средств наблюдения можно ввести более сложный показатель достоверности
DP = P (n) S (n) ∆ (n) ,
где P (n) — вероятность покрытия требуемого района (районов) системой из n средств на-

блюдения за время Tи , которая может быть вычислена и с учетом вероятности попадания

объекта наблюдения в поле сканирования. Поэтому на этапе синтеза (проектирования) систе-

мы может быть поставлена задача выбора числа n либо по критерию оптимальности

DP

(

n

)



max
n

,

либо, что более возможно, по критерию пригодности для заданного уровня достоверности Dз

системы:

DP (n) ≥ Dз .

Данную задачу можно назвать задачей технического масштабирования системы средств

наблюдения различного базирования [3—5].

На этапе синтеза системы традиционно используется показатель „цена—качество“, час-

тично реализующий указанный выше принцип „полезность—стоимость“. Экономический

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 4

42 В. И. Горбулин, В. В. Панченко, Н. В. Радионов

смысл данного показателя состоит в следующем. Очевидно, что при известном значении n в системе, известной стоимости единичной закупки Iq и эксплуатации Сq в течение периода

Tи планируемые общие инвестиции в систему наблюдения составят
n
B = ∑ ( Iq + Cq ) . q=1
Опыт конструирования подобной техники указывает, что, например, для получения большей разрешающей способности ∆ требуются либо большие инвестиции Iq , либо боль-
шее количество средств n в системе, что увеличивает и эксплуатационные затраты Сq . По-

этому зависимость показателя цены 1 B (1 ∆) с учетом n (∆) будет близкой к гиперболе. В то

же время зависимость показателя достоверности в виде DP (1 ∆) , очевидно, является возрас-

тающей функцией DP (1 ∆) → ∞ . Если принять отношение DP (1 ∆) B (1 ∆) в качестве целе-

вого показателя системы, то из проведенного анализа следует, что этот показатель имеет оп-

тимальную точку при условии:

( ) ( )dDP 1 ∆∗ ( ) ( ) ( ) ( )d 1 ∆∗

B 1 ∆∗

dB 1 ∆∗ =
d 1 ∆∗

DP 1 ∆∗

(1)

(1 ∆∗ , здесь и далее звездочка означает „оптимальность максимума“).
Максимум показателя может в какой-то степени обеспечить компромисс между требованием повышения технической полезности системы и экономической возможности ее реализации (снижением затрат). С учетом бюджетного ограничения Bз окончательное решение
( ) ( ( ))задачи выбора можно определить из условия n∗∗ = n 1 ∆∗∗ = n B−1 B∗ , где

{ ( )}B∗ = min B; B 1 ∆∗ . В частности, подобный подход рассматривался в работе [1].

Однако при ближайшем рассмотрении такой традиционный подход к решению задачи

выбора состава МКА оказывается неприемлемым, так как не учитывает некоторых важней-

ших условий. Во-первых, задача системы в период эксплуатации может быть гораздо сложнее

рассмотренной выше и включать, например, множество контролируемых районов или мно-

жество волновых диапазонов сканирования. Во-вторых, период Tи может оказаться значи-

тельно больше срока активного существования одного средства Tэk , следовательно, в буду-

щем расходы на поддержание системы могут существенно возрасти за счет необходимости

восполнения системы.

Математическая постановка задачи. Пусть целевая задача системы включает M под-

задач, выполнение которых для системы средств наблюдения является существенно необхо-

димым, например, при селекции объектов в одном районе в M волновых диапазонах сканиро-

вания. Допустим, что из решения задачи (1) для каждого из диапазонов на этапе технического

проектирования средств наблюдения определено по N типов подсистем средств наблюдения

(равное количество в данном случае выбрано только для упрощения). С учетом решения за-

дачи (1) каждая из N подсистем в каждом из M диапазонов обеспечивает требуемый уровень

достоверности информации D j , j = 1, …, M :

( )DP ij j 1 ∆ij j ≥ DP j , i j = 1, …, N , j = 1, …, M ,

(2)

где ij — номер подсистемы, работающей в j-м волновом диапазоне.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 4

Технико-экономический подход к выбору системы малых космических аппаратов

43

Очевидно, что в этих условиях для обеспечения требуемой достоверности информации, получаемой комплексом средств в каждом из диапазонов, достаточно поддержания только одной из N подсистем. Следовательно, возникает задача выбора „одного из N“. Но теперь при ограниченном бюджете эта задача становится экономической [6, 7].

Обозначим через Tэij срок активного существования (гарантийный срок эксплуатации)
средств ij-й подсистемы, обеспечивающей сканирование района в j-м диапазоне. Если при этом закупка единичной подсистемы составляет Iij (с учетом определенного в выражении (1)

оптимального состава подсистемы из ni∗j средств наблюдения) и на весь период Tи потребуется Cij средств на ее эксплуатацию, то в течение периода Tи потребуется также mij = Tи Tэij раз восполнить группировку средств наблюдения, затратив каждый раз, по
( )предварительной оценке, Iij ni∗j денежных средств. Тогда экономико-математическая зада-

ча выбора эффективного варианта комплексного применения средств наблюдения может

быть сформулирована как задача поиска таких индексов i∗j принятых к эксплуатации подсис-

тем, которые обеспечивают минимальные расходы на их будущее восполнение, при условии

достаточности бюджета B для их первичной закупки и эксплуатации в течение Tи :

( ) ( ) ( ( ) ( ))M M

∑ ∑min
i j∈1,…,N

k
j=1

r, mi j

Iij

ni∗j

;

Ii j ni∗j + Ci j ni∗j
j =1

≤ B,

(3)

( )где k r, mij — коэффициент дисконтирования, моделирующий стоимость денег в буду-

щем [8] с учетом количества платежей mij показателя инфляции и кредитного риска, вы-
раженного процентной ставкой r. Собственно задача (3) относится к классу задач нелинейного целочисленного програм-
мирования и элементарно решается методом простого перебора вариантов вектора индексов

J M = [i1,i2 ,…, iM ]T , i j ∈1, N , j = 1, M . Однако существуют и методы направленного пере-

бора, позволяющие при некоторых дополнительных условиях снизить трудоемкость решения

задачи. В частности, при наличии коэффициентов дисконтирования для решения (3) можно

применить метод Х. Фишеля [9]. В этом случае необходимо формально приводить задачу к

одинаковой периодичности оплаты восполнения подсистем путем представления

( )Ii0j

= mi j

Ii j ni∗j mmax

,

где

mmax

=

ij

max
=1,…, N

mi

j

j=1,…,M

— максимально возможная частота восполнения по всем системам и всем волновым диапазонам. В результате оплату восполнения каждой подсистемы можно осуществлять с одинаковой частотой, но различными суммами. При этом сумма траншей за период между двумя момен-
( )тами фактического восполнения системы в точности равна требуемым затратам Iij ni∗j .

Для удобства дальнейшего анализа задачи (3) преобразуем ее путем введения новых переменных:

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 4

44 В. И. Горбулин, В. В. Панченко, Н. В. Радионов

( ) ( )xij :

Ii j ni∗j

+ Cij

ni∗j

=

I

∗ j max

xi j

;

0 < xi j ≤ 1;

{ ( ) ( )}I

∗ j max

=

max
ij

Iij

ni∗j

+ Si j

ni∗j

…, j ∈1,…, M .

Обозначим

zj

=

I

∗ j max

;

z0

=

B

и

введем функции:

( ) ( ) ( )yij

xi j

=



Ii0j xi j

≡− Ii j

Ii0j ni∗j + Ci j

ni∗j

I

∗ j

max

.

В принятых обозначениях переменные xij имеют экономический смысл дискретных

интенсивностей инвестирования в закупку и эксплуатацию системы j-го волнового диапазона.

( )Тогда параметры yij xij можно интерпретировать как „плавающие“ показатели экономиче-

ской эффективности затрат на восполнение систем. Задача (3) в принятых обозначениях при-

нимает вид

( )∑ ( ) ∑M M

F = k r, mmax

yi j
j =1

xi j

xi j

→ max ;
i j =1,…,N ,

j=1,…,M

α z j xi j ≤ z0 ,
j=1

(4)

( )где k r, mmax — коэффициент дисконтирования (капитализации) с учетом общего для всех

систем количества платежей m∗ ; α — поправочный коэффициент, учитывающий естествен-

ную распределенность во времени расходов на эксплуатацию Cij .

Методика решения задачи. Преобразованная задача (4) относится к особому классу за-

дач математического программирования — нелинейным задачам с параметрами. Для решения

таких задач можно использовать методику на основе условий Куна—Таккера [10], так как не-

сложно показать выпуклость целевой функции в (4). Между тем следует отметить, что сами ус-

ловия Куна—Таккера в действительности являются следствием преобразования задач к виду

задач с „седловой точкой“. При этом оказывается, что дискретная форма выражения (4) позво-

ляет существенно упростить решение, не прибегая явно к анализу условий Куна—Таккера.

Действительно, после преобразования (4) к виду задачи с „седловой точкой“ с исполь-

зованием множителя Лагранжа λ0 получим

( )∑ ( ) ∑M M

Φ = k r, mmax

yi j
j =1

xi j

xi j

− λ0α z j xi j
j=1

→ max
i j =1,…,N j=1,…,M

min .
λ0 >0

(5)

Здесь постоянная величина λ0 z0 без потери общности исключена из (5). Кроме того, в силу независимости проектов между собой задача (5) может быть представлена как совокуп-

ность отдельных подзадач:

( ) ( )Φ j = k r, mmax

yi j

xi j

xi j

− λ0αz j xi j

→ max ;
i j =1,…,N

j = 1, M ,

λ0 >0

( )объединенных между собой параметрами α, k r, mmax , λ0 и ограничением

M
∑α z j xij ≤ z0 . j =1

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 4

Технико-экономический подход к выбору системы малых космических аппаратов

45

( )Учитывая, что k r, mmax > 0 , λ0α > 0 , z j > 0 и они постоянны, после деления на

( )k r, mmax z j или λ0α z j и преобразований получим две разновидности задач с „седловой

точкой“ и параметрами:

( ) ( )Φ j = yij

xi j

xi j

− λxi j

→ max ;
i j =1,…,N

yi j

=

yi j zj

;

λ= k

λ0α r, mmax

; j = 1, M ,

λ>0

(6)

при одновременном ограничении

( )λk r, mmax M

∑λ0

z j xi j ≤ z0
j =1

или

( ) ( )Φ j = λyij

xi j

xi j

− xi j

→ max ;
i j =1,…,N

k r, mmax λ= ;
λ0α

j = 1, M

(7)

λ>0

при одновременном ограничении

( )k r, mmax M

∑λ0λ

z j xij ≤ z0 .
j =1

В соответствии с общей теорией решения задач нелинейного программирования [7, 10]

решение непрерывных аналогов задач (6) или (7) сводится либо к поиску „седловой точки“

( ) ( ) ( )x∗j , λ∗ функций Φ j x j , λ , либо к поиску максимума функций Φ j x j , λ при соответст-

вующем ограничении (в каждом случае). Нетрудно представить, что при обратном переходе к записи исходной дискретной задачи для поиска „седловой точки“ можно использовать два подхода: обращенный подход на основе обобщенного градиента, либо прямой подход [1, 9] на основе простого перебора [9].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Власов С. А., Мамон П. А. Теория полета космических аппаратов: Учеб. пособие. СПб: ВКА им. А. Ф. Можайского, 2007. 435 с.
2. Можаев Г. В. Синтез орбитальных структур спутниковых систем. Теоретико-групповой подход. М.: Машиностроение, 1989. 304 с.
3. Горбулин В. И. Оптимизация орбитального построения глобальных космических систем наблюдения. СПб: МО РФ, 2001. 171 с.
4. Горбулин В. И., Панченко В. В. Применение бортовой аппаратуры малых космических аппаратов для комплексного наблюдения заданного района // Изв. вузов. Приборостроение. 2007. Т. 50, № 6. С. 15—20.
5. Радионов Н. В. Модели эффективности инвестиций и кредитования. Основы финансового анализа. СПб: Наука, 2005. 600 с.
6. Колемаев В. А. Математическая экономика. М.: ЮНИТИ, 1998. 240 с.
7. Воронцовский А. В. Инвестиции и финансирование: Методы оценки и обоснования. СПб: Изд-во СПбГУ, 1998. 528 с.
8. Новожилов В. В. Проблемы измерения затрат и результатов при оптимальном планировании. М.: Наука, 1972. 434 с.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 4

46 В. Ф. Фатеев, Д. Л. Каргу

9. Методические рекомендации по оценке эффективности инвестиционных проектов / В. В. Коссов, В. Н. Лившиц, А. Г. Шахназаров. М.: Экономика, 2000. 421 с.

10. Буренок В. М., Ляпунов В. М., Мудров В. И. Теория и практика планирования и управления развитием вооружения / Под ред. А. М. Московского. М.: Вооружение. Политика. Конверсия, 2004. 419 с.

Владимир Иванович Горбулин
Валерий Викторович Панченко Николай Васильевич Радионов

Сведения об авторах — д-р техн. наук; Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского,
кафедра электрооборудования, Санкт-Петербург; E-mail: v_gorbulin@mail.ru — управление пограничной службы ФСБ России, начальник управления технического развития; E-mail: v_gorbulin@mail.ru — канд. техн. наук; Военно-космическая академия им. А. Ф. Можайского, кафедра электрооборудования, Санкт-Петербург; E-mail: radionov@mail.wplus.net

Рекомендована Ученым советом ВКА им. А. Ф. Можайского

Поступила в редакцию 20.10.08 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2009. Т. 52, № 4