Публикации

Общее описание модели ракетно-космической отрасли – «RussianSpace»

© В.Л. Макаров, Е.Д. Сушко, А.Р. Бахтизин

Ракетно-космическая промышленность – высокотехнологичный сектор, в котором конечный результат достигается консолидацией усилий многих предприятий, выполняющих разные роли в технологической цепочке от создания отдельных конструктивных элементов и их испытаний до организации эксплуатации космодромов и «уборки» полей падения (территорий, на которые падают отделяемые части ракет-носителей после запуска). Важно то, что «конечный продукт» является комплектом невзаимозаменяемых компонент, получение которых должно быть достигнуто в определенный момент времени.

Предприятия в модели отвечают за различные компоненты подготовки и запуска космических аппаратов (КА), такие как средства выведения (например, Протон-М), полезная нагрузка (спутники связи), наземная инфраструктура, средства управления, топливо, охрана окружающей среды (утилизация упавших отделяемых частей и рекультивация земель). Недостаток ресурсов (в том числе, квалификации персонала) для штатного выполнения предприятиями работ может отражаться на их результатах и вызывать различные сбои: аварийный запуск с потерей КА, падение отделяемых частей за пределами заданных полей падения, снижение нормативного срока службы КА.

Технологические цепочки, обеспечивающие подготовку отдельных компонент, сильно различаются по длительности во времени и затратам, при этом часть компонент являются высоко специфическими, уникальными и не производятся серийно, то есть, нужна синхронизация процессов их разработки и производства (закупки) на всех этапах. Поэтому особенно важно стратегическое управление отраслью и организация планомерной работы по реализации долгосрочных и дорогостоящих отраслевых программ.

Из перечисленных выше особенностей отрасли следует то, что высока зависимость от доступа на внешние рынки комплектующих, а значит, высоки риски при ограничении этого доступа, поскольку импортозамещение потребует как вложения больших средств, так и затрат времени. Причем, даже недостаток относительно небольшого количества необходимых для реализации того или иного проекта компонент, может повлечь серьезные последствия вплоть до срыва выполнения целого проекта. С другой стороны, реализация собственной готовой продукции (например, коммерческие запуски космических аппаратов зарубежного производства) также подвержена риску ограничения доступа на соответствующие рынки, и вследствие уникальности этой продукции и ее высокой себестоимости финансовые потери в случае наступления подобных рисковых случаев ложатся тяжким бременем на все предприятия, участвовавшие в подготовке этой продукции.

В соответствии со всеми этими особенностями была разработана концепция агент-ориентированной (мультиагентной) системы, имитирующей деятельность предприятий Роскосмоса. Система представляет собой платформу, базирующуюся на общем подходе, общей информационной базе и единой архитектуре, построенной по блочному методу. Каждый отдельный блок является самостоятельной моделью, настроенной на имитацию того или иного присущего отрасли процесса. Каждый блок разрабатывается самостоятельно, а затем подключается к общей платформе, что позволяет разрабатывать единую отраслевую систему поэтапно, постепенно делая имитацию поведения отрасли и ее предприятий все более реалистичной.

Были разработаны и реализованы два блока:

Блок 1. Модель, имитирующая сотрудничество предприятий отрасли, осуществляющих работы разного типа в рамках реализации общего проекта – программы запусков КА, в том числе зарубежных. Выполнение программы запусков и ее экономические результаты зависят от ограничений на доступ Роскосмоса на этот рынок.

Блок 2. Модель, имитирующая запуски космических аппаратов и последствия этих запусков для экологии полей падения. Степень экологического ущерба в модели зависит от размеров государственного финансирования предприятий Роскосмоса, ответственных за уборку этих территорий.

Модель разработана как инструмент, позволяющий оценить последствия указанных средовых параметров при различных сценариях их изменения для поиска вариантов управляющих решений, снижающих общий ущерб от недостатка ресурсов, в частности, финансовых.

Модель «RussianSpace» разработана в среде AnyLogic и представляет собой автономное приложение, обладающее интерфейсом пользователя, который позволяет ему в процессе диалога управлять ходом компьютерного эксперимента. Приложение работает со своей информационной базой – комплексом Excel-таблиц, из которых считываются исходные данные, необходимые для создания популяции агентов и среды их обитания, а также для имитации поведения агентов.

Общая схема работы прототипа модели «RussianSpace» дана на рис. 1.

Space1.JPG

Рис. 1. Общая схема работы модели «RussianSpace» 

Среда разработки AnyLogic основана на объектно-ориентированном подходе (внутренний рабочий язык программирования среды – Java), при котором объекты реального мира заменяются их моделями, то есть определенными формальными конструкциями («классами»), представляющими их в программной системе. Эти модели включают не только характеристики объектов реального мира, важные для поставленной в модели задачи, но и программные модули, реализующие присущие данным объектам функции («методы»). Таким образом, основой архитектуры модели «RussianSpace» служит система Java-классов:

  1. Главный класс обеспечивает ввод исходной информации; создание популяции агентов; установку стартового состояния системы, соответствующего базовому году имитации; отображение состояния популяции на экране; организацию диалога с пользователем; организацию процесса имитации на каждом шаге.
  2. Класс регионов – субъектов РФ. Регион имеет название и порядковый номер, а также объект, представляющий его на карте-схеме РФ. Характеристиками региона являются: величина прожиточного минимума, средняя заработная плата занятых в экономике и уровень безработицы. Регион также содержит список (коллекцию) предприятий отрасли, находящихся на его территории.
  3. Класс предприятий (организаций). Предприятие имеет название и порядковый номер. Характеристиками предприятия являются: индекс региона – места расположения; индекс направления деятельности, которым занимается предприятие; численность занятых агентов-людей и объем производства.
  4. Класс направлений деятельности. Направление деятельности имеет порядковый номер и название (космические аппараты, средства выведения, наземная инфраструктура, средства управления, охрана окружающей среды). Характеризуется зависимостью результата от располагаемых ресурсов, таких как объем финансирования и суммарный производственный потенциал занятых в этом направлении агентов-людей.
  5. Класс космодромов. Космодром имеет название и порядковый номер. Содержит перечень предприятий, обеспечивающих инфраструктуру; перечень полей падения для каждой из отделяемых частей ракет-носителей; а также перечень проектов, реализуемых на космодроме.
  6. Класс полей падения. Имеет порядковый номер и индивидуальный шифр. Характеризуется индексом региона, на территории которого находится; индексом ракеты-носителя и частотой падения.
  7. Класс ракет-носителей. Ракета-носитель имеет название и порядковый номер. Характеризуется уровнем экологической опасности. Содержит перечень предприятий-изготовителей, и для каждого предприятия из списка указывается доля неудачных запусков.
  8. Класс космических аппаратов. КА имеет название и порядковый номер. Характеризуется категорией (спутник связи, КА для дистанционного зондирования Земли, для гидрометеорологического наблюдения, для экологического мониторинга и контроля чрезвычайных ситуаций и т.д.) и содержит перечень предприятий-изготовителей.
  9. Класс проектов. Проект имеет порядковый номер и название. Характеризуется индексом ракеты-носителя, индексом выводимого на орбиту КА, годом начала реализации и продолжительностью, а для каждого года реализации – число запусков.
  10. Класс агентов-людей. Характеристиками агента-человека являются: индивидуальный номер; пол; возраст; индекс региона-места жительства; индекс предприятия-места работы; заработная плата; состояние (удовлетворен работой, недоволен, готов к перемене). Кроме того, агент обладает процедурой обработки информации о внешней среде, принятия решения и реализации доступного ему действия – смены места работы.
Блок 1. Описание работы модели реализации программы запусков КА

В начале работы симулятора считывается исходная информация из базы данных, определяются свойства среды, создаются популяции агентов-людей и агентов-организаций, присваиваются конкретные значения их свойств (некоторые – с помощью вероятностных распределений) и устанавливается стартовое состояние модели, воспроизводящее социально-экономическое положение субъектов РФ, а также предприятий моделируемой отрасли в базовом году (в качестве которого выбран 2012-й). 

В этот момент для всех агентов-предприятий отрасли производится расчет фонда заработной платы работников как доли от объема производства в базовом году, а оставшаяся часть считается необходимыми постоянными расходами.

Затем собирается статистика по популяциям агентов, и в рабочем окне модели отображается «фактическое» состояние среды и агентов на начало базового года. После чего работа модели (симуляция) приостанавливается в ожидании реакции пользователя. Интерфейс модели предназначен для мониторинга состояния предприятий отрасли и статистики запусков КА (в том числе, неудачных) в текущем году и демонстрирует на карте-схеме Российской Федерации распределение предприятий по отдельным регионам. В окне интерфейса отображаются характеристики выбранного субъекта РФ, а также состояния предприятий отрасли, находящихся на его территории. Пользователь может рассмотреть и проанализировать информацию о состоянии моделируемой системы в целом, а также ее отдельных элементов – предприятий, регионов и т.д.

Кроме того, пользователь может (при желании) скорректировать значения управляемых параметров (поставить компьютерный эксперимент), а затем продолжить работу модели, которая будет имитировать действия агентов в течение года при указанных параметрах среды. Для этого интерфейс модели, кроме выходной информации, содержит элементы управления, позволяющие пользователю изменять некоторые параметры модели в процессе симуляции. Так, управляемыми параметрами прототипа модели является средняя заработная плата в регионе и в отрасли, а также уровень безработицы. Другую группу управляемых параметров образуют ограничения зарубежных заказчиков на сотрудничество в части запусков их космических аппаратов. Эти параметры вводятся в виде долей от общего запланированного заказа – отдельно для разных стран. 

После корректировки плана запусков космических аппаратов на текущий год в модели имитируются запуски с космодромов в соответствии с действующими программами, как государственными, так и выполняемыми по заказу зарубежных партнеров. При каждом запуске случайным образом (в соответствии со статистикой для данного вида ракеты-носителя) устанавливается его удачный или неудачный исход. 

Ограничения на выполнение запланированных ранее коммерческих запусков (вследствие введения соответствующих значений параметров) оказывает воздействие на состояние предприятий отрасли, участвующих в данных программах, с помощью следующего механизма: снижаются общие поступления денежных средств, а постоянные затраты остаются прежними (рассчитанными в базовом году). Поэтому уменьшается сумма, направляемая в фонд заработной платы для агентов-работников, и вслед за ней снижается средняя зарплата по отрасли в регионе. 

В конце года опять собирается статистика по популяциям агентов, и в рабочем окне модели отображается уже «фактическое» состояние среды и популяции агентов на конец года. Здесь опять происходит приостановка симуляции, которая позволяет пользователю посмотреть на результаты поставленного им эксперимента в конце года. При желании проследить дальнейшие изменения системы пользователь вызывает переход к следующему шагу работы модели, соответствующему одному году в реальной действительности. 

На следующем шаге работы модели, в первую очередь, корректируются показатели смертности населения, с использованием которых имитируется выбытие агентов-работников предприятий отрасли (оставшиеся становятся на год старше и те, которые достигли пенсионного возраста, могут также оставить работу). После чего освобождаются рабочие места, которые могут быть заполнены новыми агентами. Однако, если соотношение средних зарплат в регионе и в отрасли не в пользу последней, а безработица невысока, то появляется вероятность того, что молодежь на это работу не пойдет, и место останется вакантным. После «приема на работу» всех желающих агентов производится расчет агрегированных трудовых потенциалов групп агентов, занятых на разных предприятиях. Затем на основе агрегированных потенциалов агентов-работников как факторов труда рассчитываются результаты деятельности агентов-предприятий: на каждом следующем шаге работы модели результат деятельности предприятий (а затем и отрасли в целом) рассчитывается как изменение объема предыдущего года, вызванное изменением фактора труда с учетом его значимости.

В завершение шага имитации опять собирается статистика, и рассчитанные социально-экономические характеристики демонстрируются пользователю в качестве «фактического» положения на начало следующего года. 

На рис. 2 показана заставка модели «RussianSpace», появляющаяся в ее окне при запуске, а на рис. 3 представлен скриншот главного рабочего окна модели. 

Апробация прототипа модели проводилась на примере имитации запусков КА с космодрома Байконур, осуществляемых с помощью ракеты-носителя Протон-М. Были использованы данные о двух группах предприятий Роскосмоса – тех, которые участвуют в производстве ракеты-носителя, и тех, которые поддерживают инфраструктуру космодрома и осуществляют запуски. При моделировании денежных поступлений, а также при распределении этих поступлений между указанными группами предприятий (и между предприятиями внутри групп) использовались условные данные. Варьирование управляемых параметров модели в ходе проведенных компьютерных экспериментов позволило наблюдать ее адекватную реакцию на введение ограничений на коммерческие запуски по заказу со стороны США и/или стран ЕС (санкций). Так, себестоимость одного запуска космических аппаратов с космодрома Байконур ракетой-носителем Протон-М по сравнению с планируемой (в базовом варианте) росла при введении санкций как показано в таблице 1. Расчеты проводились в предположении равной платы за запуски КА разных заказчиков и без учета возможности аварийных запусков. 

Таблица 1

Сопоставление себестоимости запусков КА при различных вариантах ограничений на коммерческие запуски

Варианты

Число запусков КА в базовом году

Индекс себестоимости относительно базового варианта

Отечественные

По заказу ЕС

По заказу США

Базовый

4

2

2

1,00

1

4

2

1

1,06

2

4

2

0

1,14

3

4

1

0

1,25

4

4

0

0

1,42

При дальнейшей детализации моделируемых процессов и использовании более правдоподобной информации модель может быть использована для отслеживания влияния различных ограничений на другие экономические показатели.

Space2.jpg

Рис. 2. Заставка модели «RussianSpace»

Space3.gif

Рис. 3. Главное рабочее окно модели «RussianSpace». Блок 1.



Блок 2. Описание работы модели влияния запусков КА на экологию

Так, управляемыми параметрами модели является средняя заработная плата в регионе и в отрасли, а также уровень безработицы. Варьирование этих параметров в ходе проведенных компьютерных экспериментов позволило наблюдать адекватную реакцию работников предприятий отрасли на относительное изменение своего благополучия.

Другую группу управляемых параметров образуют объемы государственного финансирования различных направлений деятельности. Так, снижая в ходе экспериментов финансирование природоохранной деятельности (уборка полей падения), удалось наблюдать соответствующее ухудшение состояния территорий, на которые в результате произведенных запусков попадали отделяемые части ракет. На рис. 4 представлен скриншот главного рабочего окна этого блока модели «RussianSpace», на котором показаны экологические последствия запусков при 50-ти процентном снижении расходов на охрану окружающей среды. На карте-схеме видны затемненные зоны падения, причем, степень затемнения зависит от числа упавших на территорию зон частей ракет-носителей, указанного в центре каждой зоны (два запуска оказались неудачными, и ракеты целиком упали вблизи космодрома Байконур).

Space4.jpg

Рис. 4. Главное рабочее окно модели «RussianSpace». Блок 2, 2014 год


Возврат к списку