АТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ   КОМПЛЕКСНОЙ ОЦЕНКИ ПОДВИЖНОСТИ  МАШИН   ВЫСОКОЙ    ПРОХОДИМОСТИ

При разработке тактико-технических тре­бований, проектировании и планировании использования военных гусеничных и колес­ных машин необходимо иметь следующие прогнозируемые данные:

1)              возможность реализации заданных тех­нических характеристик конкретной машины при движении ее в реальных условиях мест­ности и окружающей среды заданного геогра­фического района;

2)              характеристику подвижности машин различных конструкций на определенной мест­ности; 

3)              влияние отдельных конструктивных из­менений на подвижность машин.

Для решения этой задачи в 1971 г . коман­дованием материального обеспечения сухопут­ных войск армии США (АМС) была разрабо­тана программа исследований, объединяющая работы нескольких научно-исследовательских организаций — лаборатории подвижности на­учно-исследовательского центра по танкам и колесным машинам (USATAC), экспери­ментальной станции водных путей' (WES), лаборатории исследования полярных райо­нов (CRREL).

На первом этапе разработки этой програм­мы было установлено, что для ответа на все вопросы, связанные с применением машин, необходима объективная методика количест­венной оценки характеристик подвижности машины при ее движении по заданной мест­ности и в заданных условиях окружающей среды. Такая методика может быть разрабо­тана с помощью математической модели си­стемы машина—водитель—местность, причем эта модель должна удовлетворять требовани­ям, выдвигаемым проектированием, выбором и применением конкретной машины.

Несмотря на то, что ряд частных задач, связанных с взаимодействием со слабыми грунтами, препятствиями, водными преграда­ми, влиянием неровностей поверхности на си­стему машина—водитель, к 1971 г . был решен как теоретически, так и экспериментально, падежной общепринятой методики комплекс­ной   оценки   поведения   подвижной   системы разработано не было. Поэтому основной целью объединенной программы исследования под­вижности является разработка и внедрение такой методики.

Разработка математических моделей про­водилась с использованием алгоритмов и тех­ники динамического программирования, а так­же приемов, которые дают возможность обеспечить комплексное моделирование и по­лучить расчет средней скорости любой требуе­мой колесной или гусеничной машины при движении в любом   географическом   районе.

Первая такая программа моделирования подвижности была разработана в 1973 г . и получила название АМС-71. С 1974 г . в эту программу введен ряд изменений с целью расширения возможностей модели.

Подвижность машины в значительной сте­пени зависит от характера местности, по кото­рой происходит движение. В середине 60-х годов в качестве критерия подвижности едино­душно была принята скорость между двумя точками заданной местности, которая получи­ла название полезно-обеспеченной скорости. Эта скорость равна расстоянию между двумя точками по прямой, деленному на полное вре­мя движения от одной точки до другой, неза­висимо от пройденного пути. Полезно-обеспе­ченная скорость является обобщенным поня­тием, характеризующим не только технические показатели машины, но и местность и постав­ленную задачу. Например, если поверхность по своему характеру однородна и включает в себя только совокупность преодолимых не­ровностей и складок местности, то подвиж­ность характеризуется максимальной ско­ростью машины по прямой, величина которой ограничена только этими препятствиями. - В реальных условиях задача значительно усложняется в силу неоднородности характера местности, и максимальная скорость становит­ся зависимой от особенностей местности, рас­положения конечной точки и выбранного пути.

В модели АМС-71 реальный район мест­ности разбивается на мозаику из отдельных участков, в пределах каждого из которых по­верхность считается достаточно однородной, что позволяет в качестве показателя подвиж­ности для такого участка использовать просто величину максимальной скорости по прямой. При этом тот факт, что размеры участка могут не позволить достичь прогнозируемого макси­мума скорости, во внимание не принимается. После завершения расчетов по всему району составляется карта (необязательно в карто­графической форме) максимальных скоростей, которые может развить машина в каждой точке рассматриваемой местности.   

Эта карта является основным выходным документом модели, который 'в достаточно' общем виде характеризует подвижность неза­висимо от поставленной задачи и внешних влияний, исключая сезонные, от которых за­висят такие исходные количественные харак­теристики местности, как, например, прочность грунта.

Представление местности в мозаичной форме имеет два практических преимущества:

1)             математическая модель машины и мо­дель местности дают возможность исследовать относительно большие районы;

2)             модель не рассматривает местность как континиум (непрерывная совокупность всех точек) с соответствующими требованиями ди­намического моделирования и информации о маршруте.

Выходные данные модели включают ста­тистическое представление результатов и ма­тематический метод отыскания в условиях бездорожья маршрута между двумя выбран­ными точками при движении с наибольшей скоростью.

Модель АМС-71 является комплексной программой для ЭВМ, которая позволяет прогнозировать для одиночной колесной или гусеничной машины скорость передвижения по любой местности.

Основу модели составляют три независи­мых вычислительных блока:

1.  Блок определения максимально воз­можной прямолинейной скорости одиночной машины для участка местности.

2.           Блок вычисления минимально ожидае­мого времени, за которое одиночная машина способна или не способна преодолеть такие препятствия, как река, ров или насыпь.

3.           Блок вычисления максимально возмож­ной скорости одиночной машины при движе­нии по однородному участку дороги или шоссе.

Все три блока получают исходную, инфор­мацию из основной памяти модели, в которую заложены характеристики машины, водителя и местности. Всего для описания местности используется 39 показателей: 22 — характеризуют участок местности; 11 - особенности рельефа (реки, рвы, дамбы и т. д.) и 6 — до­роги.

Как указывалось выше, суть метода заклю­чается в сведении сложного в топографиче­ском отношении района к совокупности от­дельных участков, каждый из которых в пре­делах своих границ является однородным, т. е. включает в себя определенный набор препятствий. Такой подход требует деления диапазона каждого отдельного показателя на классифицирующие интервалы, в основу кото­рых положена ответная реакция машины, тех­ника измерений и требования картографиче­ской разрешающей способности.

Репроцессор данных местности преобразу­ет классифицирующие интервалы запаса ин­формации в памяти показателей местности в текущие значения величин, поступающих на вход соответствующего блока и согласованных с его входными характеристиками. Текущая величина каждого показателя является сред­ней в соответствующем классифицирующем диапазоне. Репроцессор учитывает также и сопутствующие факторы, которые могут влиять на выбор величин показателя, что свя­зано с сезоном, погодой, временем суток и т. д. В настоящее время эти факторы учитываются лишь в общем виде (например, «влажно», «сухо») или исходя из средних характеристик времени года, по которым из памяти выбира­ются соответствующие показатели прочности грунта.

Параметры машины заложены в памяти в виде основных геометрических, инерционных и механических показателей. Технические ха­рактеристики машины используются, во-пер­вых, для решения частной задачи — расчета потребной мощности по сцеплению и, во-вто­рых, при выполнении основной программы прогнозирования подвижности по участкам и отрезкам местности.

Водитель характеризуется выносливостью по отношению к тряске и вибрациям, восприя­тием и реакцией, т. е. учитывается влияние физических данных водителя на работу машины.

Результат моделирования является основой расчета средней скорости машины для сово­купности участков поверхности, охватываю­щих заданный географический район. Наибо­лее простым, наглядным и удобным видом оформления результатов расчета является карта подвижности (рис. 1), на которой ука­зываются скорости  (включая нулевые), которые может развить машина при пересечении рассматриваемого района. Такая карта не­посредственно может использоваться, напри­мер, при моделировании боевых действий, анализе эффективности и планировании опера­ций. Однако с помощью карты нельзя в удоб­ной форме получить данные, например для выбора типа машины.

В настоящее время обработка выходных данных производится в двух направлениях— выбор текущего маршрута и статистический анализ подвижности.

Выбранный текущий маршрут определяет путь машины при пересечении района с макси­мально возможной скоростью и величину этой скорости. Для определения маршрута карта рассматриваемого района совмещается с пря­моугольной координатной сеткой (шаблоном), движение машины допускается только по ли­ниям этого шаблона. Комбинация линий, по которым машина преодолевает этот район в кратчайшее время, определяется  методом динамического программирования. Величина скорости количественно определяет степень проходимости.

Результатом статистического анализа явля­ется кривая подвижности (рис. 2); эта кривая показывает зависимость средней скорости ма­шины от площади рассматриваемого района. Например, точка А па кривой означает, что данная машина может двигаться со средней скоростью 13,7 км/ч на 90% рассматриваемой местности.

Для иллюстрации основных факторов, ограничивающих передвижение, приведена ги­стограмма (рис. 3).

Рис. 1. Карта подвижности для 2,5-т грузового автомобиля при движении в условиях бездо­рожья по местности площадью ~ 8 км2, район территории ФРГ (Цифры обозначают округлен­ные значения максимально развиваемой скорости. Заштрихованные участки непроходимы)

V, км/ч

Рис. 2. Кривая подвижности для 2,5-т грузового автомобиля при движении   вне   дорог   по   мест­ности, представленной на рис. 1

Рис. 3. Гистограмма ограничений подвиж­ности основного танка при его движении по местности, представленной па рис. 1: / — несущая способность грунта; 2 — влияние препятствий; 3 — сопротивление движению (за­штрихованная зона—движение невозможно); 4 — неровности поверхности; 5 — обзорность; 6 — ограничение поворотливости; 7 — удары о естественные препятствии.

За прошедшие два года модель АМС-71 ис­пользовалась с целью оценки проходимости нескольких классов военных машин для усло­вий трех основных географических зон: уме­ренного климата, с районами пересеченной местности; жарких пустынных районов, пересекаемых руслами высохших рек и субтропи­ческих районов с рисовыми посевами. Оценка выполнялась для нового основного танка, все­го, армейского парка колесных машин и на­правления развития самоходных артиллерий­ских установок.

В настоящее время такая оценка проводит­ся для боевых разведывательных машин и но­вого автомобиля тактического назначения, ко­торый должен заменить используемые в на­стоящее время обычные грузовики.

Применение модели АМС-71 в 10—20 раз сокращает время решения задач по сравнению с использованием больших вычислительных машин третьего поколения.

Несмотря на то, что в некоторой части рас­сматриваемая модель несовершенна и недора­ботана, в частности, отсутствует такой важный показатель как надежность, применение этого нового метода уже сейчас позволяет оператив­но получать ответы на многие вопросы, выдви­гаемые на всех стадиях разработки и исполь­зования различных классов транспортных средств военного назначения.

SAE Prepr., s. а., № 740426, 24 pp