Всех нас окружает множество транспортных средств. Мы все привыкли, что самолет может нас доставить через несколько часов в другую страну. А личный автомобиль позволяет комфортно решать повседневные дела. Транспорт, личный или общественный, неотъемлемая часть современного мира. Но мало кто задумывается о том, насколько сложными стали современные транспортные средства. Какие трудности поджидают разработчиков? Почему методы проектирования, которые несколько лет назад были самыми передовыми, быстро теряют свою эффективность?

Чтобы понять это, достаточно ответить на один вопрос – в чем отличие между современным транспортным средством и транспортным средством, которое выпускалось 20 лет назад? Первое, что приходит на ум — дизайн, кто-то возможно вспомнит про композитные материалы или аэродинамику. Но есть одна неочевидная на первый взгляд вещь, которая существенно усложняет проектирование.

Думаю, многие любят в самолете смотреть фильм, играть в какие-то простые игры или просто смотреть на карту с информацией о полете на мониторе в спинке впереди стоящего кресла.

Садясь в автомобиль, мы включаем музыку, строим маршрут с помощью навигационной системы, за безопасностью нашей поездки следят электронные помощники.

Давайте рассмотрим простой пример. Еще недавно все самолеты оборудовались механическими системами управления, в которых воздействия от органов управления в кабине передавались на управляющие поверхности с помощью механических элементов: тяг и тросов.

Появление электродистанционных систем управления позволило отказаться от механических связей, а все управляющие воздействия передаются в виде электрических сигналов. Все перемещения органов управления преобразуются в электрические сигналы, которые передаются в вычислитель. Туда же поступают данные о положении самолета в пространстве, его скорости, перегрузки и т. д. Вычислитель в соответствии с заложенными алгоритмами преобразует эту информацию в управляющие электрические сигналы для приводов системы управления. Таким образом, по проводам в виде электрических сигналов передается огромное количество очень важных параметров.

Другой пример — это современный автомобиль. Думаю, многие слышали такие абревиатуры как ABS (антиблокировочная система), EBD (система распределения тормозных усилий) или ESP (электронная система динамической стабилизации автомобиля). Есть еще множество других систем автомобиля, которые делают его комфортнее и безопаснее. Но главное, что и в этом случае есть какие-то датчики, вычислители и исполнительные механизмы. Как и в случае с летательным аппаратом, компоненты систем взаимодействуют между собой с помощью электрических сигналов, которые передаются по проводам.

Тот опыт и знания, которые есть у разработчиков электронных систем, позволяют создавать системы с очень высокой надёжностью. Какая-то отдельно взятая система может быть очень качественной и отлично выполнять свои функции. Но что будет, если какая-то другая система внесет искажения в работу датчиков системы управления? Или приведет к появлению искаженных электрических сигналов в проводах между вычислителем и исполнительным механизмом?

Как такое может произойти? Электрическое и электронное оборудование, провода, по которым протекает ток — все это источники электромагнитных полей. Все эти поля так или иначе оказывают влияние друг на друга. Думаю, все сталкивались когда-нибудь с тем, что включение одного электроприбора вызывает помехи в работе другого. Одна из сложнейших задач разработчиков современных транспортных средств – это обеспечение правильной одновременной работы всех систем в реальных условиях эксплуатации при воздействии на них непреднамеренных электромагнитных помех. При этом само транспортное средство не должно создавать недопустимые электромагнитные помехи другим техническим средствам.

Таким образом, мы приближаемся к ответам на вопросы, заданным в начале данной статьи. При разработке современных транспортных средств все производители сталкиваются с задачами объединения (комплексирования) всех систем в единый комплекс электронного и электрического оборудования. Основными задачами при комплексировании систем и оборудования являются: интеграция оборудования и его элементов, разработка специализированного программного обеспечения. Кроме того, очень важную роль играют высокоскоростные интерфейсы передачи данных и согласование всех протоколов информационного взаимодействия. Стоит также отметить, что огромную роль играет монтаж всего оборудования на транспортном средстве.

Очевидно, что любые корректировки конструкторской документации (КД) увеличивают сроки и стоимость реализации проекта. Причем очень часто выявленные проблемы связаны не с механическими проблемами разработанной конструкции.

В начале статьи мы рассмотрели несколько примеров различных электрифицированных систем и именно установка этих систем на транспортном средстве, интеграция с другими системами является той составляющей проекта, которая чаще всего оказывает влияние на успешность проекта.

Например, компания Boeing столкнулась с тем, что затраты на доработки самолета топливозаправщика KC-46 превысили 2 млрд долларов США. 

Есть много других примеров того, как проблемы с электрическими системами приводили к существенному удорожанию проектов и переносу сроков.

Как можно избежать этих проблем?

Во-первых, любое транспортное средство необходимо рассматривать как сложный комплекс, состоящий из механических, электрических гидравлических и пневматических систем. Разрабатывать эти системы необходимо как единое целое в контексте всего изделия. Для этого необходимо использовать расчетные модели или «цифровые двойники» изделия.

Применение специализированных программных продуктов позволяет решать сложные задачи комплексирования, выполнять оптимизацию разрабатываемой архитектуры и выполнять анализ протоколов информационного взаимодействия. Такой подход позволяет существенно сократить сроки разработки, а также повысить качество разрабатываемой технической документации.

Во-вторых, уже на ранних этапах разработки конструкции изделия необходимо осуществлять резервирование пространства под электрические жгуты и трубопроводы. Причем резервирование пространства под электрические коммуникации должно выполняться с учетом различных требований к монтажу. Для этого уже на начальных этапах разработки конструкции необходимо разрабатывать топологическую (трассовую) схему электрических жгутов, которая будет определять все электрические жгуты, места установки технологических соединителей, требования к монтажу. С помощью специализированных инструментов можно не только определить топологию жгутов, но и выполнить раскладку проводов по жгутам с учетом правил и требований, например требований электромагнитной совместимости.

Стоит также отметить, что для решения этой задачи необходимо, чтобы инженеры, разрабатывающие электрические системы, работали в интегрированной ECAD (electronic computer-aided design) и MCAD (mechanical computer-aided design) среде. Это позволяет разрабатывать все необходимые электрические схемы, чертежи электрических жгутов, документацию на установку (монтаж) жгутов на изделии, а также решать задачи технологической подготовки производства и формирования эксплуатационной документации.

Ну и, наконец, очень важно выстраивание рабочего процесса, в котором все участники имеют доступ к актуальным данным, выполняется контроль предъявляемых требований на каждом этапе.

Примером такого подхода может быть PLM-система Teamcenter, которая отлично зарекомендовала себя в различных областях как средство организации коллективной работы и управления рабочими процессами предприятия. Совместное использование продуктов Teamcenter, Capital и NX позволяет выстроить сквозной процесс проектирования электрифицированных систем.

Таким образом, эффективная разработка современных транспортных средств невозможна без применения специализированных средств автоматизированного проектирования. Эти средства позволяют не просто автоматизировать процессы разработки, но и гибко вносить изменения в КД, а также оптимизировать транспортное средство.

В авиационной отрасли данный подход используют компании Boeing, Korea Aerospace Industries, Bell Helicopters. Кроме того, в 2021 году компания Airbus приняла решение об использовании Capital в качестве системы проектирования электрических и электронных систем нового поколения.

Алексей Вахничев, консультант по направлению "Автоматизация проектирования и производства кабельных сетей" Siemens Digital Industries Software

Фото: Siemens; Pexels