Программный комплекс корабельной автоматизированной системы управления

В каждый конкретный момент времени система управления, использующая модели и методы прикладной семиотики, осуществляет синтез управления объектом на базе некоторой формальной модели предметной области. В такой системе управления происходит чередование шагов математического моделирования ситуаций и синтеза управления в рамках фиксированных формальных моделей окружающей среды и шагов семиотического моделирования, приводящих к перестройке формальных моделей на основе знаний о предметной области и реальных ситуациях, возникающих в процессе функционирования объекта и системы управления.

Важной компонентой такого подхода является методология Objectory, формализующая идею параллельного создания двух систем: объектной системы и системы имитационного моделирования. Создается последовательность моделей, описывающих обе системы как с точки зрения их использования, так и с точки зрения их внедрения. При построении моделей используется общая методологическая база: модели первого типа описываются в терминах примеров использования (прецедентов), а модели второго типа раскрывают особенности реализации этих примеров в терминах объектно-ориентированного моделирования. Объектно-ориентированные модели описываются на различных уровнях детализации. Совместная разработка моделей обеих систем при общей методологической базе позволяет естественным образом учесть их взаимосвязи и осуществить параллельное и согласованное создание и последующее развитие обеих систем [6, 7].

Важнейшей составляющей принятой идеологии является концепция многоагентной системы, которая вытекает из понятий объекта, процесса и многомодельных систем и может быть эффективно использована при разработке децентрализованных и распределенных интеллектуальных систем, таких, как КАСУ. Такая многоагентная система проектируется как множество интеллектуальных агентов, распределенных по сети, мигрирующих по ней в поисках релевантных данных, знаний и процедур и кооперирующихся в процессе поиска решений. Каждый из интеллектуальных агентов проектируется как носитель фрагмента знаний, доступных другим агентам. Концепция основывается на представлении об искусственных агентах, как активных, автономных, коммуникабельных, мотивированных объектах, «живущих» и «действующих» в сложных, динамических, виртуальных средах.

Технологическая среда моделирования программного комплекса КАСУ охватывает следующие классы систем и процессов:

• · корабельные системы управления;
• · формирование исходной тактической обстановки;
• · оценки параметров функционирования приборов корабельных систем на соответствие техническим требованиям;
• · процессы взаимодействия различных корабельных систем управления;
• · совместное функционирование систем в распределенной среде моделирования;
• · оценки эффективности совместного функционирования систем управления;
• · процесс управления соединениями кораблей в разнородном ситуационном пространстве;
• · обучение и тренинг широкого класса специалистов и операторов.

Рассматриваемая технология создает следующие имитируемые подпространства:

• 1. Подпространство действий, включающее:
  • · картографическое обеспечение (цифровые штурманские, географические, топографические карты, проблемно ориентированные модели местности);
  • · гидрометеобаллистическое обеспечение (статистика в виде гистограмм);
  • · территориальное расположение объектов;
  • · наличие и координаты зон, запретных для действий;
  • · сведения о постах наблюдения.
• 2. Модели объектов, представленные в виде модели группы объектов со всеми характеристиками входящих в ее состав систем.
• 3. Модели действий с использованием активных, пассивных и имитирующих помеховых сигналов.
• 4. Модели средств освещения надводной обстановки.
• 5. Модели корабельной и бортовой аппаратуры (навигации и управления движением).

Технологическая среда имеет три уровня активации: автономный (А), комплексный ©, групповой (G).

В технологической среде уровня, А решаются задачи:

• · исследования и отработки режимов функционирования приборов;
• · отработки режимов подготовки;
• · расчета данных и полетных заданий;
• · оценки соответствия параметров техническим требованиям;
• · обучения и тренинга персонала.

Результаты работы отображаются в графическом и числовом виде и сохраняются в Базе Знаний для дальнейшего проведения анализа результативности произведенных действий.

На этом уровне задаются следующие исходные данные:

• 1. географический район действий.
• 2. сценарий действий объектов:
  • · состав и местоположение;
  • · положение кораблей в ордере относительно его центра;
  • · маневрирование ордера (курс и скорость).
• 3. данные корабельного навигационного комплекса:
  • · курс свой и скорость своя;
  • · широта и долгота свои;
  • · навигационная обстановка;
  • · местная гидрология;
  • · время;
  • · метеоусловия в районе корабля.
• 4. гидрометеоусловия в районе действий:
  • · гидрологические параметры моря;
  • · атмосферные параметры;
  • · радиолокационная наблюдаемость.

Для решения задач автономного уровня, А используются модели функционирования корабельных и бортовых приборов и систем с учетом минимально необходимых информационных связей в процессе управления процессами маневрирования. Исходные данные формируются в общей Базе Данных и используются при необходимости различными моделями в любой момент времени. На основе подготовленных данных производится имитационное моделирование движения кораблей, моделирование работы информационных систем, реализуется интерактивный интерфейс оператора для управления моделями режимов и параметрами работы приборов.

Результатом работы в среде уровня, А является:

• · автономные испытания и верификация алгоритмов и программ;
• · отработка принципов выбора объектов;
• · оценка результатов маневрирования;
• · оценка качества работы приборов;
• · обучение и тренинг по отработке режимов в зависимости от тактической обстановки.

В технологической среде уровня С решаются следующие задачи:

• · выбор и исследование режимов совместной работы аппаратуры комплексов;
• · оценка объема, необходимого состава и последовательности выполнения работ по комплексному использованию средств;
• · исследование и оценка требований к полноте, значимости и точности задания исходных данных и их влияние на конечный результат;
• · выработка рациональной структуры и обоснование технических требований к построению и составу систем;
• · сравнительный анализ альтернативных вариантов построения корабельных систем управления;
• · оценка эффективности комплексного использования средств.

Задаются дополнительные, по сравнению с уровнем А, исходные данные:

• 1. район действий с использованием цифровых географических, топографических карт и проблемно ориентированных моделей местности.
• 2. гидрометеои гидрологические данные в районе действий.
• 3. данные об объектах:
  • · ТТХ корабельного состава;
  • · ТТХ используемого оборудования;
  • · используемые системы управления оборудованием.

Для решения задач комплексного уровня С используются информационно-замкнутые модели систем в режиме их совместного функционирования в имитируемой внешней среде.

В качестве базовых используются модели корабельных информационных систем, разработанные в среде уровня А. С целью обеспечения информационно-замкнутого режима работы в состав частных моделей вводятся интерфейсные модули взаимосвязи этих моделей и модули взаимодействия с внешней средой. Тем самым вводится обратная связь, обеспечивающая реакцию моделей на изменяющиеся внешние факторы и состояние смежных моделей.

По исходным данным подготавливается сценарий тактической обстановки:

• · географический район действий с расположением объектов;
• · состав систем, участвующих в работе;
• · режимы маневрирования ;
• · программа развития тактической ситуации.

Множество входных данных обрабатывается с целью формирования информации для различных систем, участвующих в работе. Осуществляется преобразование данных в нужный формат для передачи на вход частных моделей в соответствии с протоколами обмена информацией и логико-временными диаграммами взаимодействия.

Тактическая ситуация визуально отображается на географической карте района действий. Информация поступает на имитационную модель информационно-управляющей системы и модель системы освещения дальней надводной обстановки для обеспечения данными и для решения задач: программа интеллектуальный корабельный автоматизированный.

• · опознавания обнаруженных объектов;
• · ведения радиотехнического распознавания;
• · обеспечения навигационной безопасности;
• · определения параметров обнаруженных объектов;
• · передачи данных потребителям;

Результатом работы в среде уровня С является:

• · испытания и верификация алгоритмов и программ совместного функционирования систем;
• · исследование эффективности систем управления;
• · групповое обучение и тренинг по системам.

В технологической среде уровня С реализован режим подготовки сценариев, позволяющий осуществлять:

• · задание корабельного состава;
• · задание параметров движения соединения (курс, скорость, тип маневрирования и пр.);
• · задание характеристик и состояния (включено/выключено) аппаратуры каждого корабля, входящего в группу;
• · задание метеоусловий;
• · сохранение подготовленных сценариев для использования в последующих сеансах моделирования.

Для формирования исходных данных требуются БД по тактико-техническим характеристикам корабельного состава, картографические данные, методики по тактике использования.

На групповом уровне G реализуется предельно насыщенная технологическая среда, обеспечивающая решение задач, позволяющих воспроизводить любые тактические ситуации взаимодействия.

В технологической среде уровня G решаются следующие задачи:

• · исследования режимов совместного функционирования систем;
• · исследования тактических приемов применения систем;
• · оценки показателей эффективности действий.

Исходные данные уровня G:

• · цифровые географические и навигационные карты;
• · гидрометеои гидрологические Базы Данных;
• · Базы Данных ТТХ систем управления;
• · Базы Знаний действий объектов.

Для решения задач используется комплекс средств, разработанных в среде уровней, А и С, используется База Знаний по тактике на уровне совместного группового функционирования и группового использования средств, комплексные (в том числе и экспертные) критерии оценки эффективности работы систем в составе групп.

Результатом работы в среде уровня G является обеспечение распределенного интерактивного режима работы, не зависящего от состава и сложности решаемых задач, за счет: распределенной обработки приложений на принципах архитектуры «клиент-сервер», использования объектно-ориентированного подхода, развитости интерфейсной части с прикладными системами, широких графических возможностей, а также встроенных средств удаленного мониторинга и управления.

Ядром программного комплекса КАСУ является инструментарий динамических экспертных систем жесткого реального времени, построенный на основе универсальной и специализированной системной компонент.

Универсальная системная компонента включает:

• · инструментальную среду разработки динамических экспертных систем; систему управления распределенными Базами Данных и Базами Знаний;
• · систему генерации имитационных моделей внешней среды и формирования сценариев исходной тактической обстановки;
• · картографическую систему отображения района действий;
• · компьютерную сеть, функционирующую на основе протокола TCP/IP, как средство информационного обмена и межсетевого взаимодействия с территориально удаленными объектами;
• · системы графического отображения исследуемых процессов на базе проекционных систем и мультимедиа проекторов.

Специализированная системная компонента включает:

• · имитационные модели функционирования корабельных систем и обслуживающего оборудования в масштабе жесткого реального времени;
• · имитационные модели и аппаратные имитаторы внешних источников информации;
• · штатное оборудование и программное обеспечение корабельных информационных систем;
• · технологическое программное обеспечение;
• · Базы Знаний ТТХ объектов и систем управления;
• · Базы Знаний правил поведения объектов.

Система интеллектуального управления обеспечивает интерактивное и динамичное взаимодействие в режиме жесткого реального времени практически любого количества специализированных приложений и их объединение в единое целое в имитируемом пространстве. При этом процесс функционирования реализуется в локальной вычислительной сети компьютеров стандарта Ethernet (протокол TCP/IP), состоящей из ряда рабочих станций и десятков мощных компьютеров, на которых устанавливается система моделирования, система подготовки исходных данных, картографическая система и система мониторинга. Указанные компьютеры имеют доступ к серверу Баз Данных, на котором хранятся картографические базы данных и протоколы моделирования. Модели систем распределяются по рабочим станциям локальной сети.

С помощью системы генерации внешней среды формируется обстановка с использованием картографических БД и БД гидрометеоусловий. Задается тактический сценарий действий. Выбирается состав сил и осуществляется привязка. Сформированный тактический сценарий визуально отображается и по мере необходимости может редактироваться. Далее осуществляется задание состава систем на каждом объекте, режимов их работы и начальных параметров поведения.

На основе подготовленных данных система управления подключает необходимые модели и Базу Знаний поведения объектов, формирует информационное поле для их функционирования и по завершению этого этапа система готова к работе.

После запуска имитируется работа всех заданных систем в соответствии с Базой Знаний их функционирования. При любых изменениях обстановки, происходящих в процессе функционирования, База Знаний обновляет информацию для всех участвующих в работе объектов, и тем самым реализуется информационно-замкнутый процесс функционирования. По ходу работы (без прерывания) могут быть изменены параметры любого объекта или процесса.

С использованием данной технологии обеспечивается возможность создания виртуальной среды индивидуального и группового обучения и тренинга широкого класса специалистов и операторов в диапазоне задач от изучения устройств отдельных приборов до выработки навыков поведения и принятия решений при управлении кораблем на всем пространстве возможных оперативно-тактических ситуаций.

Совокупность методов, методик, алгоритмов и программ, построенных на основе изложенных выше основных подходов, интегрируется в развитую рабочую методологию создания интеллектуальных систем управления сложными многоуровневыми объектами в масштабе жесткого реального времени. На основе этой методологии разработана архитектура интеллектуальной системы управления сложного многокомпонентного технического объекта.

Основные функции разработанной системы многоагентного интеллектуального управления программным комплексом КАСУ:

• 1. Загрузка сценариев, подготовленных для моделирования. Обеспечивается возможность одновременной загрузки и параллельного выполнения нескольких сценариев (их количество ограничивается только объемом памяти компьютера и его производительностью).
• 2. Отображение одного или нескольких параллельно выполняющихся процессов.
• 3. Динамическое отображение действий на реальной карте.
• 4. Интерактивное изменение параметров движения и координат объектов.
• 5. Динамическое связывание экземпляров моделей систем, участвующих в работе.
• 6. Информационная поддержка всех динамических процессов.
• 7. Регистрация и накопление в протоколе работ основных событий.

В протокол заносятся описания исходной и конечной тактической ситуации, все действия по управлению и изменению параметров работы систем.

Система автоматически «оживляет» разработанную модель, облегчая визуализацию исполнения процессов. При этом обеспечивается автоматическая фиксация метрик анализируемых процессов. Эта возможность позволяет проводить эксперименты с различными организационными и техническими структурами, сравнивая их по временным, точностным и количественным характеристикам. Используется широкий спектр разных средств для проведения факторного анализа, с помощью которого достаточно быстро можно определить, как добавление ресурсов в ключевых точках процесса повлияет на его исполнение.