Модели информационного обеспечения систем управления оперативными подразделениями с применением технологий спутниковой навигации

Актуальность исследуемой научной задачи. Одним из важных направлений в деятельности МЧС является совершенствование системы оперативного управления мероприятиями по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций (ЧС). Направление этой деятельности закреплено федерально-целевой программой «Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2010 года» (Постановление Правительства РФ от 6 января 2006 г. № 1) и реализуется в развивающейся Единой государственной системе предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (РСЧС).

Развитие РСЧС направлено на решение все более сложных задач, стоящих перед МЧС России, и охватывает все ее структурные и функциональные подсистемы, включая и систему информационного обеспечения (СИО), как одну из важных в общей системе оперативного управления.

Под информационным обеспечением в работе подразумеваются мероприятия, направленные на получение информации как одного из важных ресурсов управления. Поэтому под системой информационного обеспечения в работе подразумевается система, объединяющая в себе информацию, используемую как ресурс управления силами и средствами МЧС для предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций. Она включает в свой состав средства измерений, разнесенные в пространстве измерительно-вычислительные комплексы, предназначенные для определения состояния объектов управления, средства сбора, обработки и передачи измерительной информации об объектах управления, органы управления ими, а также набор нормативных и регламентирующих документов, определяющих их функционирование в кризисных и чрезвычайных ситуациях.

Важнейшим направлением совершенствования информационного обеспечения процессов управления РСЧС является интеграция всех информационных ресурсов РСЧС, повышение оперативности, полноты, достоверности, непротиворечивости и устойчивости информационного обеспечения процессов управления РСЧС.

Научную основу развития СИО составляет общая теория систем и ее приложения. Успешному ее развитию способствовали фундаментальные исследования Р. Беллмана [13], JI.A. Заде [42], Р. Калмана [47], A.M. Ляпунова [59], JI.C. Понтрягина [80], Т. Саати [88,89], Э. П. Сейджа [92] и других видных отечественных и зарубежных ученых.

Современное развитие РСЧС предполагает широкое использование современных информационных технологий и последних достижений в технологии создания системы глобального позиционирования ГЛОНАСС (GPS).

Вместе с тем на пути практического применения этих достижений при построении перспективных систем информационного обеспечения процессов управления РСЧС возникает ряд задач, решение которых позволило бы ответить на два важных практических вопроса:

1. Какими количественными характеристиками качества следует наделить СИО, чтобы они оказались достаточными для выполнения системой своих функций?

2. Как будут меняться эти характеристики в тех случаях, когда управление будет происходить под воздействием не учитываемых заранее систематических погрешностей и погрешностей эфемерид, но устраняемых в системе с использованием специальных методов обработки информации в СИО?

Теоретическая и практическая важность решения этих задач стимулировала выбор научного и практического направлений диссертационного исследования. А именно: разработка моделей информационного обеспечения систем управления оперативными подразделениями с применением технологий спутниковой навигации.

Объект исследования — система информационного обеспечения для управления оперативными подразделениями МЧС, участвующими в ликвидации чрезвычайных ситуаций.

Предмет исследования — методы, модели и алгоритмы, предназначенные для прогнозирования характеристик качества системы информационного обеспечения в системах управления оперативными подразделениями МЧС с использованием современных технологий систем спутниковой навигации.

Задача исследования — разработка метода прогнозирования требований к системам информационного обеспечения для управления оперативными подразделениями МЧС с использованием технологий систем спутниковой навигации.

Цель исследования состоит в повышении качества информационного обеспечения в системах управления оперативными подразделениями МЧС.

Поставленная цель достигается в работе путем решения следующего комплекса логически взаимно увязанных задач.

ВЫВОДЫ ПО РАЗДЕЛУ.

1. Проведено исследование разработанных в диссертации методов и моделей. Цель исследований состояла в том, чтобы оценить работоспособность и точность предложенных моделей и методик обоснования точности измерений в системе информационного обеспечения при решении задачи оперативного управления силами и средствами МЧС. Для исследования использована модель измерений радионавигационных параметров по сигналам, принимаемым не менее чем от четырех НКА. Взаимное расположение траекторий движения объекта управления и НКА относительно ККС выбирались таким образом, чтобы можно было образовать наилучшее (в смысле геометрического коэффициента) созвездие из НКА.

2. Результаты исследований подтверждают полученный в диссертационном исследовании теоретический вывод о том, что прогнозируемые оценки дисперсии результатов навигационных измерений в СИО практически не чувствительны к выбору метода навигационного определения координат для случая, когда требуется, чтобы полученный и желаемый результаты оценивания вектора состояния ОУ были стохастически эквивалентными в широком смысле.

3. Еще один вывод касается схемы вычисления интеграла вероятности в алгоритме расчета точности СИО. В этой схеме интегрирование осуществляется по области, которая не является конгруэнтной задаваемой области требований. Такое интегрирование можно выполнить, в частности, известными численными методами. Для случая определения координат на плоскости можно применить предложенную в работе простую формулу вычисления интеграла вероятности.

4. Разработаны рекомендации по практическому применению метода, которые сводятся к следующему: метод рекомендуется применять при создании типовой структуры межведомственного диспетчерского комплекса, предназначенного для управления подвижными объектами оперативных служб, аварийно-спасательных, противопожарных и других формирований. В составе комплекса предполагается использование НАП СРНС, предназначенной для размещения на подвижных управляемых объектах МЧСпри практическом применении разработанных моделей и методик важным является задание исходных данных к СИО для решения задачи обоснования точности НАП в виде требований к точности оцениваемых величин по результатам измерений СРНС. В формировании исходных требований к СИО должны участвовать представители конструктора испытываемых систем, испытательных подразделений и метрологической службы. Результат их совместной деятельности выражается в перечне используемых исходных данных для последующей оценки точности НАП по предложенным моделям и алгоритмам.

С помощью предложенных моделей можно повысить точность определения координат объектов управления за счет компенсации погрешностей в эфемеридах навигационных спутников СРНС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Одним из важнейших направлений повышения эффективности управления оперативными подразделениями при ликвидации ЧС и проведении АСДНР (СУОП), является дальнейшее совершенствование системы их информационного обеспечения с использованием достижений в современных информационных технологиях.

Важным функциональным и структурным элементом в ней является система информационного обеспечения (СИО). В работе исследовалась одна из важных функций этой системы — получение информации об объектах управления, которая необходима для формирования целенаправленного воздействия на объекты. Исследования были направлены на то, чтобы ответить на два основных вопроса: какими должны быть состав и структура системы и какими значениями следует наделить параметры выбранной структуры, чтобы СИО обладала свойствами, при которых обеспечивается требуемое качество функционирования системы управления объектами?

В ходе проведения исследований получены следующие научные и практические результаты.

1. Показано, что, по мере усложнения задач, решаемых СУОП, все более значимую роль играет ее информационное обеспечение. Причем, все большее значение оно приобретает в чрезвычайных ситуациях, в которых человек активно участвует в различных мероприятиях. Для эффективного информационного обеспечения СУОП необходимо постоянное совершенствование подсистемы ее информационного обеспечения.

2. Проанализирована типовая схема получения, преобразования и использования информации в процессе функционирования СУОП. Формально и качественно показано, что в ней измерения являются вспомогательной операцией, выполняемой в интересах решения задач более высокого иерархического уровня. Такого рода системотехническая трактовка роли СИО в составе СУОП позволяет на различных этапах проектирования системно увязать цели ее функционирования с потребностью практики управления в ЧС. Поэтому при обосновании характеристик СИО необходимо придерживаться принципа системной ориентированности целей функционирования СУОП, в которой СИО является иерархически соподчиненной системой. И предъявлять требования к качеству СИО такие, чтобы гарантированно выполнялись бы заданные требования к показателям качества СУОП.

3. Разработана теоретико-множественная модель СУОП и системы ее информационного обеспечения. Они формально рассматриваются, как некоторые конечные абстрактные множества по Кантору. Особенность модели усматривается в том, что входящие в нее множества являются формальными объектами, на которые не накладывается никаких ограничений, кроме ограничения конечности множеств. Такая особенность позволяет наделять объекты модели вполне определенными смысловыми значениями при формальном описании свойств СУОП и СИО как составного элемента системы.

Введенные теоретико-множественные отношения в модели формально подтверждают тот факт, что в системах информащюнного обеспечения процессами управления недопустимо, вообще говоря, произвольно назначать требоваг ния к характеристикам отдельных средств, входящих в их состав. Это значит, что для выполнения общих требований, предъявляемых к системе информационного обеспечения, как элемента СУОП, между характеристиками ее отдельных элементов должны быть установлены вполне определенные, конкретные соотношения.

4. Дано теоретико-множественное описание задачи обоснования характеристик СИО. Исходным при описании является предположение о том, что потребность в системе информационного обеспечения выражается в требованиях, предъявляемых к ее характеристическим внешним свойствам со стороны СУОП, как системы более высокого по отношению к ней иерархического уровня. Такие требования устанавливаются в модели описания с помощью отношения, в котором осуществляется отображение множества выходов СИО на множество его входов. В модели учитываются условия функционирования СИО в условиях воздействия на нее среды распространения сигналов и внешних объектов. Теоретико-множественное представление СУОП и ее составного элемента — системы информационного обеспечения — позволило формализовать постановку и последующее решение задачи диссертационного исследования.

5. Сформулированы исходные предположения и допущения, при которых исследуется задача обоснования характеристик СИО. Даны содержательная и формальная постановки задачи диссертационного исследования. Задача относится к классу задач оптимизации характеристик сложных систем по заданному критерию. Введенная для оптимизации критериальная функция наделена вполне определенными, конкретными, свойствами: она является вещественной, конечной, дифференцируемой функцией векторного аргументасохраняет постоянное значение на области «нелучших» решений и монотонно возрастает на области «нехудших» решенийограничена сверху и снизу. Такие свойства отражают природу исследуемой системы и стремление наделить ее желаемым качеством.

К числу дополнительных ограничений и допущений, конкретизирующих постановку сформулированной задачи по обоснованию характеристик СИО, относятся следующие введенные модели: модели, применяемые для описания состояния объекта управления в СУОПмодели измерения и статистической оценки состояния объекта по результатам измерениямодели, используемые для описания свойств системы информационного обеспечения в СУОПкритерии оценки качества, с которым выполняются измерения в СИО.

6. Сформулирован и доказан достаточный признак для проверки выполнения требований к точности измерения в СИО, рассматриваемый как одна из модификаций введенного обобщенного показателя качества СИО.

7. Конкретизированы содержательная и математическая постановки задачи диссертационного исследования.

Первая часть задачи состоит в обосновании точности измерений в СИО, которая должна быть достаточной для достижения заданной точности, с которой оценивается вектор состояния объекта управления в СУОП.

Другая часть задачи состоит в том, чтобы для рассчитанной точности измерения модифицировать структуру подсистемы СИО, включающей НАП СРНС, так, чтобы в процессе ее функционирования можно было повысить точность оценки состояния объекта управления в СУСС за счет компенсации неучтенных систематических погрешностей измерения.

8. Дано аналитическое решение первой части задачи — обоснование точности измерений в системе информационного обеспечения, использующей НАЛ СРНС. Особенность полученного решения состоит в том, что с его помощью возможно прогнозирование метрологических характеристик НАП с одновременной оценкой точности и достоверности результатов прогнозирования. Результатом решения явилось создание теоретических основ-метода обоснования характеристик СИО как элемента СУОП. Метод включает в себя следующие составляющие: математическую модель измерений с применением НАП СРНСматематическую формулировку задачи о построении метода обоснования точности измерений в СИОметод решения задачи обоснования требований к точности измерений с использованием НАП СРНС и анализ полученного решения.

Существенный для практики вывод заключается в том, что предложенный метод обоснования характеристик СИО, наряду с оценкой точности измерений в СИО, позволяет оценивать также и достоверность рассчитываемых показателей точности.

9. Проведен анализ влияния погрешностей эфемерид на точность навигационного определения состояния объектов управления в СУОП. Показано, что погрешность, возникающая вследствие неточности аналитической модели прогноза параметров орбит навигационных космических аппаратов, неточности модели расчета вектора их состояния, а также из-за непрогнозируемых смещений их относительно экстраполированной орбиты, приводит к значительным погрешностям в определении координат потребителя (ОУ). Показано также, что используемый дифференциальный метод навигации не в полной мере исключает эфемеридную составляющую погрешности.

10. Дана математическая постановки задачи по разработке метода, предназначенного для определения координат объекта управления в СУОП по сигналам СРНС в дифференциальном режиме работы с компенсацией погрешностей эфемерид. Особенность задачи состоит в том, что в ней систематические погрешности прогнозирования положения навигационных спутников СРНС (погрешности эфемерид) включены в число определяемых параметров модели радионавигационных измерений. Определяемые в результате ее решения погрешности эфемерид можно в дальнейшем учитывать для повышения точности навигационного определения координат ОУ в СУОП.

11. Построено аналитическое решение поставленной задачи. С чисто теоретической точки зрения оно принципиально не отличается от решения задачи оценивания систематических погрешностей в измерительных системах со структурной и временной избыточностью. Однако при построении решения были учтены следующие особенности задачи: в состав оцениваемых параметров дополнительно включены погрешности собственных эфемерид навигационных спутников СРНС. Будучи неаддитивными относительно определяемых систематических погрешностей результатов навигационных измерений, они аддитивны по отношению к оцениваемым координатам потребителя (или соответствующим коэффициентам функций, описывающих его движение). Поэтому определение их обычными методами линейного разделения зачастую невозможно.

Решение задачи получено путем разделения во времени процесса оценивания погрешностей.

На первой стадии этого процесса по результатам навигационных измерений, выполняемых на контрольно-корректирующей станции, построены оценки погрешностей эфемерид для каждого из навигационных спутников и систематических погрешностей результатов измерений.

На второй стадии полученные оценки систематических погрешностей эфемерид используются в качестве поправки к прогнозируемым координатам навигационных спутников. А оценка систематических погрешностей принимается в качестве начального приближения для уточнения значений систематических погрешностей измерений, выполняемых навигационной аппаратурой потребителя на объекте управления.

Вторая стадия решения завершается оценкой вектора текущих координат потребителя ОУ и вектора систематических погрешностей измерений.

12. Разработана методика расчета характеристик точности СИО, использующей в своем составе НАП СРНС, для случаев, когда оценка состояния ОУ определяется с учетом поправок на систематические и эфемеридные погрешности, рассчитываемые по данным навигационных измерений, наделенных свойством структурной и временной избыточности. Дана математическая формулировка задачи расчета характеристик точности. Приведена схема ее решения, использующая разработанную процедуру совместного оценивания систематических погрешностей эфемерид и результатов прямых измерений в СИО. Проведена оценка точности методики.

13. Разработаны методики алгоритмы и программы расчета характеристик системы информационного обеспечения и оценки состояния объектов управления. Проведено исследование разработанных методов и моделей. Даны предложения по их практическому применению.

Результаты исследований экспериментально подтверждают полученный в диссертационном исследовании вывод о том, что прогнозируемые оценки дисперсии результатов навигационных измерений в СИО нечувствительны к выбору метода навигационного определения координат для случая, когда требуется, чтобы полученный и желаемый результаты оценивания вектора состояния ОУ были стохастически эквивалентными в широком смысле. Это позволяет использовать на практике данную методику при различной конфигурации навигационного поля для измерения координат ОУ в СУОП.

Еще один вывод касается схемы вычисления интеграла вероятности в алгоритме расчета точности СИО. В этой схеме интегрирование осуществляется по области, которая не является конгруэнтной задаваемой области требований. Такое интегрирование можно выполнить, в частности, известными численными методами. Для случая определения координат на плоскости можно применить предложенную в работе простую формулу вычисления интеграла вероятности, помещенную в Приложении 3.

14. Разработаны рекомендации по практическому применению метода, которые сводятся к следующему: метод рекомендуется применять при создании типовой структуры межведомственного диспетчерского комплекса, предназначенного для управления подвижными объектами оперативных служб, аварийно-спасательных, противопожарных и других формирований. В составе комплекса предполагается использование НАП СРНС, предназначенной для размещения на подвижных управляемых объектах МЧСпри практическом применении разработанных моделей и методик важным является задание исходных данных к СИО для решения задачи обоснования точности НАП в виде требований к точности оцениваемых величин по результатам измерений СРНС. В формировании исходных требований к СИО должны участвовать представители конструктора испытываемых систем, испытательных подразделений и метрологической службы. Результат их совместной деятельности выражается в перечне используемых исходных данных для последующей оценки точности НАП по предложенным моделям и алгоритмам.

С помощью предложенных моделей можно повысить точность определения координат объектов управления за счет компенсации погрешностей в эфемеридах навигационных спутников СРНС.

Полученные в диссертации результаты использованы в следующих организациях: в 4 ЦНИИ МО РФ при разработке теоретико-множественной модели системы информационного обеспечения при испытаниях ВВТ в.

НИР «Полигон—2" — в ФГУ ВНИИПО при разработке алгоритмического и программного обеспечения подсистемы мониторинга мобильных объектов пожарной охраны, составной части типовой автоматизированной геоинформационной системы поддержки принятия решений и оперативного управления пожарно-спасательными подразделениями МЧС России при тушении пожаров и ликвидации техногенных аварий и катастроф на объектах, критически важных для национальной безопасности РФв Академии ГПС МЧС России в учебном процессе при изучении дисциплины «АСУ и связь» на факультете руководящих кадров и курсах повышения квалификации.