CC BY
41
УДК 621.391
АГРЕГИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ О ВОЗДУШНОЙ ОБСТАНОВКЕ В АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗДУШНЫМИ ОБЪЕКТАМИ В УСЛОВИЯХ КОМПЛЕКСНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
М. В. Семин, В. П. Стражник, А. Н. Потапов
ALGORITHMIC SUPPORT OF AUTOMATED CONTROL SYSTEM IN THE CONDITIONS OF INFORMATION OVERLOAD
M. V. Semin, V. P. Strazhnik, A. N. Potapov
Аннотация. Актуальность и цели. Повышение интенсивности комплексных информационных воздействий приводит к возникновению дефицита информации о воздушной обстановке, существенному сокращению времени для принятия решений лицами оперативного состава пунктов управления различных уровней автоматизированных систем управления. Целью работы является разработка алгоритмического обеспечения автоматизированной системы управления (АСУ) в условиях информационной перегрузки (комплексных информационных воздействий). Материалы и методы. Реализация задач достигнута на основе корректного использования известных математических соотношений апробированных подходов. Результаты имеют ясную физическую трактовку и не противоречат известным данным, характеризующим качество радиолокационной информации. Результаты. Метод представления информации о воздушной обстановке для выдачи в каналы передачи данных сложной иерархической АСУ состоит из алгоритма обнаружения информационной перегрузки системы, алгоритма представления информации для обмена и обработки, алгоритма восстановления информации о воздушной обстановке. Выводы. Метод агрегирования информации о воздушной обстановке обеспечивает минимизацию ее потерь в условиях информационной перегрузки при передаче по каналу обмена и удовлетворении требований потребителей информации к ее качеству.
Ключевые слова: алгоритм, информационная перегрузка, автоматизированная система управления.
Abstract. Background. The increased intensity of the complex effects of information leads to a lack of information on the air situation, a significant reduction of time for decision-making entities of the operational part of the control points of different levels of automated control systems. The aim of this work is to develop algorithmic support of automated control systems (management information system) in the conditions of information overload. Materials and methods. The implementation of the objectives achieved through the correct use of the known mathematical ratios of proven approaches. The results have a clear physical interpretation and does not contradict known data, the convergence of the obtained dependences characterizing the quality of radar data. Results. Method of presenting information on the air situation for the issuance of the data transfer channels of complex hierarchical ASU consists of the detection algorithm of the information overload of the system, the algorithm for providing information for the exchange and processing, algorithm for reconstruction of information on the air situation. Conclusions. Method of aggregating information on the air situation minimizes its losses in the conditions of information overload, the transmission channel of exchange and satisfy the requirements of consumers for its quality.
Key words: algorithm, information overload, automated control system.
Введение
Агрегирование информации о воздушной обстановке, обеспечивающее минимизацию ее потерь в условиях информационной перегрузки для передачи по каналу обмена при удовлетворении требований потребителей информации к ее качеству, предполагает формирование нечеткого отношения сходства на множестве отметок трасс воздушных объектов и определение множеств нечетко определенной цели. Вследствие этого актуальным является разработка алгоритмического обеспечения автоматизированной системы управления в условиях информационной перегрузки.
1. Обобщенная схема алгоритма обнаружения перегрузки
Для реализации процедуры обнаружения информационной перегрузки АСУ необходимо определить признаки, по которым ее можно идентифицировать в системе, и критерии включения алгоритма агрегирования.
Признаками, с использованием которых идентифицируется перегрузка системы, являются количество данных о воздушной обстановке (отметок от воздушных объектов) и качество информации.
При достижении количества отметок от воздушных объектов величины соизмеримой или превышающей производительность каналов и потребителя, возникает ситуация информационной перегрузки, увеличиваются задержки информации, снижается ее качество (точность и достоверность).
Качество информации существенным образом ухудшается и в условиях плотных боевых порядков, когда расстояние между объектами в группе соизмеримо или меньше размеров стробов, используемых при обработке (вторичной и третичной). При этом в один строб попадает несколько отметок от воздушных объектов и происходит формирование большого количества ложных траекторий, создающее предпосылки для информационной перегрузки.
Эти факторы свидетельствуют о необходимости агрегирования информации и, соответственно, ее представления по каждому групповому или пространственно-протяженному (помеховой области) воздушному объекту (ВО) в целях минимизации ошибок, возникающих при дальнейшей обработке в сложной иерархической АСУ [1].
Определим критерии включения алгоритма агрегирования.
Агрегирование может осуществляться по конкретному групповому ВО или по всей информации, выдаваемой в канал обмена.
В качестве критерия включения алгоритма агрегирования по конкретной группе отметок предлагается критерий, основанный на сравнении расстояния между ВО в группе и заданного порога, соответствующего размерам строба обработки [2]:
к | ЩпМ); ^ §сопрХГ > - ^сопр.Я >
где Д£>(г,г+1)?, АН(г1_])1 - расстояние между / и (/ + 1) воздушными объектами в г-ом цикле обработки; йСО|фЛТ , 8сопр н - строб сопровождения по плоскостным координатам и высоте.
Критерием включения алгоритма агрегирования по всей информации, выдаваемой в канал обмена К2, является достижение количества отметок от воздушных объектов определенной величины, соизмеримой с предельной производительностью элемента системы
К2^.1>к2Мтл,. (2)
где J - общее количество ВО, находящихся на обработке; Мтах - максимальная производительность канала (потребителя); ^ - коэффициент, определяющий допустимую загрузку каналов по количеству ВО.
Для обнаружения перегрузки канала по количеству передаваемых стандартных кодограмм используется критерий
(3)
где N, Nmax - количество формируемых для передачи стандартных кодограмм в данном цикле обмена и производительность канала по количеству передаваемых кодограмм соответственно; ^ - коэффициент, определяющий допустимую загрузку каналов по количеству передаваемых стандартных кодограмм.
Обобщенная схема структуры алгоритма обнаружения информационной перегрузки, состоящая из блоков проверки критериев К1, К2, К3, приведена на рис. 1. При функционировании алгоритма в случае выполнения предложенных выше критериев К12^= 1 осуществляется включение алгоритма
агрегирования и выбор способа представления агрегированных данных.
Рис. 1. Обобщенная схема структуры алгоритма обнаружения информационной перегрузки
Критерий К определяется для каждой группы, критерии К2, К3 - по всей информации.
В случае выполнения выбранных критериев в канал передачи выдаются данные о выделенном алгоритмом агрегирования признаке, характеризующем групповые или пространственно-протяженные воздушные объекты в целом и обобщенные их характеристики.
Таким образом, обнаружение факта перегрузки системы предлагается осуществлять путем сравнения расстояний между воздушными объектами с заданными порогами, количества ВО, находящихся в системе обработки элемента АСУ и по каждой области пространства, прикрытой помехами -оператором комплекса средств автоматизации (КСА).
2. Агрегирование информации о воздушной обстановке для выдачи в каналы передачи данных
В соответствии со структурой абстрактной элементарной подсистемы, требованиями к методу представления, его назначением метод представления информации должен состоять из алгоритмов обнаружения информационной перегрузки системы, собственно представления информации для обмена и обработки и восстановления информации о воздушной обстановке на приемном конце (рис. 2).
Метод представления агрегированной информации
Алгоритм Алгоритм к Алгоритм
обнаружения ц> агрегирования О восстановления
перегрузки системы информации информации
Рис. 2. Структура метода представления агрегированной информации о воздушной обстановке для выдачи в каналы передачи данных
Пусть в зоне ответственности информационной подсистемы сложной иерархической АСУ находится фрагмент массированного удара, состоящий из нескольких плотных групп ВО. Опишем этот фрагмент множеством X , тогда Хк - подмножество к-й группы, к = [1, К\. а х(\>,Х,: с! - элемент этого подмножества, т.е. отдельный воздушный объект, который характеризуется определенными кинематическими параметрами и признаками.
Измерительные средства осуществляют обнаружение и определение координат и признаков воздушных объектов. Тогда в системе обработки пункта обработки, выдающего данные о воздушной обстановке, формируется подмножество отметок от воздушных объектов
Хк=ХхЯ8, (4)
где Х - множество объектов, действующих в границах зоны ответственности информационной системы (элементом этого множества является отдельный объект х е X, который характеризуется вектором параметров, определяющих его положение в пространстве параметров на момент времени t = [0,7 | ); ХR - множество, описывающее информацию об обстановке в зоне ответственности и представляющее собой отображение прообраза множества Х.
Осуществляя отображение обстановки в зоне ответственности, система воздействует на нее оператором RS, который представляет собой системный оператор
Rs^RsxS,
где Rs - оператор отображения обстановки на sn -м элементе системы. Причем
X —>XR , тогда Хк -^>XkR,k = 1.К , или
U xnR(v,p,t)^XR,{}Xk^XR. (5)
Ni К
Необходимо разработать метод агрегирования информации о воздушной обстановке, обеспечивающий минимизацию потерь информации в элементарной, абстрактной системе сложной иерархической АСУ в условиях информационной перегрузки
а(А) = (1 - К), а —» min
при удовлетворении требований потребителей информации к ее качеству, то есть разработать метод А:
А еА°, (6)
где Л° - алгоритм представления информации, при реализации которого потери радиолокационной информации в системе стремятся к нулю (можно сказать о нем, что это «идеальный алгоритм представления информации»).
Основным требованием к такому методу агрегирования информации является обеспечение выделения подмножеств групп при том, чтобы их пересечение представляло собой пустое множество [3]:
А XR ={JXkR, Vf]XkR = 0, А еДэ, (7)
К к
где А@> - множество алгоритмов, удовлетворяющих требования потребителей; 0 - вектор требований потребителей к качеству радиолокационной информации (РЛИ): общее количество воздушных объектов, средняя длительность непрерывного сопровождения, средняя длительность разрывов трасс, средняя длительность ложных трасс, среднеквадратические ошибки определения положения ВО в пространстве соответственно.
В связи с нечеткостью информации о группах отметок от ВО формально ее можно описать нечетким подмножеством универсального множества Х. Нечеткое подмножество группы отметок представляет собой совокупность пар вида
XkR = О^М* (XR)) •
Если ) - функция принадлежности, характеризующая степень
принадлежности ВО группе (общей задаче, решаемой группой), то она долж-
на быть не равна нулю для объектов, принадлежащих одной группе, и равна нулю для объектов, принадлежащих разным группам:
При этом при агрегировании должны выделяться признаки, характеризующие группу воздушных объектов в целом. Для разработки метода агрегирования, удовлетворяющего предъявленным выше требованиям, необходимо рассмотреть свойства отношения R как отношения, характеризующего группу отметок в целом.
В результате воздействия неопределенности при отображении воздушной обстановки в информационной подсистеме (обнаружения и обработки) на пункте, выдающем данные о воздушной обстановке, каждый элемент исходного универсального множества Х может быть отображен в системе в виде некоего нечеткого подмножества, что согласуется с реальной ситуацией возникновения ложных отметок и траекторий.
При расчетах учитывается, что
В соответствии с требованиями к методу агрегирования для минимизации ошибки подмножество пересечения становится пустым, когда
|а(х) = гтп ц(х) =0.
Это означает, что функция принадлежности объекта, являющегося составляющим одной группы, любому объекту другой группы должна быть равна 0.
Если воздушный объект однозначно принадлежит нечеткому множеству группы, то функция принадлежности принимает значение, равное 1.
Каждый из воздушных объектов описывается следующим набором данных:
- координатами х, у, h в прямоугольной системе координат;
- составляющими скорости vx, vy, vh ;
- признаковой информацией, в состав которой в соответствии с [4] может входить порядка 70 различных признаков. Основными из них являются признак государственной принадлежности («свой», «чужой», «неопознанный»), индекс воздушного объекта (семь градаций), признак действия активных средств по ВО, тип воздушного объекта (порядка 200 градаций типов летательных аппаратов).
Метод агрегирования должен обеспечивать объединение в одну группу отметок от ВО, имеющих наибольшую степень близости по координатам и характеристикам движения и имеющих непротиворечивые признаки. При этом основной проблемой является учет всей этой информации при определении функций принадлежности. Наиболее приемлемым путем разрешения
этой проблемы является раздельное определение функций принадлежности для каждой из характеристик.
Основным признаком для объединения в группу является пространственная близость данных о воздушных объектах. Скоростные характеристики и признаковую информацию целесообразно отнести к ограничениям [4].
Итак, вышеприведенные рассуждения позволяют формализовать как задачу достижения нечетко определенной цели при нечетких и четких ограничениях.
Пусть X - универсальное множество альтернатив, то есть универсальная совокупность всевозможных вариантов агрегирования. Нечеткой целью
в X является нечеткое подмножество X, которое будем обозначать X®, то есть нечеткое подмножество сформированных групп. Опишем нечеткую цель функцией принадлежности :Х —>■ 0,1 . Ограничения определяют множество допустимых альтернатив и также описываются подмножествами множества X.
Подмножество ограничений по скорости является нечетким и описывается функцией принадлежности : X —» 0,1 .
Подмножество непротиворечивых признаков является четким и описывается функцией принадлежности, принимающей только два значения: \хр : X —» 0 , если признаки противоречивы, и \хр : X —> 1, если признаки непротиворечивы с точки зрения объединения объектов в одну группу.
Тогда нечетким решением задачи достижения нечеткой цели является пересечение нечетких множеств цели и ограничений, а функция принадлежности решений имеет вид
цв(х) = тт цк(х),цу(х),цр(х) . (9)
Нечеткость полученного решения есть следствие нечеткости самой исходной задачи.
Множество допустимых альтернатив определяется с использованием четкого ограничения по непротиворечивости признаков и ограничения по скорости. На нем строится соответствующее отношение сходства
*м= (хв> Ув) I (хв> Ув)е М-в(хв> Ув) = [ОД] • (Ю)
С точки зрения объединения ВО в одну группу известную совокупность признаков можно разделить на следующие классы:
- противоречивые признаки;
- непротиворечивые признаки;
- признаки, запрещающие агрегирование объекта.
С учетом проведенной классификации выражение для расчета функции принадлежности четкого подмножества ограничений по признаковой информации выглядит следующим образом:
М-^Лз^1™1 Нот(*в>Д;вХН'з(*вХН'зО;вХЦн(*в>.>;в) , (11)
где ц0]и(хи, уп) - функция принадлежности четкого ограничения по признаку государственной принадлежности; |и3(хв), Ц3(.УВ) - функция принадлежности четкого ограничения по признакам, запрещающим объединение данных об объектах хв, ув в группу соответственно; (хи, уи) - функция
принадлежности четкого ограничения по непротиворечивости остальных признаков.
Функции принадлежности четких ограничений по признаковой информации рассчитываются следующим образом:
Morn(^в' Ув)' Мз(хвХ Мз(>в),
1, если признаки непротиворечивы; МнС^В'-Ув) = | (12)
[О, если признаки противоречивы.
С учетом признаковой информации подмножество допустимых альтернатив выглядит следующим образом:
Мв(хв> Ув) = ™п Мв/к(хв,>'вХМлХхв,>'в) • (13)
Таким образом, на множестве всех отметок ВО проведено агрегирование по координатам и признаковой информации, то есть выделены классы сходства отметок. Для окончательной классификации, то есть для выделения стабильных во времени групп отметок, необходимо учесть ограничение по скорости. Прежде чем это осуществить, необходимо представить агрегированную информацию в виде подмножества непересекающихся классов и определить агрегированный признак или представитель-эталон для каждого. Для этого преобразуем построенное отношение сходства в нечеткое отношение строгого предпочтения и выделим на нем четко недоминируемые альтернативы:
Мв (хв) = 1 ~ sup [Н-вСУв? хв) ~Мв(хв> Jb)] > (14)
где sup - верхняя грань на множестве X.
Уточнение полученной классификации проведем с учетом нечеткого ограничения по скорости:
Мв(хв> Ув) = 1™п Мв(хв> Ув)' Мк(хв> Ув) » (15)
причем функция принадлежности нечеткого ограничения по скорости рассчитывается по выражению
[О, если АУШ / (АКвнеш + Д) < 0;
Mf(xB'JB) = 1, ЛТ/ UAJ/ (16)
[1, если ДКвн/(ДКвнеш+Д)>1,
где ДГ[Ш = VX-Vy - разность скоростей между составляющими группы;
А^внеш - Ух - Ук - разность между скоростями движения составляющих данной группы и ближайшей составляющей соседней.
Наиболее приемлемым способом разрешения неопределенности полученного решения является выбор альтернативы, имеющей максимальную степень принадлежности нечеткому решению, то есть альтернативы, реализующей
шахцв(х) = шах1шп ^1в(хв, ув),^.у(хв, ув) . (17)
хеХ хеХ
Таким образом, метод агрегирования информации о воздушной обстановке, обеспечивающий минимизацию ее потерь в условиях информационной перегрузки при передаче по каналу обмена и удовлетворение требований потребителей информации к ее качеству, состоит:
- в формировании нечеткого отношения сходства на множестве отметок трасс воздушных объектов и определении множеств нечетко определенной цели;
- в преобразовании матрицы нечеткого отношения сходства с выделенными на нем с учетом четких ограничений по признаковой информации подмножествами групп в нечеткое отношение строгого предпочтения и выделении на нем четко недоминируемых альтернатив;
- в уточнении сформированных групп с учетом нечеткого ограничения по скорости и формировании подмножества допустимых альтернатив;
- в разрешении неопределенности полученного решения путем выбора альтернативы, имеющей максимальную степень принадлежности нечеткому решению.
Заключение
В дальнейшем, в зависимости от требований потребителя к информации (канала передачи данных, взаимодействующего КСА), данные о выделенной группе ВО могут быть представлены следующим образом:
1) при отсутствии признаков информационной перегрузки:
- в виде группы отметок их характеристик и признаков, агрегированного признака (эталона) и обобщенных характеристик группы в абсолютной системе координат;
2) при наличии признаков информационной перегрузки:
- в виде группы отметок их характеристик и признаков, агрегированного признака (эталона) и обобщенных характеристик группы в относительной системе координат с центром координат, совпадающим с координатами эталона;
- в виде группы отметок их координат, агрегированного признака (эталона) и обобщенных характеристик группы в относительной системе координат с центром координат, совпадающим с координатами эталона с уменьшением масштаба (сжатием) осей координат в несколько раз;
- в виде эталона и обобщенных характеристик группового (пространственно-протяженного) ВО.
Безусловно, реализация метода напрямую в виде алгоритма потребует достаточных вычислительных ресурсов. Поэтому при разработке алгоритма, его реализующего, необходимо осуществить предварительную оценку потребных вычислительных ресурсов.
Список литературы
1. Семин, М. В. Проектирование на основе модульного принципа автоматизированных информационных систем освоения эрготехнических комплексов / М. В. Семин // Эффективность автоматизированных систем управления авиацией, систем связи и РТО ВВС : науч.-техн. сб. - Ногинск, 2012. - 275 с.
2. Потапов, А. Н. Обоснование подхода к разработке метода представления информации о воздушной обстановке для обмена в сложной иерархической структуре автоматизированной системы управления / А. Н. Потапов, М. В. Семин // Академические Жуковские чтения : сб. ст. по материалам Всерос. науч.-практ. конф. (Воронеж, 20-21 ноября 2013 г.). - Воронеж : ВВА им. проф. Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина, 2014. - С. 114-122.
3. Потапов, А. Н. К вопросу об агрегировании информации для выдачи в каналы передачи данных / А. Н. Потапов, М. В. Семин // Актуальные вопросы эксплуатации систем охраны и защищенных телекоммуникационных систем : сб. материалов Всерос. науч.-практ. конф. (Воронеж, 5 июня 2014 г.). - Воронеж : Воронежский институт МВД России, 2014. - С. 194-196.
4. Потапов, А. Н. Алгоритм обнаружения информационной перегрузки в иерархической автоматизированной системе управления / А. Н. Потапов, М. В. Семин // Вестник Военной академии воздушно-космической обороны : сб. науч.-метод. материалов. - Тверь : ВА ВКО им. Г. К. Жукова, 2015. - Вып. № 5. - С. 117-120.
Семин Михаил Валентинович
начальник учебной лаборатории, кафедра эксплуатации радиотехнических средств (обеспечения полетов), Военно-воздушная академия им. профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина (г. Воронеж) E-mail: mixa5540@yandex.ru
Semin Mikhail Valentinovich chief of educational laboratory, sub-department of operation of radio-technical devices (support flight), Air force Academy named after professor N. E. Zhukovsky and Yu. A. Gagarin (Voronezh)
Стражник Владимир Петрович
кандидат технических наук, начальник кафедры эксплуатации радиотехнических средств (обеспечения полетов), Военно-воздушная академия им. профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина (г. Воронеж) E-mail: strazhnik36rus@gmail.com
Strazhnik Vladimir Petrovich candidate of technical sciences, chief of sub-department of operation of radio-technical devices (support flight), Air force Academy named after professor N. E. Zhukovsky and Yu. A. Gagarin (Voronezh)
Потапов Андрей Николаевич
кандидат технических наук, доцент, заместитель начальника кафедры эксплуатации радиотехнических средств (обеспечения полетов), Военно-воздушная академия им. профессора Н. Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина (г. Воронеж) E-mail: potapov_il@mail.ru
Potapov Andrey Nikolayevich candidate of technical sciences, associate professor,
deputy head of sub-department of operation of radio-technical devices (support flight), Air force Academy named after professor N. E. Zhukovsky and Yu. A. Gagarin (Voronezh)
УДК 621.391 Семин, М. В.
Агрегирование информации о воздушной обстановке в автоматизированной системе управления воздушными объектами в условиях комплексных информационных воздействий / М. В. Семин, В. П. Стражник, А. Н. Потапов // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2016. - № 4 (20). -С. 139-149.
