CC BY
25А.Н. Дяченко
ПАО «Интелтех»
ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
АВТОНОМНЫМИ НЕОБИТАЕМЫМИ ПОДВОДНЫМИ АППАРАТАМИ И МЕТОДЫ ИХ РАЗРАБОТКИ
АННОТАЦИЯ. Рассматриваются вопросы, связанные с применением АНПА и разработкой их подсистем. Представлен вариант схемы объединения подсистем аппарата и возможное ее расширение при переходе от одиночного применения АНПА к выполнению заданий в составе группы. Рассмотрен подход к разработке управляющих и исполнительных подсистем АНПА.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: автономные необитаемые подводные аппараты, группировка АНПА, многоагентные системы, разработка систем управления.
Введение
Развитие технологий, обеспечивающее увеличение производительности вычислительных систем в совокупности со снижением количества потребляемой ими энергии и их габаритов, стимулирует разработку автономных роботов, в частности автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА). Одним из преимуществ аппаратов подобного класса, как известно, является возможность длительной работы в сложной окружающей обстановке, при сведенном к минимуму участии человека в процессе выполнения задания.
Предпосылки к применению группировок АНПА
Обобщая список задач, эффективность решения которых возможно повысить за счет применения АНПА, можно свести его к таким группам как задачи поиска объекта и задачи воздействия на объект поиска. Переход между обозначенными группами задач требует принятия решения, в выработке которого, в общем случае, должен участвовать человек. В ряде случаев, с учетом наличия дополнительных требований и ограничений на процессы выполнения задания (скрытности, непрерывности воздействия на объект и т. п.), решение поставленных задач одиночным АНПА, может быть неэффективно, либо невозможно, в том числе из-за повышенных требований к характеристикам процесса управления.
Из перечня характеристик процесса управления, представленного в [1], можно выделить как минимум две: непрерывность и обоснованность, на которые в немалой степени оказывает влияние обеспечение связи между АНПА и управляющим объектом. Обоснованность управления зависит и от полноты информации об окружающей обстановке. Ограниченные возможности технических средств одиночного АНПА, вероятнее всего, будут отрицательно сказываться на указанных характеристиках.
Формирование группировки АНПА представляется доступным способом преодоления возможных ограничений. В этом случае между участниками группы распределяются задачи, решение которых обеспечивает необходимый уровень характеристик в целом для группировки. Использование полностью идентичных, либо специализированных под конкретные задачи аппаратов должно при этом определяться в соответствии со спецификой применения группировки.
Структурная схема АНПА
Рассматривая АНПА как сложную систему, в ней можно выделить ряд подсистем:
— управляющая подсистема (решение задач функционального назначения);
— подсистема управления движением и навигацией;
— подсистема контроля и диагностики;
— подсистема связи;
— подсистема освещения обстановки;
— подсистема энергообеспечения;
— подсистемы управления полезными нагрузками.
На рисунке 1 изображен возможный вариант организации взаимодействия между перечисленными подсистемами АНПА.
Управляющая подсистема должна реализо-вывать набор алгоритмов, направленных на достижение целей применения АНПА. Она взаимодействует с остальными подсистемами, формируя управляющие воздействия (командную информацию), и обрабатывая информацию функционального назначения от подсистем, такую как: текущие координаты от подсистемы
управления движением и навигацией, принятую по каналам связи информацию от подсистемы связи, и т. п. Подсистемы формируют информацию о своем техническом состоянии, которая посредством подсистемы контроля и диагностики также доводится до управляющей подсистемы для применения в процессе выработки командной информации.
Реализация рассмотренного варианта в общем случае предполагает объединение отдельных компонентов посредством организации локальной вычислительной сети, при этом возможно достижение устойчивого взаимодействия подсистем, в частности, применением проводных сетевых решений.
Рис. 1. Организация взаимодействия между подсистемами АНПА (вариант)
Расширение структурной схемы АНПА при формировании группировки
Не исключая сложности с объединением подсистем в рамках одного аппарата, расширение областей применения АНПА за счет создания группировок требует решения задачи по управлению отдельными единицами в процессе достижения общей цели.
В процессе управления группировкой важным вопросом является организация связи между единицами при решении таких задач, как:
— обеспечение связи с управляющим объектом (формировании цепочки ретрансля—то-ров в группировке);
— обмен информацией подсистемы освещения обстановки;
— координирование действий группировки.
Другой не менее важной задачей является
организация управления порядком (строем) группировки в процессе перемещения, учитывая неблагоприятные факторы окружающей обстановки (течения, рельеф дна, препятствия и пр.). В случае неидеальной связи между единицами группировки необходимо реализовывать комбинированный вариант централизованного/ децентрализованного управления движением (подготовка задания, указание точек размещения, контроль положения).
На рисунке 2 приведен вариант расширения взаимодействия подсистем в группировке АНПА.
Сохранение автономности действия группировки предполагает объединение в общую структуру управляющих подсистем каждого АНПА, входящего в группировку для обеспечения со-
гласованного управления. Динамически изменяющаяся обстановка и сложная структура в группировке требует непрерывной адаптации подсистемы связи, которая также должна рассматриваться как распределенная.
Публикации в области теоретических исследований
В целом группировку АНПА необходимо рассматривать как сложную сетевую динамическую систему. Основываясь на информации об увеличении количества публикаций, содержащих ключевые слова по тематике [2], интерес к данному направлению возрастает.
Изучением общих законов функционирования систем занимается Теория систем [3]. В качестве основного математического аппарата при решении вопросов управления используется Теория управления, связанная с исследованием динамических систем [4].Одним из перспективных направлений для систем со сложной организацией является применение адаптивных систем управления, классифицируемых, в числе прочих, по типу взаимодействия элементов выделяя многоагентные системы [5].
Многоагентные системы рассматривают в качестве основной модели при решении проблем коллективного поведения и группового управления [6].
Стоит отметить, что мощный математический аппарат Теории управления, при попытках его практического применения, сталкивается с проблемами реализации,для решения которых предлагаются различные подходы [7, 8].
1 1
1 1 1 1 Управляющая подсистема решения задач функционального назначения Управляющая подсистема решения задач функционального назначения Управляющая подсистема решения задач функционального назначения 1 1 1 1
1 1 Распределённая управляющая подсистема 1 1 1
1 1 Распределённая подсистема связи 1 1 I
1 1 1 1 Подсистема сбязи Подсистема связи Подсистема сбязи 1 1 1 1
1 АНПА 1 ' ; АНПА ? 1 ; АНПА 3
Рис. 2. Расширение взаимодействия подсистем в группировке АНПА (вариант)
Разработка управляющих и исполнительных подсистем
Разработка системы управления АНПА, в том числе решающей задачи по управлению группировкой, начинается с выбора моделей воздействия окружающей среды (на связную компоненту, на компоненту управления движением и т. п.). Приоритет при выборе следует отдавать моделям, имеющим эмпирическое подтверждение корректности. Этап основной разработки предпочтительнее выполнять в рамках имитационного стенда, при этом необходима разработка моделей, описывающих исполнительные устройства и датчики обратной связи.
На рисунке 3 представлена обобщенная схема, применение которой позволяет проводить отработку алгоритмов управления с возможностью имитации работы в «реальных» условиях.
Проектируемая подсистема может представлять собой как программный, так и программно-аппаратный комплекс, который предполагается применять для решения поставленных задач. Основным условием является использование «штатных» интерфейсов подключения устройств в разрабатываемом элементе АНПА, таким об-
разом, чтобы функционирование на испытательном стенде не отличалось от использования в реальных условиях.
В имитационном комплексе реализуются модели исполнительных устройств и датчиков обратной связи, позволяющие имитировать поведение реальных устройств, а также реализуют интерфейсы с моделью среды, обеспечивающие передачу управляющих воздействий и получение датчиками обратной связи информации о среде. В модель среды загружаются исходные данные для проведения моделирования. Данные для моделирования можно загружать и в соответствующие модели исполнительных устройств и датчиков для проведения проверок нештатного обмена.
Возможно включение в имитационный комплекс нескольких единиц устройств, для обеспечения моделирования поведения группировки, при этом используется общая модель среды.
Применение испытательного стенда также позволяет выполнять автоматическое тестирование работоспособности и корректности функционирования разрабатываемых элементов в случае внесения изменений в алгоритмы или в их конструкцию.
Рис. 3. Комплекс для отработки алгоритмов функционирования разрабатываемой системы управления
MEANS OF COMMUNICATION EQUIPMENT. Iss. 4 (144). 2018
Заключение
Ограничения на применение одиночных АНПА могут быть преодолены за счет формирования группировки, в которой задачи распределяются между ее участниками. Для применения в составе группы, проектирование и разработку ряда подсистем АНПА необходимо выполнять с учетом их распределенного характера. Одной из областей исследований, приме-
нимой в разработках по обозначенной тематике являются работы в области многоагентных адаптивных систем управления.
Применение рассмотренного метода при разработке управляющих и исполнительных подсистем АНПА способствует достижению таких целей как снижение стоимости, сокращение времени и сложности работ, повышения качества программного и аппаратного обеспечения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Директоров Н. Ф., Дорошенко В. И., Житов Ю. И., Завалишин А.А., Мирошников В. И., Мясников О. Г., Нероба Г. С., Ничников А. В., Соловьев И. В., Шпак В. Ф., Автоматизация управления и связь в ВМФ./ Под общ. ред. Ю.М. Кононова. Изд. 2-е. — СПб.: «Элмор», 2001. — 512 с.
2. Фрадков А. Л. Управление синхронизацией в сетевых динамических системах // Фундаментальные проблемы теоретической и прикладной механики. Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского. — 2011. - №4 (5). — С. 25482550
3. Чернышов В. Н., Чернышов А. В. Теория систем и системный анализ : учеб. пособие // Тамбов: ТГТУ. — 2008. — 96 с.
4. Терехов В. А. Управление в динамических системах: Современные задачи и подходы // Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск. Раздел I. Проблема самоорганизации и научное позна-
ние.-2011. — №6. — С. 20-29
5. Жмурко Д. Ю. Понятие, сущность и классификация адаптивного управления системами с организационной сложностью // Научный журнал КубГАУ.-2013. — №90 (06).-С. 968-986
6. Городецкий В. И., Карсаев О. В., Самойлов В. В., Серебряков С. В. Прикладные многоагентные системы группового управления// Искусственный интеллект и принятие решений.- 2009. — №2. — С. 3-24
7. Бобцов А. А., Холунин С. А. Развитие методов робастного управления в задачах адаптации // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.-2002. — №6. — С. 229-234.
8. Подвальный С. Л., Васильев Е. М. Многоальтернативное управление открытыми системами: концепция, состояние и перспективы// Управление большими системами. Выпуск 48. Системный анализ. — 2014. — С. 6-58
