CC BY
23
ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
И УПРАВЛЕНИЕ
В. Ю. Карпычев,
доктор технических наук, профессор
В. В. Конюшев
ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ (ПРОЦЕССНАЯ) МОДЕЛЬ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ РАЗВЕДКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
A FUNCTIONAL (PROCESS) MODEL FOR AUTOMATED RECONNAISSANCE USING AN UNMANNED AERIAL VEHICLE
В статье рассмотрены некоторые аспекты функционального моделирования задачи автоматизированной разведки объектов с использованием беспилотных летательных аппаратов. Приведены несколько уровней декомпозиции контекстной функции. Особое внимание уделено представлению информационных процессов. Моделирование выполнено с использованием современных CASE-средств поддержки проектирования
The article considers certain aspects of functional modeling of automated object reconnaissance using unmanned aerial vehicles. We present several levels of decomposition of the context function. Special attention is paid to the representation of information processes. We perform simulation modeling using modern CASE-based design support tools.
Введение. Функциональное моделирование на основе стандарта IDEF0 позволяет создавать графические модели любой предметной деятельности, включающие иерархическое описание процессов, операций, ресурсов (информации), инструментария, исполнителей, управления и связей между ними.
Методология IDEF0 изложена во многих работах, в качестве первоисточника рекомендуем [1]. Стандарт IDEF0 принят в США [2] и рекомендован Госстандартом Рос-
сии для исследования структуры, параметров и характеристик производственных и организационно-экономических систем [3, 4].
Главными компонентами IDEFO-модели являются диаграммы, графически представляющие структуру функций предметной области, а также информации и объектов, связывающих эти функции. Функции и их интерфейсы представлены как блоки и дуги соответственно.
При IDEFO-моделировании производится декомпозиция предметной контекстной (целевой) функции на согласованные и непротиворечивые функции следующего уровня детализации. Предметная функция любого уровня, начиная с контекстной, преобразует входной поток сущностей — физических объектов или информации в выходной. Будем называть такие потоки Входом и Выходом функции.
Для активации функций необходимы Управление (управленческое воздействие), которое определяет условия выполнения функции, и Механизмы — средства, непосредственно реализующие функцию.
Для поддержки моделирования используются современные CASE (Computer Aided Software Engineering) средства проектирования сложных систем.
Характеристика предметной области. В статье 2 Закона «О полиции» определены основные направления деятельности полиции, в частности — предупреждение и пресечение преступлений и административных правонарушений; обеспечение правопорядка в общественных местах [5].
Для выполнения задач по указанным выше направлениям необходим мониторинг криминогенной обстановки, включающий поиск (обнаружение), распознавание и идентификацию соответствующих объектов.
В настоящей статье в качестве предметной области моделирования рассматривается задача разведки объекта с использованием беспилотного летательного аппарата (далее — БПЛА). В органах внутренних дел БПЛА могут быть применены при решении ряда задач, в том числе разведки, в интересах различных подразделений.
Разведка с использованием БПЛА представляет собой процесс поиска (обнаружения), распознавания и идентификации находящегося на подстилающей поверхности объекта. Подробно содержание задачи разведки и критерии выполнения составляющих ее процессов рассмотрены в [5].
В настоящее время эта задача решается оператором БПЛА в ручном режиме. В рамках работы по созданию информационно-коммуникационной технологии, обеспечивающей информационное взаимодействие компонентов «цифровой» полиции, представляет практический интерес проработка возможностей полной или частичной автоматизации различных стадий ее решения. Для этого необходимо формальное описание функционирования технических средств и деятельности оператора-человека, включая полную спецификацию выполняемых операций.
Результаты такого описания (алгоритм в нотациях [7]), а также некоторые технические параметры задачи «Разведка с оптико-электронной нагрузкой» приведены нами в [8].
В качестве методологии создания детальной спецификации, необходимой для практической реализации робота-разведчика, предложено функциональное моделирование по стандарту IDEF0.
Результат моделирования (модель) является основанием для формирования тактико-технических требований к информационно-коммуникационной составляющей по-
лицейской робототехнической системы, включающей БПЛА и наземный пункт управления (далее — НПУ).
Создание робота-разведчика на платформе БПЛА — чрезвычайно трудная техническая задача. Поэтому в качестве пилотной версии решения возможна роботизация отдельных процессов, в частности, обнаружения объекта, последующего его распознавания и выдачи сигнальной информации на наземный пункт управления.
ГОЕЕО-модель. Построение ГОEF0-модели начинается с контекстной диаграммы, А0, описывающей в общем виде работу системы в предметной области (рис. 1).
Наставление, техн.документация
Рис. 1. Контекстная диаграмма задачи «Произвести разведку <объекта с использованием БПЛА>», А0
В качестве Входа будем рассматривать текущую Задачу разведки. Выходом диаграммы является Разведанный объект.
Управление сформулируем в общем виде: нормативная база: законы, наставления, техническая документация и др. документы, регулирующие выполнение задачи разведки с использованием БПЛА. Механизм: Комплекс БПЛА, включая операторов.
На рис. 2 представлен первый уровень декомпозиции предметного процесса А0, который можно рассматривать как последовательное достижение трёх предметных целей (процессов): «Подготовка БПЛА», А1; «Выполнение задания», А2; и «Посадка БПЛА», А3.
В качестве одного из (туннельных) Входов функции А2 на диаграмме показан отсутствующий на А0 Оптосигнал.
Управление и Механизмы на этой диаграмме не декомпозированы (не детализированы).
Процесс «Подготовка БПЛА», А2.
Декомпозиция процесса «Подготовка БПЛА», А1, приведена на рис. 3. Выход процесса А1 - Готовый БПЛА (подготовленный для выполнения полетного задания).
Наставление, техн.документация
Рис. 2. Декомпозиция процесса «Произвести разведку», А0
Наставление, техн.документация
Рис. 3. Декомпозиция процесса «Подготовка БПЛА», А1
Процесс А] далее может быть декомпозирован до более низких уровней. Для примера на рис. 4 показана декомпозиция функции «Развертывание БПЛА», А ]2.
Наставление, техн.документация
Рис. 4. Декомпозиция функции «Развертывание БПЛА», А
12
Содержание А1 составляют так называемые «физические» функции, т.е. не автоматизируемые в данной задаче. Поэтому далее процесс А1 не рассматривается. Процесс «Выполнение задания», А2 Процесс А2 включает пять функций, рис. 5.
Рис. 5. Декомпозиция процесса «Выполнение задания», А2
Функция «Полет БПЛА», А21 моделирует сложный, многорежимный «физический» полет БПЛА. Её декомпозиция приведена на рис. 6.
Рис. 6. Декомпозиция функции «Полет БПЛА», А
21
Функция А211 моделирует автоматизированный полет БПЛА в соответствии с полётным заданием.
При обнаружении объекта разведки по команде бортового процессора (Управление: Результат О) БПЛА переходит в полетный режим «Барражирование на точке», снижение (функция А212). Функция А212 выполняется до момента распознавания объекта разведки (Управление: Результат Р) или возврата в режим «Полет по маршруту» (возврат в режим на диаграмме не показан).
Поступление команды (Управление: Результат Р) означает распознавание объекта и перевод полета БПЛА в режим ручного пилотирования А213 (для идентификации объекта).
Режим ручного пилотирования, А213, продолжается до момента идентификации объекта (Управление: Результат И) и перехода в режим «Автосопровождение», А214, или возврата в режим «Полет по маршруту» (возврат в режим на диаграмме не показан).
Управление БПЛА в режиме автосопровождения обеспечивается Сигналом удержания, поступающим с платы автосопровождения БПЛА.
Функция «Возврат и посадка БПЛА», А215, завершает полет БПЛА независимо от результатов разведки.
Три «информационные» функции (А22, А24, А25) процесса А2 достаточно понятны, технически просты в реализации и поэтому далее не рассматриваются и не декомпозируются. Это функции:
- А22 — моделирует генерацию целевой нагрузкой (видеокамерой) видеоряда подстилающей поверхности;
- А24 — моделирует фиксацию видеоряда на бортовую флэш-память.
- А25 — моделирует передачу бортовым передатчиком (ПРД) видеоряда на наземный пункт управления.
Функция «Анализ видеоряда», А23, моделирует работу бортового процессора по анализу видеоряда (собственно проведение разведки). Именно эта функция реализует идею автоматизированной разведки. Её декомпозиция приведена на рис. 7.
Рис. 7. Декомпозиция функции «Анализ видеоряда», А23
Функции «Обнаружение объекта», А231, и «Распознавание объекта», А232, реализуются автоматически бортовым процессором путем анализа видеоряда на основе известных критериев.
Функция «Идентификация объекта», А233, осуществляется оператором в ручном режиме
Функция «Автоудержание объекта», А234, осуществляется автоматически штатным оборудованием БПЛА.
Заключение. В статье приведены верхние (концептуальные) уровни функциональной модели робота-разведчика на базе БПЛА. Для разработки полной модели необходимы спецификации управления конкретной целевой нагрузкой и конкретным БПЛА, а также бортовым и/или наземным вычислителем. Подобная детализация потребует еще несколько уровней декомпозиции, что, однако, критически не повышает проектную сложность разработки.
ЛИТЕРАТУРА
1. Марка Д. А., МакГоуэн К. Методология структурного анализа и проектирования SADT (Structured Analysis & Design Technique). — М. : МетаТехнология, 1993. — 240 с.
2. Integration DEFinition for function modeling (IDEF0). Draft Federal Information Processing Standards Publication 183, 1993 December 21. — URL: http:idef.com/wp-content/uploads/2016/02/idef0.pdf
3. РД IDEF0-2000. Методология функционального моделирования IDEF0. — М. : Госстандарт России, 2000. — 75 с.
4. Р 50.1.028-2001. Рекомендации по стандартизации. Информационные технологии поддержки жизненного цикла продукции. Методология функционального моделирования. — М. : Госстандарт России, 2003. — 50 с.
5. О полиции : федеральный закон от 7 февраля 2011 г. № 3-ФЗ // СПС «Кон-сультантПлюс».
6. Карпычев В. Ю. Особенности роботизации беспилотных летательных аппаратов для задач органов внутренних дел // Научно-технический портал МВД России. — 2020. — № 1. — С. 40—46.
7. ГОСТ 19.701-90. Схемы алгоритмов, программ данных и систем // Сборник ГОСТов. — М. : Стандартинформ, 2010. — С. 137—158.
8. Карпычев В. Ю., Конюшев В. В., Федоров Р. Ю. Роботизация задачи разведки с использованием беспилотных летательных аппаратов // Вестник Воронежского института МВД России. — 2020. — № 2. — С. 34—43.
REFERENCES
1. Marka D. A., MakGouen K. Metodologiya strukturnogo analiza i proektirovaniya SADT (Structured Analysis & Design Technique). — M. : MetaTehnologiya, 1993. — 240 s.
2. Integration DEFinition for function modeling (IDEF0). Draft Federal Information Processing Standards Publication 183, 1993 December 21. — URL: http:idef.com/wp-content/uploads/2016/02/idef0.pdf
3. RD IDEF0-2000. Metodologiya funktsional'nogo modelirovaniya IDEF0. — M. : Gosstandart Rossii, 2000. — 75 s.
4. R 50.1.028-2001. Rekomendatsii po standartizatsii. Informatsionnie tehnologii pod-derzhki zhiznennogo tsikla produktsii. Metodologiya funktsional'nogo modelirovaniya. — M. : Gosstandart Rossii, 2003. 50 s.
5. O politsii : federal'nii zakon ot 7 fevralya 2011 g. № 3-FZ // SPS «Konsul'tant-
Plyus».
6. Karpichev V. YU. Osobennosti robotizatsii bespilotnih letatel'nih apparatov dlya zadach organov vnutrennih del // Nauchno-tehnicheskii portal MVD Rossii. — 2020. — № 1. — S. 40—46.
7. GOST 19.701-90. Shemi algoritmov, programm dannih i sistem // Sbornik GOSTov. — M. : Standartinform, 2010. — S. 137—158.
8. Karpichev V. YU., Konyushev V. V., Fedorov R. YU. Robotizatsiya zadachi razvedki s ispol'zovaniem bespilotnih letatel'nih apparatov // Vestnik Voronezhskogo instituta MVD Rossii. — 2020. — № 2. — S. 34—43.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Карпычев Владимир Юрьевич. Ведущий научный сотрудник. Доктор технических наук, профессор. Приволжский филиал ФКУ НПО «Специальная техника и связь» МВД России. E-mail: [email protected]
Россия, 603134, г. Нижний Новгород, ул. Горького, 71. Тел. +7(831) 433-41-36.
Конюшев Валерий Вениаминович. Старший научный сотрудник ФКУ НПО «СТиС» МВД России. ФКУ НПО «Специальная техника и связь» МВД России. E-mail: [email protected]
Россия, 111024, г. Москва, ул. Пруд Ключики, 2. Тел. +7(495) 673-91-97.
Karpychev Vladimir Yurevich. Leading researcher. Doctor of Technical Sciences, Professor, Privolzhsky branch of the Scientific and production association «Special equipment and telecoms» of the Ministry of the Internal Affairs of the Russia. E-mail: [email protected]
Work address: Russia, 603134, Nizhny Novgorod, M. Gorkogo Str., 71.Tel. +7(831) 433-41-36. Konyushev Valery Veniaminovich. Senior researcher.
Scientific and production association «Special equipment and telecoms» of the Ministry of the Internal Affairs of the Russia.
E-mail: [email protected]
Work address: Russia, 111024, Moscow, Prud Klyuchiki Str., 2. Tel. +7(495) 673-91-97.
Ключевые слова: беспилотные летательные аппараты; автоматизация; разведка; обнаружение; распознавание; идентификация; информационно-коммуникационная технология; CASE.
Key words: unmanned aerial vehicles (UAV); automation; reconnaissance; detection; recognition; identification; information and communication technology; CASE.
УДК 004.9, 681.5
