CC BY
34УДК 004.94:355.42 ГРНТИ 37.21.77
ИССЛЕДОВАНИЕ СУЩЕСТВУЮЩИХ ПОДХОДОВ К ИМИТАЦИОННОМУ МОДЕЛИРОВАНИЮ ВОЗДУШНОЙ ТАКТИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ
СИСТЕМАХ
А.М. ШАПКАРИН
ВУНЦВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)
В статье проведено исследование существующих подходов к имитационному моделированию воздушной тактической обстановки в автоматизированных информационных системах. Выяснено, что методы имитационного моделирования позволяют учесть влияние большого числа случайных, детерминированных факторов и сложных зависимостей при проведении моделирования, а также воспроизвести алгоритм функционирования системы во времени. В имитационных моделях имитируются (копируются) элементарные явления (бои, авиационные удары, специальные боевые полеты), составляющие основное содержание воздушной тактической обстановки с сохранением их логической структуры и последовательности протекания во времени, что позволяет в определенные моменты времени оценить их характеристики.
Ключевые слова: методы имитационного моделирования, воздушная тактическая обстановка, воздушное судно, тренажерный комплекс, имитация траектории воздушного судна.
RESEARCH OF EXISTING APPROACHES TO SIMULATION OF AIR TACTICAL
SITUATION IN AUTOMATED INFORMATION SYSTEMS
A.M. SHAPKARIN
MESC AF «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» (Voronezh)
The article investigates the existing approaches to the simulation of air tactical situation in automated information systems. It is found that the simulation methods allow to take into account the influence of a large number of random, deterministic factors and complex dependencies during the simulation, as well as to reproduce the algorithm of the system functioning in time. In the simulation models, elementary phenomena (battles, air strikes, special combat flights), which constitute the main content of the air tactical situation, are simulated (copied), while preserving their logical structure and sequence of flow in time, which allows to evaluate their characteristics at certain points in time.
Keywords: simulation methods, air tactical situation, aircraft, training complex, aircraft motion path simulation.
Введение. Для решения различного рода задач, связанных с организацией и обеспечением боевых действий авиации, необходимо проведение моделирования воздушной тактической обстановки. Имитационное моделирование обстановки подразумевает имитацию траектории движения каждого воздушного судна (ВС), участвующего в боевых действиях. Подходы к решению данной задачи являются важными для исследования по той причине, что на основе методов имитационного моделирования воздушной тактической обстановки создаются современные учебные тренажеры для обучения, тренировки и оценки степени подготовленности летных экипажей, лиц группы руководства полетами и боевых расчетов командных пунктов авиационных полков.
Цель работы - исследовать существующие подходы к имитационному моделированию воздушной тактической обстановки в автоматизированных информационных системах.
Актуальность и теоретическая значимость. Имитационное моделирование - метод исследования, при котором рассматриваемая система заменяется моделью, с необходимой точностью описывающей реальную исследуемую систему, с целью получения информации об этой системе [1]. В данном методе моделирования воспроизводится алгоритм функционирования системы во времени, то есть, такое поведение системы, при котором имитируются элементарные явления, которые отражают процесс, с непременным сохранением логических взаимосвязей между этими явлениями и последовательности их протекания. Имитационное моделирование тесно взаимосвязано с объектно-ориентированным представлением, описанием объектов моделирования, их состояния, поведения и отражает их взаимосвязи.
Используют имитационное моделирование тогда, когда экономически нецелесообразно или не представляется возможным проводить эксперименты на реальном объекте; нельзя прибегнуть к созданию аналитической модели; необходимо произвести имитирование поведения рассматриваемой системы во времени.
Выделяется три направления имитационного моделирования:
- агентное моделирование;
- дискретно-событийное моделирование;
- системная динамика.
Более подробно направления имитационного моделирования представлены ниже на рисунке 1 [1].
Направления имитационного моделирования
Агентное моделирование
(Используется для исследования децентрализованных систем, динамика функционирования которых определяется не глобальными правилами и законами, а наоборот, когда эти глобальные правила и законы являются результатом индивидуальной активности членов группы. Цель агентных моделей - получить представление об этих глоб&чьных правилах, общем поведении системы,
исходя из предположений об индивидуальном, частном поведении ее отдельных активных объектов и взаимодействии этих объектов в системе.)
Дискретно-событийное моделирование
(Подход к моделированию, предлагающий абстрагироваться от непрерывной природы событий и рассматривать только основные события моделируемой системы, такие как: «ожидание», «обработка заказа», «движение с грузом», «разгрузка» и
другие. Дискретно-событийное моделирование наиболее развито и имеет огромную сферу приложений.)
Системная динамика
(Это парадигма моделирования, где для
исследуемой системы строятся графические диаграммы причинных связей и глобальных влияний одних иарамефов на другие во времени, а затем созданная на основе этих диаграмм модель имитируется на компьютере. По сути, такой вид моделирования более всех других парадигм помогает понять сугь происходящего выявления причинно-следственных связей между объектами и явлениями.)
Рисунок 1 - Направления имитационного моделирования
Основные методы имитационного моделирования представлены на рисунке 2 [2].
Аналитический метод применяется для имитации процессов в основном для малых и простых систем, где отсутствует фактор случайности. Метод назван условно, так как он объединяет возможности имитации процесса, модель которого получена в виде аналитически замкнутого решения, или решения полученного методами вычислительной математики.
Метод статистического моделирования первоначально развивался как метод статистическихиспытаний (Монте-Карло). 'Это - численный метод, состоящий в получении оценок вероятностных характеристик, совпадающих с решением аналитических задач. Впоследствии этот метод стал применяться для имитации процессов, происходящих в системах, внутри которых есть источник случайности или которые подвержены случайным воздействиям.
Комбинированный метод (аналитико-статистический) позволяет объединить достоинства аналитического и статистического методов моделирования. Он применяется в случае разработки модели, состоящей из различных модулей, представляющих набор как статистических, так и аналитических моделей, которые взаимодействуют как единое целое. Причем в набор модулей могут входить не только модули соответствующие динамическим моделям, но и модули соответствующие статическим математическим моделям.
Рисунок 2 - Методы имитационного моделирования Основные этапы имитационного моделирования представлены на рисунке 3 [3].
Этапы имитационного моделирования
Формулировка проблемы и определение целей имитационного исследования (результатом являегся составленное содержательное описание объекта моделирования)
Разработка концептуального описания (результатом является концептуальная модель (или вербальное описание) и выбор способа формализации для заданного объекта моделирования)
Формализация имитационной модели (составляется формальное описание объекта моделирования)
Программирование имитационной модели (разработка программы-имитатора — осуществляется выбор средств автоматизации моделирования, алгоритмизация, программирование и отладка имитационной модели)
Испытание и исследование модели, проверка модели (проводится верификация модели, оценка адекватности, исследование свойств модели и другие процедуры комплексного тестирования модели)
Планирование и проведение имитационного эксперимента (осуществляется стратегическое и тактическое планирование эксперимента, результатом является составленный и реализованный план эксперимента, заданные условия имитационного прогона для выбранного плана)
Анализ результатов моделирования (осуществляется интерпретация результатов моделирования и их использование - собственно принятие решений)
Рисунок 3 - Этапы имитационного моделирования
и
В общем виде схема имитационного моделирования представлена на рисунке 4 [4].
Рисунок 4 - Схема имитационного моделирования
Концептуальная модель воспроизводит с определенной степенью детализации систему-прототип в необходимом ракурсе. Она записывается на естественном языке с применением положений наивной логики. Концептуальная модель - важный и неотъемлемый элемент имитационного моделирования.
Имитационная модель (моделирующий алгоритм) - главное звено в процессе проведения данного вида моделирования. Она является логико-математическим описанием рассматриваемого объекта, используемым для проведения экспериментов на электронной вычислительной машине в целях проектирования, анализа и оценки функционирования объекта. Такую модель можно воспроизвести как для единичного испытания, так и для их серии. При этом результаты таких испытаний будут носить случайный характер. По полученным данным обычно собирают устойчивую статистику.
С целью учета всех факторов, необходимых для проведения аналитических исследований и вводится имитационная модель, которая учитывает: многочисленные случайные воздействия, нелинейные характеристики элементов системы, наличие дискретных, непрерывных элементов.
Имитационная модель имеет следующие особенности: основывается на концептуальной модели; описывает последовательности элементарных или агрегированных операций с использованием простейших соотношений в соответствии с логикой структурных взаимосвязей в системе и временной логикой ее функционирования; проведение исследований с применением этой модели направлено на извлечение информации из моделируемой системы путем проведения имитационных экспериментов.
Имитационная модель представляет собой структурированную схему с подробным описанием поведения объекта изучения, что и отличает ее от аналитической модели. Данному методу моделирования присуще временное повторение, сохранение ее логической структуры, взаимосвязей между параметрами и переменными воспроизводимой системы.
Программная модель - программа, реализуемая на ЭВМ.
База данных - совокупность связанных между собой данных, с одной стороны, являющихся информацией, и с другой стороны, составляющих основу для получения информации.
На основе методов имитационного моделирования воздушной тактической обстановки созданы следующие учебные тренажеры [5]:
1. Цифровой тренажер «Марка» - для подготовки и поддержания необходимых практических навыков лиц группы руководства полетами и офицеров боевого управления в управлении экипажами ВС различных родов авиации в условиях огневого, траекторного и радиоэлектронного противодействия без выполнения реальных полетов.
2. Полунатурный тренажерно-моделирующий комплекс «Марка-С» - для подготовки боевых расчетов экипажей авиационного комплекса радиолокационного дозора и наведения А-50 к качественному управлению экипажами различных родов авиации в воздухе при выполнении ими боевых задач без выполнения реальных полетов.
3. Тренажерно-моделирующий комплекс «Репитер-М» - для обучения, тренировки и оценки степени подготовленности лиц группы руководства полетами и боевых расчетов
командных пунктов авиационных полков по управлению боевыми действиями и руководству полетами в условиях огневого, траекторного и радиоэлектронного противодействия противника без выполнения реальных полетов. Комплекс позволяет проводить полунатурное моделирование разрабатываемых тактических приемов и способов боевого использования, как находящихся на вооружении частей типов самолетов, так и перспективных разработок новой наземной и бортовой авиационной техники.
4. Тренажерно-моделирующий комплекс «Репитер-2М» - для совместной подготовки летных экипажей и полного расчета группы руководства полетами к выполнению индивидуальных задач и групповых действий в условиях радиоэлектронного, огневого, маневренного противодействия без выполнения реальных полетов. Комплекс позволяет отрабатывать варианты боевых действий тактической группой (до звена включительно) с применением авиационных средств поражения дальнего, среднего и ближнего действия с использованием наземной автоматизированной системы управления. Он обеспечивает отработку тактических приемов при действии по воздушным, наземным, надводным целям, преодоление системы противовоздушной обороны (ПВО) с оценкой результатов дуэльных ситуаций в реальном масштабе времени.
Общей особенностью рассматриваемых тренажерных комплексов является моделирование воздушной тактической обстановки в реальном масштабе времени и реальность создаваемых эпизодов в имитируемом воздушном пространстве.
Как правило, моделирование воздушной тактической обстановки в тренажерных комплексах осуществляется на основе аналитического метода имитационного моделирования траектории движения каждого конкретного ВС.
В настоящее время существует ряд способов имитации траекторий движения ВС.
Известен способ имитации траекторий движения ВС, осуществляемый путем ручного ввода начальных полярных координат объекта в виде пеленга, дальности, курса и начальной скорости с последующим автоматическим формированием траектории движения ВС в виде отрезка прямой, описанный в работе [6].
Данному способу присущи недостатки, отображенные на рисунке 5 [7].
Рисунок 5 - Недостатки способа имитации траектории движения ВС, осуществляемого путем ручного ввода
начальных полярных координат объекта
В работе [8] описан способ имитации траектории движения ВС, при котором путем ручного ввода начальных полярных координат объекта задается его местоположение. Также известен и другой способ имитации траектории движения ВС, описываемый кривой Безье, которая задается графически и аналитически с наглядным (интуитивным) представлением и воспроизведением ее отдельных элементов с гибкой, постепенной деформацией формы и кривизны, что более подробно описано в работе [9]. В данной работе обеспечено параметрическое задание уравнений кривой по прямоугольным координатам в функции безразмерного параметра ¿е [0; 1].
Данному способу присущи недостатки, отображенные на рисунке 6 [10].
Недостатки способа имитации траектории движения ВС на основе ее описания
кривой Бсзьс
Способ задает лишь геометрическую форму кривой и не обеспечивает физическое воспроизведснис траектории движения ВС с учетом его кинематики - скоростей, ускорений, непосредственно привязанных к каждой точке всей траектории в заданные моменты времени
Безразмерный параметр /[0; 1 ] не привязан к реальному времени 1Р движения ВС по траектории
Не обеспечен контроль и корректировка динамических параметров движения в виде перефузок, превышающих заданные предельные значения
Не реализовано комплексирование сложной траектории из сегментов, состоящей из разнообразных сопрягаемых участков, например, в виде отрезков прямых, у которых радиус кривизны равен бесконечности, и кривых с конечными значениями радиуса кривизны
Рисунок 6 - Недостатки способа имитации траектории движения ВС на основе ее описания кривой Безье
С помощью ручного ввода координат опорных точек, составляющих траекторию движения - ломаную линию, также возможно описать траектории движения различных воздушных объектов. Данный способ описан в работах [7, 8, 11], его недостатки отображены на рисунке 7 [10].
Недостатки способа имитации траектории движения воздушных объектов, состоящего в ручном вводе координат опорных точек
Процесс формирования траектории ВС не обладает наглядным, интуитивным представлением задания сложных вариантов ее воспроизведения с гибкой, постепенной деформацией формы и кривизны
Траектория движения ВС образуется только набором чередующихся круговых, параболических и прямолинейных сегментов
Траектория обладает нулевым кручением и, таким образом, более адаптирована для имитации плоских маневров ВС
Движение вдоль каждого сегмента тривиально, в общем случае, оно является равноускоренным, как вариант - равномерным
Оператор лишен возможности решающим образом определять скоростной режим движения ВС по траектории, способ допускает задание только мгновенной скорости в каждой узловой точке опорной ломаной линии, которая интерпретируется методом как скорость в точке выхода объекта на переходную кривую, сглаживающую траекторию вблизи соответствующей точки, каждая переходная кривая имеет ось симметрии
Обеспечено точное аналитическое воспроизведение траектории в параметрической функции времени только для сегментов в виде отрезков прямых и дуг окружностей
В целом ограничены возможности большей адекватности траектории движения виртуального ВС по отношению к его реальному прототипу
Рисунок 7 - Недостатки способа имитации траектории движения воздушных объектов, состоящего в ручном вводе
координат опорных точек
Известен способ имитации траектории движения ВС путем ручного ввода координат опорных точек траектории с указанием скоростей движения в этих точках и автоматического расчета уравнений движения по трем координатам x(tp), y(tp), z(tp) и скорости V(t) непосредственно после ввода исходных данных с последующей передачей коэффициентов указанных уравнений в блок расчета координат. В данном блоке в ответ на запрос информации о текущем положении объекта происходит вычисление его декартовых координат. Данный способ описан в работе [10].
Достоинствами имитационного моделирования являются:
моделирование исследуемого процесса вне зависимости от отрицательных или положительных результатов аналитического моделирования;
простота выработки управляющих воздействий на модель;
возможность учета большинства воздействий случайных и детерминированных факторов;
учет сложных зависимостей при вводе в модель различных элементов и операций;
оптимизация модели на основе статистических данных;
агрегирование, которое происходит с помощью замены блоков элементарными конструкциями с характеристиками, дублирующими данные блоки.
Однако, данный способ моделирования обладает существенным недостатком: невысокой теоретической проработкой и однозначной необходимостью осуществления многократных экспериментов, состоящих в имитации процессов в системе при различных входных данных и требующих во многих случаях весьма значительного машинного времени, т.е. фундаментальность выводов существенно уступает выводам, полученным с помощью аналитического моделирования.
Выводы. Таким образом, существующие подходы к имитационному моделированию воздушной тактической обстановки позволяют учесть влияние большого числа случайных, детерминированных факторов и сложных зависимостей при проведении моделирования, а также воспроизвести алгоритм функционирования системы во времени. Однако, фундаментальность выводов, получаемых на основе имитационного моделирования, может существенно уступать фундаментальности выводов, получаемых на основе аналитического моделирования. В свою очередь, комбинированное использование методов аналитического и имитационного моделирования определяет аналитико-имитационное моделирование, которое позволяет сочетать достоинства и устранять недостатки данных методов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Леонова Н.Л. Имитационное моделирование: конспект лекций. СПб.: Санкт-Петербургский государственный технологический университет растительных полимеров, 2015. 94 с.
2. Ильин А.А. Имитационное моделирование экономических процессов. Конспект лекций. Тула: Тульский институт управления и бизнеса, 2007. 121 с. Бабина О.И. Сравнительный анализ имитационных и аналитических моделей // Имитационное моделирование. 2009. № 1. С. 73-77.
3. Резников Б.А. Системный анализ и методы системотехники. Часть 1. Методология системных исследований. Моделирование сложных систем. М.: Министерство обороны СССР, 1990. 522 с.
4. Тренажеры. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.vniira-ovd.com/index.php/ru/produktsiya/trainers (дата обращения 09.06.2019).
5. Гусев А.В. Тренажер оператора локационных станций: патент № SU 991479 A1; МПК G09B 9/00. № 3270143; заявл. 08.04.1981; опубл. 23.01.1983. Бюл. № 3. 4 с.
6. Антуфьев Р.В., Бобров М.С., Пискунов Г.Г., Чекушкин В.В., Пантелеев И.В., Царьков М.А. Способ и устройство имитации радиолокационной информации: патент № RU 2489753 C2; МПК G09B9/54; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество
«Муромский завод радиоизмерительных приборов». № 2011132550/11; заявл. 02.08.2011; опубл. 10.08.2013.Бюл. № 22. 23 с.
7. Чекушкин В.В., Аверьянов А.М., Бобров М.С. Способ имитации траекторий движения воздушных объектов: патент № RU 2419072 C2; МПК G01C21/00; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество «Муромский завод радиоизмерительных приборов». № 2009120762/28; заявл. 01.06.2009; опубл. 20.05.2011. Бюл. № 14. 21 с.
8. Каханер Д., Моулер К., Нэш С. Численные методы и программное обеспечение: пер. с англ. М.: Мир, 2001. 575 с.
9. Чекушкин В.В., Михеев К.В. Способ имитации траекторий движения объектов: патент № RU 2617144 C1; МПК G01C 21/34; заявитель и патентообладатель Открытое акционерное общество «Муромский завод радиоизмерительных приборов». № 2015152966; заявл. 09.12.2015; опубл. 21.04.2017. Бюл. № 12. 20 с.
10. Чекушкин В.В., Аверьянов A.M., Бобров М.С. Имитация траектории движения объектов для радиолокационных систем управления и контроля воздушного пространства // Мехатроника, автоматизация, управление. 2009. № 9. С. 70-78.
REFERENCES
1. Leonova N.L. Imitacionnoe modelirovanie: konspekt lekcij. SPb.: Sankt-Peterburgskij gosudarstvennyj tehnologicheskij universitet rastitel'nyh polimerov, 2015. 94 p.
2. Reznikov B.A. Sistemnyj analiz i metody sistemotehniki. Chast' 1. Metodologiya sistemnyh issledovanij. Modelirovanie slozhnyh sistem. M.: Ministerstvo oborony SSSR, 1990. 522 p.
3. Il'in A.A. Imitacionnoe modelirovanie ekonomicheskih processov. Konspekt lekcij. Tula: Tul'skij institut upravleniya i biznesa, 2007. 121 p.
4. Trenazhery. fElektronnyj resurs]. Rezhim dostupa: http://www.vniira-ovd.com/index.php/ru/produktsiya/trainers (data obrascheniya 09.06.2019).
5. Gusev A.V. Trenazher operatora lokacionnyh stancij: patent № SU 991479 A1; MPK G09B 9/00. № 3270143; zayavl. 08.04.1981; opubl. 23.01.1983. Byul. № 3. 4 p.
6. Antufev R.V., Bobrov M.S., Piskunov G.G., Chekushkin V.V., Panteleev I.V., Car'kov M.A. Sposob i ustrojstvo imitacii radiolokacionnoj informacii: patent № RU 2489753 C2; MPK G09B9/54; zayavitel' i patentoobladatel' Otkrytoe akcionernoe obschestvo «Muromskij zavod radioizmeritel'nyh priborov». № 2011132550/11; zayavl. 02.08.2011; opubl. 10.08.2013.Byul. № 22. 23 p.
7. Chekushkin V.V., Aver'yanov A.M., Bobrov M.S. Sposob imitacii traektorij dvizheniya vozdushnyh ob'ektov: patent № RU 2419072 C2; MPK G01C21/00; zayavitel' i patentoobladatel' Otkrytoe akcionernoe obschestvo «Muromskij zavod radioizmeritel'nyh priborov». № 2009120762/28; zayavl. 01.06.2009; opubl. 20.05.2011. Byul. № 14. 21 p.
8. Kahaner D., Mouler K., N'esh S. Chislennye metody i programmnoe obespechenie: per. s angl. M.: Mir, 2001. 575 p.
9. Chekushkin V.V., Miheev K.V. Sposob imitacii traektorij dvizheniya ob'ektov: patent № RU 2617144 C1; MPK G01C 21/34; zayavitel' i patentoobladatel' Otkrytoe akcionernoe obschestvo «Muromskij zavod radioizmeritel'nyh priborov». № 2015152966; zayavl. 09.12.2015; opubl. 21.04.2017. Byul. № 12. 20 p.
10. Chekushkin V.V., Aver'yanov A.M., Bobrov M.S. Imitaciya traektorii dvizheniya ob'ektov dlya radiolokacionnyh sistem upravleniya i kontrolya vozdushnogo prostranstva // Mehatronika, avtomatizaciya, upravlenie. 2009. № 9. pp. 70-78.
© Шапкарин А.М., 2019
Шапкарин Алексей Михайлович, адъюнкт 203 кафедры радиоэлектроники, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж), Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, д. 54А, shapkarin1990@mail.ru.
