CC BY
53
2005
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Радиофизика и радиотехника
№ 87(5)
УДК 629.735.015:681.3
КОМПЬЮТЕРНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ПОЛЕТНОЙ ИНФОРМАЦИИ НА ОСНОВЕ ИНФОРМАЦИОННЫХ ОБРАЗОВ
Л.Е. Рудельсон
В процессе сопровождения воздушных судов программные средства обработки данных (радиолокаторов, спутниковой навигации, планов полетов, диспетчерских вводов) рассчитывают характеристики движения целей на основе разных математических схем. С течением времени рассогласования полетной информации нарастают и приводят к ошибкам отображения обстановки на рабочих местах. Недостатки диспетчеризации вычислительных процессов во взаимодействующих компьютерах системы усугубляют ситуацию. В статье предложен способ стабилизации общей картины за счет использования новой формы представления данных - информационного образа, позволяющего сочетать логику современных баз данных с механизмами образного мышления.
1. ВВЕДЕНИЕ
Совершенствование компьютерных технологий позволяет поднять на новый качественный уровень решение задач информационной поддержки технологии работы диспетчеров. Становится возможным повысить требования к достоверности и объему данных как о воздушной обстановке, так и о тенденциях ее развития. Можно применять более точные математические схемы прогнозирования погоды и расчета траекторий воздушных судов (ВС), можно использовать всю полноту аэронавигационной информации с учетом ее изменений в реальном масштабе времени. Для реализации новых возможностей необходимо располагать такими формами представления данных в компьютерной памяти, которые обеспечили бы своевременность их обновления по результатам обработки радионавигационных измерений, сообщений по управлению воздушным движением (УВД), метеосообщений, вводов диспетчеров. Это вопросы сортировки и поиска, теории множеств, оптимального управления.
Одна из перспективных форм такого представления данных предложена в [1] в виде совокупности частотных моделей, обладающих свойствами:
• полноты описания фактической и прогнозируемой воздушной обстановки;
• минимальных потребностей в памяти;
• минимальных задержек построения, преобразования, ответа на запрос;
• адаптации к изменениям интенсивности потока сопровождаемых ВС;
• способности принимать решения на уровне отношений элементов собственной структуры, без вычислительных процедур и логического анализа описаний объектов.
Перечисленные свойства проявляются как следствие ассоциативного характера внутренних связей предложенной формы представления. Рост количества записей о структуре и состоянии системы УВД порождает новые качества, присущие большим массивам: информация приобретает частотные закономерности, повторяемость величин, позволяющие манипулировать данными на нижнем (числовом) уровне. На образы можно накладывать любую известную модель данных. Для нее элементы записей (атрибуты) представляются абстрактными номерами, расставленными в столбцы гистограмм распределения. Накопление статистики хорошо согласуется с физической природой задач навигации, планирования полетов и УВД, связанных с измерениями и прогнозами. Композиция частотных моделей (в частности, гистограмм распределения атрибутов), названная в [1] информационным образом полетных данных, аналогично чувственному образу (например, зрительному), может воспроизводить такие важные механизмы образного мышления, как:
• конденсация или построение обобщенного, лишенного индивидуальных особенностей типового «портрета» объектов одного класса (образы моря, гор, расы, ВС);
• обратный механизм карикатуры или подчеркивание особенностей конкретного экземпляра (двуглавая вершина, желтое море, раскосый скандинав, аэробус);
• смещение, т.е. исключение из рассмотрения в процессе принятия решения моментов, имеющих отрицательную характеристику (количественный показатель или эмоциональную окраску - страх, стыд, другие социальные мотивы), либо придание чрезмерного веса положительно оцененным атрибутам;
• классификация или нахождение сходства и различия;
• гармонизация или обнаружение в совокупности данных симметрии (зеркальности), ритма (повторяемости величин), соразмерности частей целому и т.д.
В приложении к задачам управления данными и принятия решений эти механизмы обеспечиваются важнейшими процессами манипулирования:
• сортировкой - как средством создания и квазинепрерывного обновления информационного образа (ИО) в виде гистограмм прогнозов или результатов наблюдений;
• многомерным поиском - как средством нахождения индивидуальных черт, сходства и различия в столбцах построенных и обновляемых гистограмм ИО;
• надстройкой над ИО рельефа правдоподобия, допускающего взвешивание составляющих, - как инструмента принятия решения при запросе по многим ключам;
• формированием поверхности невязки - как инструментом для выработки рекомендаций по направлению отбора данных;
• оперативным регулированием шага квантования числовой оси, лежащей в основании каждой гистограммы, - как средством:
о изменения вида огибающей распределения при поиске повторяемости, симметрии, соразмерности элементов гистограммы;
о управления достижимостью (длиной пути доступа) к данным - с помощью перераспределения между соседними столбцами гистограммы их содержимого.
Реализация механизмов образного мышления позволяет принимать решения на основе аналогий и сопоставления общих свойств анализируемой информации. Соответственно она должна базироваться на использовании наиболее общих свойств числовой информации, важнейшее из которых - величина числа. Именно эта характеристика должна управлять обратной связью для оптимизации основных процессов манипулирования данными - сортировки и поиска. В существующих базах данных (БД) этот принцип используется лишь косвенно, без сопутствующих количественных (например, энтропийных) измерений. Известные схемы управления данными построены на моделях логического вывода. Для работы с ИО созданы дополняющие их технологии, позволяющие отыскивать решения без прямого использования дедуктивных или индуктивных схем. Логические цепочки «вытесняются» в ассоциативную структуру упаковки данных уже при формировании «выстроенных» по принципам «от целого к частному» или «от единичного к общему». Это позволяет свести итерационные процедуры выбора решений к одношаговым актам, поиск - к простому перечислению искомого, а потребности в компьютерных ресурсах - к заранее вычисляемому минимуму.
Достигается указанный эффект благодаря совместному использованию логики современных систем управления БД с механизмами принятия решений на ИО. Образы рассматриваются как частотные модели, все понятия которых (типы, структуры, ограничения, операции) интерпретируются термами, предикатами и функциями нумерации; как эффективные инструменты управления данными и принятия решений; как адаптивное средство вывода знаний. Принципы работы с ИО опираются на очевидный факт: конечный результат всегда в том или ином виде заложен в исходной информации, всегда от нее зависит. Для его достижения в науке используется логический вывод (доказательство). Но если данные сгруппированы в адекватное задаче отображение, то решение (знание) можно извлечь единичным актом обнаружения. Абстрактные ИО, наследующие свойства чувственных образов, могут адаптироваться к приложениям инструментальными средствами, что повышает качество их сопровождения, расширяет
класс процессов автоматизированного принятия решений и формирования опытного знания, распространяя его на задачи УВД.
Ниже предложены технологии создания и сопровождения ИО в программной системе.
2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Отправным пунктом методики построения ИО полетной информации становится содержательная постановка задачи, для решения которой развертываются автоматизированные системы (АС) УВД: обеспечение необходимого уровня безопасности полетов при ограничениях на их экономичность и регулярность [2]. Целевой критерий безопасности, как правило, представляется аддитивно-мультипликативным выражением, связывающим вероятности потери целостности наземного, самолетного и спутникового сегментов системы. Его величина устанавливается из рекомендаций международной организации гражданской авиации как допустимый уровень вероятности летного происшествия. Ограничения по регулярности и экономичности учитываются на этапах планирования использования воздушного пространства (ИВП) с учетом метеорологических прогнозов. В соответствии с назначением АС УВД для программной поддержки технологии работы диспетчера УВД необходимо не только создать ИО полетной информации как композицию гистограмм распределения почасовой загрузки элементов ВП, но и обеспечить оперативный доступ к описаниям в БД каждого участника воздушного движения -ВС. Это означает, что столбцы каждой гистограммы должны заполняться не просто «меткой» очередного ВС, затрагивающего данный элемент ВП, а меткой-указателем адреса хранения информации о выполняемом рейсе. В результате ИО помимо общего представления загрузки ВП становится предикатом доступа к записям БД. Устанавливается обратная связь между характеристиками распределения загрузки ВП и подробным описанием каждого ВС. Основания гистограмм разделены на часовые интервалы в пределах суток, и найти столбцы, соответствующие времени пролета любого элемента ВП, не составляет труда. Несколько сложнее определить место метки ВС внутри столбца, упорядочивая хронологическую последовательность меток внутри выбранного часа.
Допустим для наглядности, что среди N сортируемых меток нет ни одной, принадлежащей одному часу суток в гистограмме любого элемента ВП. В дальнейшем это ограничение снимается. Тогда для установления обратной связи между ИО полетной информации и адресом хранения записи о ВС достаточно упаковывать в основания гистограмм порядковые номера записей в БД. По окончании ввода N описаний ВС будут сформированы совокупности ненулевых значений осей гистограмм тех элементов ВП, которые были затронуты рейсами N анализируемых ВС. Значащие часовые интервалы, соответствующие наличию ВС, перемежаются нулевыми, соответствующими тем часам суток, в которые данный элемент ВП не затрагивался ни одним рейсом. Полученный результат позволяет по каждому элементу ВП (аэродромам, пунктам обязательных донесений (ПОД), секторам, районам), затрагиваемому рейсами, построить список порядковых номеров (меток ВС), сортированный по монотонному изменению значений времени пролета. Совокупность списков по всем элементам ВП образует мультисписок поиска записей в БД, который становится упорядоченным отображением этих записей и может использоваться в качестве составного индекса поиска любой записи (или группы записей) по значениям времени пролета и по именам элементов ВП.
Список порядковых номеров исходных записей формируется как линейная последовательность, например, сцепление, все элементы (звенья) которого обладают двумя необходимыми свойствами. Во-первых, своими значениями они указывают на адрес записи в БД о том ВС, которое затрагивает данный элемент ВП в данном часе суток. Во-вторых, и это главное для формирования сцепленной структуры списка, своими значениями они одновременно указывают адрес следующего звена цепи в порядке монотонного изменения времени. Последний эффект достигается за счет вынесения начального элемента цепи (столбца гистограммы) непосредственно в разряды основания (оси гистограммы). Рассмотрим пример.
Пример. Для имитации работы радиолокатора формируются кодограммы сообщений о ВС, обнаруженных за период обзора антенны. По условиям моделирования необходимо сортировать сообщения по моментам обнаружения, азимуту и дальности от точки стояния радара. Записи об имитируемых ВС нумеруются в БД в порядке их появления в зоне видимости локатора. Диапазон изменения времени (0<<10 с с ценой младшего разряда, определяемой разрешающей способностью локатора - 0,125 с), составляет восемь двоичных порядков от 2-3 до 24 с. Следовательно, для оси гистограммы достаточно 2 = 256 двоичных дискретов. Разрядность г каждого дискрета определяется количеством N записей об имитируемых ВС и составляет г = ] 1о§2 N [, где символ ][ означает ближайшее большее целое.
Алгоритм сцепления расставляет номера записей по дискретам оси в соответствии с величиной момента обнаружения. Далее ось просматривается слева направо. Первый встреченный значащий дискрет содержит порядковый номер записи о ВС с минимальной величиной момента обнаружения. Этот номер становится начальным звеном цепи, сортированной по значению времени (пропорционального азимуту цели). Следующий ненулевой элемент оси содержит номер записи с ближайшим по возрастанию величины моментом обнаружения. Значение этого номера заносится в поле указателя адреса предшествующей записи (содержащей минимальный по величине момент обнаружения). Этапы образования цепи номеров записей поясняются рис. 1 и табл. 1 (ось дискретов) и табл. 2 (фрагмент сцепленной совокупности записей об имитируемых ВС).
Таблица 1
Рис. 1. Последовательность обнаружения ВС в обзоре
Разряды оси 0 0,125 0,875 1,0 1,125 1,5 1,625 3,0 3,375 3,5 3,675
Содержимое 0 0 0 0 3 0 0 0 5 7 0
Таблица 2
Стрелки на таблице иллюстрируют объявленные свойства цепи номеров записей о ВС. В левой колонке эти номера перечислены в порядке поступления данных в систему. В средней колонке указаны моменты обнаружения ВС, т.е. порядок их обхода лучом радара в его движении за период обзора антенны, начиная с позиции, изображенной на рис. 1. Именно так расставляются звенья формируемой цепи. В нулевую строку таблицы, соответствующую оси гис-
тограммы распределения моментов обнаружения, заносится номер записи о ВС, которое первым будет затронуто лучом антенны. Это первое звено цепи. Согласно условиям, своим значением <3> оно указывает номер ВС, обнаруженного первым в обзоре. Одновременно своим значением <3> оно указывает на следующее звено цепи, куда и направлена стрелка в третьей колонке таблицы. Это место принципиально свободно, потому что по замыслу предназначено для фиксации номера следующей в порядке обхода лучом записи, а собственный ее номер <3> уже вытеснен в основание гистограммы как начальное звено. В это «освободившееся» поле записи о ВС <3> заносится адрес следующего в порядке обзора антенны звена цепи. Согласно рис. 1 - это пятая запись (в порядке поступления в систему). К пятой строке направлена стрелка правого столбца таблицы. Это - второе звено цепи. И вновь оно обладает необходимыми свойствами: одновременно указывать порядковый системный номер ВС в последовательности событий обнаружения и номер следующего звена цепи событий.
Аналогично формируются и фиксируются на соответствующих осях сцепленные номера записей, сортированные по декартовым координатам и по дальности. Допустим, по условиям имитации на локатор выставлен бланк от 270° до 300°, и сообщения о ВС, находящихся в этом секторе, не должны воспроизводиться (от 7,5 до 8,5 с в величинах моментов обнаружения). Тогда процедура обращается к разряду оси гистограммы по адресу, равному минимальному граничному значению бланка, и находит на ней значащий разряд слева от этой границы. В поле указателя соответствующей записи фиксируется номер, лежащий в первом же справа от максимальной границы бланка ненулевом дискрете оси. Для анализируемого примера результаты имитации бланка сведены в табл. 3. Строки, соответствующие зоне бланка, выделены серым фоном. Подчеркнем, что в сортировке номеров не участвуют закрытые бланком вторая и четвертая строки. За шестой строкой теперь следует (в порядке возрастания моментов обнаружения) первая, что отмечено в колонке адресов.
Таблица 3
Каждое звено сформированной цепи представляет собой номер записи в исходной последовательности (в порядке поступления в систему). Выше предполагалось, что она сортирована в порядке монотонного изменения неповторяющихся по величине моментов обнаружения ВС. Если же ряд записей содержит равновеликие значения одноименных атрибутов (тип ВС, высота полета и т.д.), то возникает необходимость ввести в цепь несколько «одинаковых звеньев». Назовем цепь номеров записей, содержащих равновеликие атрибуты, частичной или элементарной цепью. Тогда единая цепь образуется как совокупность частичных цепей, однозвенных и многозвенных. Для ИО полетной информации эта задача наглядно интерпретируется. Г истограмма загрузки элемента ВП строится как единая цепь моментов пролета ВС через этот элемент с разрешающей способностью оси времени, равной часу. Если внутри часа фиксируется лишь один полет, тогда соответствующая частичная цепь оказывается однозвенной. В случае, если элемент ВП затрагивается рейсами в течение часа несколько раз, элементарная цепь становится многозвенной, образуя столбец гистограммы ИО.
Операции формирования единой цепи производятся при вводе в систему каждой новой записи о ВС. Частичные цепи наращиваются по мере расстановки в полях указателей адресов, а на оси гистограммы фиксируются номера последних в порядке поступления записей, содержащих равновеликие атрибуты. Если же по условиям задачи нам необходимо учитывать последовательность пролета ВС элементов ВП с более высокой точностью, например, до минут или долей секунды, то процедура формирования ИО должна отыскивать место каждой вновь вводимой записи о ВС внутри частичной цепи - столбца гистограммы. В результате, ось гистограммы становится (в терминах БД) входным индексом поиска, указывающим адреса частичных цепей равновеликих (с точностью до часа) моментов пролета элемента ВС. При этом частичные цепи (столбцы), порождаемые осью гистограммы, последовательно адресуют поиск записей, содержащих те же моменты с более высокой разрешающей способностью и сортированные внутри столбца в монотонном порядке неубывания величины.
Рассмотрим алгоритмическую схему формирования единой цепи номеров записей.
3. АЛГОРИТМИЧЕСКАЯ СХЕМА ФОРМИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБРАЗА
Упрощенная блок-схема формирования ИО представлена на рис. 2. Для пояснений воспользуемся условным примером ввода диспетчером в систему информации по докладу пилота о пролете ПОД. На входе процедуры (блок «начало» на схеме) ПО получает информацию о позывном номере борта, а также о наименовании, координатах, моменте времени и высоте пролета пункта. Позывной преобразуется в номер записи о ВС в БД средствами операционной системы. На рисунке не отражены предварительные операции, такие как пересчет плана полета, корректировка полей радиолокационного формуляра и списка бортов, оснащенных аппаратурой автоматического зависимого наблюдения. Эти действия вызывают удаление устаревшей информации об обслуживаемом ВС из ИО, после которого результаты диспетчерской корректировки фиксируются (возвращаются) в него как новые данные.
Первый шаг алгоритма состоит в адресации к гистограмме распределения моментов пролета того ПОД, по которому исполняется диспетчерский ввод. Поиск осуществляется по известному наименованию этого элемента ВП. Следующий шаг состоит в выборе столбца гистограммы, к которому нужно обратиться для присоединения к частичной цепи номеров записей нового звена - номера записи ВС. Столбцы пронумерованы от нуля до двадцати четырех в соответствии с часами суток. Необходимая информация извлекается ПО из поля «время» введенной в систему диспетчерской команды. Производится обращение к соответствующему по номеру разряду оси гистограммы. Анализируется, был ли ранее в процессе работы системы образован столбец гистограммы, или обслуживаемый рейс является первым внутри данного часа. Если столбца не существует, то система создает его, занося в выбранный разряд оси известный номер записи о ВС. В противном случае выполняется поиск места вводимого номера (звена) в частичной цепи номеров записей, порожденной найденным разрядом оси. Позиция каждого звена определяется моментом времени внутри часа, т.е. минутами. Нужно пройти по сцепленным номерам ВС и «вклиниться» между ВС, пролетевшими данный ПОД раньше, и ВС, которые пролетят его позже вводимого.
Процедура поиска места нового звена в частичной цепи управляется сравнением моментов времени пролета пункта. Если вводимое значение больше, чем у сравниваемого звена, то поиск продолжается. Выясняется, не просмотрена ли на данном этапе поиска вся цепь. Если сопоставляемое звено оказывается последним, то это означает, что сравнивать больше не с чем, и вводимое звено присоединяется к окончанию элементарной цепи, т. е. замыкает ее. В противном случае (цепь не окончена) алгоритм адресуется к следующему звену и вновь сравнивает величины моментов пролета ПОД.
Рис. 2. Блок-схема алгоритма формирования информационного образа
В противном случае, если вводимое значение меньше величины, зафиксированной в основании столбца гистограммы (начального звена цепи), алгоритм «вытесняет» ранее введенное значение из оси в продолжение цепи, а на «освободившееся» место записывает новый номер ВС. Механизм такой переадресации прост, потому что каждое звено указывает своим значением одновременно и номер записи о ВС, и место следующего (в порядке неубывания значений момента времени пролета ПОД) звена цепи. Рассматриваемый случай замены лидирующего звена наиболее нагляден. В разряде оси гистограммы фиксируется вводимый номер, а в теле файла единой цепи, по адресу, равному тому же вводимому номеру, фиксируется «вытесненное» из основания столбца прежнее начальное звено. Каждый номер п = (1, N) уникален, что гарантирует неповторяемость адресных ссылок (здесь N - допустимое по замыслу системы число одновременно сопровождаемых системой объектов). Присоединение вводимого номера к цепи внутри нее состоит в переадресации звена на месте «вклинивания». Последнее из «более ранних» звеньев содержит номер (адрес) первого из «более поздних» звеньев. Этот номер переносится в поле указателя вводимого рейса, фиксируя его место относительно продолжения це-
пи. В освободившийся указатель раннего звена записывается новый номер, адресуя к нему начальную часть цепи.
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассмотренная задача изначально предполагает наглядную геометрическую интерпретацию. Допустимые по замыслу системы J атрибутов (координаты ВС, время, высота полета, наименования элементов ВП и т.д.) ограничивают симплекс ИО в N-мерном пространстве состояния записей. Внутри многогранника располагаются векторы системных номеров (ключей) каждой n-й записи. Направление каждого вектора указывает адрес (скважину) исходной записи, модуль содержит величины ее атрибутов. Среди векторов нет ни пары одинаковых в силу уникальности номеров записей. Компактность упаковки образа обеспечивается, во-первых, линейной зависимостью необходимого объема V памяти от N с коэффициентом J (верхняя оценка, так как записи могут содержать менее J атрибутов), во-вторых, непрерывностью представления цепочечной структуры. Известны правила построения (сортировки) и заполнения симплекса (прямое преобразование величины атрибута в адрес файла гистограммы). При выводе по запросу численные значения атрибутов можно вычислить (расшифровать), используя направление и модуль вектора, по схеме обратного преобразования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гальков М. А., Рудельсон Л. Е., Тверитнев М.М. Имитационная модель использования воздушного пространства // Изв. РАН, Теория и системы управления, №4, 2003.
2. Воздушный кодекс Российской Федерации. - М.: Воздушный транспорт, 1997
COMPUTER REPRESENTATION OF FLIGHT INFORMATION BASED ON INFORMATION IMAGES Rudel’son L.Ye.
In the process of tracing aircrafts, data processing software that uses inputs from radars, satellite navigation, flight plan data and controller’s entries, calculates the parameters of the target's movement based on various mathematical models. Over time, the mismatches between the actual and calculated flight data increase, leading to mistakes of data representation at the controller’s workstations. The situation is further negatively impacted by the drawbacks of routing and computing synchronization between the interacting computers within the system. This article puts forward a solution to stabilize the big picture by proposing a new data representation method: information imaging that allows combining the modern database logic with the mechanisms of image thinking.
Сведения об авторе
Рудельсон Лев Ефимович, 1944 г. р., окончил МЭИ (1968), доктор технических наук, профессор МГТУ ГА, автор более 100 научных работ, область научных интересов - программное обеспечение автоматизированных систем организации воздушного движения.
