CC BY
36
УДК 519.87
МЕТОД КООРДИНАЦИИ ПОВЕДЕНИЯ ГРУППЫ АВТОНОМНЫХ НЕОБИТАЕМЫХ ПОДВОДНЫХ АППАРАТОВ НА МУЛЬТИАГЕНТНОЙ ОСНОВЕ ПРИ ВЕДЕНИИ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ
Л.А. Мартынова, О.В. Карсаев
Изучена работа группы автономных необитаемых подводных аппаратов, организованных с использованием мультиагентного подхода, основанного на автономном поведении и информационном взаимодействии аппаратов в группе. Для обеспечения согласованного выполнения задач каждым аппаратом необходимо обеспечение информационного взаимодействия аппаратов в группе, что и явилось основным предметом данного исследования. На примере использования группы аппаратов для ведения сейсморазведки рассмотрено два подхода к организации схемы взаимодействия аппаратов в группе: одноуровневый (реег-Ореег) и иерархический. Выбор варианта осуществляется на основе минимизации снижения эффективности функционирования группы. Для тестирования предложенных решений разработана математическая имитационная модель, с использованием которой проведен численный эксперимент, подтвердивший эффективность предложенных решений.
Ключевые слова: мультиагентная система, автономный необитаемый подводный аппарат, сейсморазведка, эффективность, математическое имитационное моделирование.
Введение. Широкое использование группы автономных необитаемых подводных аппаратов (АНПА) требует решения сопутствующих задач, направленных на координацию функционирования аппаратов в группе. Особенно актуальной эта задача становится при возникновении аварийной ситуации с аппаратом: отклонение от заданного маршрута, потеря связи, отказ систем или устройств, поломки. В случае выхода из строя части аппаратов группы возникает необходимость перегруппировки их так, чтобы отказ одного или нескольких аппаратов не повлиял на результат решения поставленной перед группой задачи. Сложность перегруппировки заключается в необходимости восстановления не только пространственного баланса аппаратов в группе, но и восстановления согласованного их функционирования, поскольку выполняемые аппаратами функции разнородны. Сказанное означает, что аппарату, участвующему в перегруппировке, необходимо перестроить алгоритм своей работы. Выход аппарата из строя приводит к снижению эффективности выполнения поставленной перед группой аппаратов задачи. Необходимо искать пути повышения эффективности выполнения поставленной задачи. Одним из таких путей является перегруппировка аппаратов внутри группы с перераспределением функций между ними.
Задача перегруппировки тесно связана с задачей информационного обмена между аппаратами. От того, насколько удачно построена схема информационного обмена, зависит результат перегруппировки и восстановления работоспособности группы. Для этого необходимо было прежде всего решить задачу оптимизации перегруппировки аппаратов так, чтобы свести к минимуму снижение эффективности её выполнения.
Решение задачи осуществлялось на примере ведения сейсморазведки [1]. Для определения варианта взаимодействия аппаратов, согласованно выполняющих разнородные функции, было необходимо:
- определить наиболее подходящий вариант организации аппаратов в группе;
- выработать правила координации поведения аппаратов в группе до и после перегруппировки;
- найти вариант обмена информацией между аппаратами внутри группы;
- установить целевую функцию, на основе которой осуществить выбор работоспособного аппарата для замещения аппарата, вышедшего из строя;
- разработать и реализовать алгоритм поведения аппарата для замещения им аппарата, вышедшего из строя.
Задачи группового использования аппаратов рассмотрены в литературных источниках, например, теоретические основы группового управления, в том числе и в условиях возникновения препятствий, - в трудах [2-4]. Выбору способа организации аппаратов в группе и обоснованию мультиа-гентного способа посвящены работы [5, 6] (беспилотные летательные аппараты), [7] (космические аппараты). Однако предложенные подходы не учитывают ограничения, связанные с морской средой, в которой функционируют автономные необитаемые подводные аппараты. Такими ограничениями являются:
- точность автономной подводной навигации;
- дальность и скорость звукоподводной связи с взаимодействующими силами;
- энергопотребление, запасы которого на борту АНПА ограничены.
В литературе, посвященной применению группы аппаратов в морской среде, рассматривается, как правило, использование аппаратов при однородных операциях, например, при обследовании дна [8], территории [9,10] и т.д.
Поскольку в приведенных источниках недостаточно материала для решения задачи информационного обмена, направленного на перегруппировку аппаратов, выполняющих разнородные функции, с сохранением эффективного решения поставленной перед группой задачи, то возникла необходимость разработки прежде всего метода координации поведения группы автономных необитаемых подводных аппаратов.
Целью данного исследования является разработка метода координации поведения группы автономных необитаемых подводных аппаратов, выполняющих согласованно разнородные действия, в случае выхода одного или нескольких аппаратов из строя. Метод должен был исключить снижение эффективности выполнения поставленной перед группой задачи.
Описание тактического эпизода. Постановка задачи. Рассмотрим решение поставленной задачи на примере ведения сейсморазведки морского дна, в которой принимают участие излучатель, создающий зондирующие сигналы, направленные в толщу морского дна, и подводные аппараты, на борту каждого из которых расположен геофон, принимающий отраженный от толщи морского дна сигнал [1,11]. Интересующую область морского дна целесообразно обследовать в кратчайшее время, принимая отраженный сигнал с разных ракурсов. Для этого группа аппаратов постоянно перемещается, периодически заглубляясь для приема отраженных сигналов. Аппараты имеют форму матрицы размерности М х М, где М — количество рядов в группе и количество аппаратов в каждом ряду.
Наиболее целесообразной с позиции эффективности сейсморазведки является круговая траектория (циклоида) движения излучателя вокруг группы аппаратов, как это представлено на рис. 1.
Рис. 1. Взаимное положение круговой траектории излучателя
и группы аппаратов
Показателем эффективности ведения сейсморазведки является всеа-зимутальность направлений прихода отраженных сигналов [12].
Одним из методов ведения сейсморазведки [1,11] является метод, основанный на согласованном функционировании излучателя и группы аппаратов. Метод заключается в том, что одна часть аппаратов группы прикреплена ко дну и занимается прослушиванием отраженных сигналов, а в это время другая часть аппаратов перемещается в новое положение для дальнейшего прослушивания морского дна. Благодаря описанной схеме ведения сейсморазведки происходит оперативная смена позиции прослушивания, что приводит к сокращению времени ведения сейсморазведки.
19
Предложенная схема эффективна только в случае слаженной работы всех аппаратов группы. Между тем на практике возможно исключение одного или нескольких аппаратов из процесса сейсморазведки в связи с поломкой, израсходованием энергоресурса, потерей связи и т.д. В связи с этим необходимо организовать их замещение и перегруппировку так, чтобы свести к минимуму снижение эффективности ведения сейсморазведки.
Мультиагентный подход для организации синхронного выполнения аппаратами группы разнородных функций
Для организации синхронного выполнения аппаратами группы разнородных функций наиболее подходящим является мультиагентный подход, в соответствии с которым все аппараты в системе представляются агентами. Агенты обладают минимально необходимыми данными и знаниями, и на основе информационного взаимодействия между собой автономно координируют свое поведение для решения указанной задачи.
Аппаратными средствами реализации информационного взаимодействия между аппаратами могут служить устройства маячковой связи и импульсных сигналов или гидроакустические модемы [13-15], обеспечивающие передачу информационных гидроакустических сигналов. При этом для эффективной схемы взаимодействия аппаратов принципиально важным параметром является дальность связи, которая с позиции соотношения «цена/качество» является предметом исследования. На первом этапе исследования предположим, что дальность действия импульсного сигнала, как минимум, сопоставима с расстоянием М*Ь, а дальность действия модемной связи сопоставима с расстоянием К*Ь, где М - количество аппаратов в ряду, Ь - расстояние между соседними аппаратами в ряду, и К<М.
Каждый агент обладает необходимыми данными и знаниями, связанными с описанием миссии и определяемыми планом ведения сейсморазведки, которое закладывается на борт каждого аппарата до начала её выполнения.
Описание миссии включает в себя:
- план ведения сейсморазведки в виде поля точек, в которых должны побывать аппараты группы;
- первоначальную принадлежность аппарата определенному ряду и месту в ряду, а также предполагаемую последовательность точек, которые должен посетить данный аппарат.
Поведение каждого аппарата можно представлять в виде последовательности итераций, каждая из которых определяется алгоритмом последовательных действий для перехода в следующую точку:
- всплытие;
- перемещение;
- заглубление;
- прикрепление ко дну;
- определение местоположения;
- прослушивание отраженного сигнала.
Соответственно будем считать, что под текущим состоянием понимается одно из состояний:
- прием отраженных сигналов (состояние «а»);
- окончание приема отраженных сигналов (состояние «Ь»);
- всплытие на заданную глубину для дальнейшего передвижения (состояние «о);
- переход в координаты следующей точки плана (состояние <^»);
- прикрепление ко дну и уточнение своих текущих координат (состояние «е»).
В процессе выполнения миссии агент каждого АНПА итеративно определяет свое текущее состояние и план поведения на ближайший период времени, которые описываются следующими данными:
- текущая точка плана сейсморазведки, в которой находится или находился аппарат;
- текущее состояние аппарата;
- следующая точка плана сейсморазведки, в которую должен прибыть АНПА.
В этот момент соответствующим образом изменяются указания текущей и следующей точек. При этом следующая точка в этот момент времени рассматривается как намерение и может быть изменена на другую. Кроме этого каждый АНПА в любой момент времени также знает свое текущее положение в группе, определяемое номером ряда и местом в ряду. Кроме своего текущего плана каждый АНПА имеет минимально необходимые данные, описывающие текущее оперативное состояние группы в целом: в каких точках плана сейсморазведки в настоящий момент времени находятся или находились другие АНПА группы. Эти же данные одновременно являются «желтыми страницами», определяющими необходимые знания агента каждого АНПА о всех остальных АНПА для организации информационного взаимодействия в группе. Обновление этих данных происходит в результате информационного взаимодействия между аппаратами по мере того, как АНПА очередного ряда заканчивают передвижение и прикрепляются ко дну в соответствующих точках плана сейсморазведки. Информация о текущем состоянии группы в целом позволяет решать задачи по реализации и уточнению текущих планов поведения каждого АНПА. Такими задачами являются:
- уточнение следующей точки плана сейсморазведки, в которую должен прибыть каждый АНПА;
- уточнение каждым АНПА своего текущего положения в группе (ряд, место);
- определение времени начала передвижения АНПА в следующую точку, синхронизированное с другими АНПА своего ряда.
21
Уточнение следующей точки плана. Сопоставление текущего оперативного состояния с планом сейсморазведки позволяет выявлять точки, не занятые АНПА, и тем самым формировать необходимые исходные данные для принятия решений о перегруппировке. Результатом принятия решений о перегруппировке является уточнение следующих точек, в которые переместятся аппараты соответствующего ряда.
Уточнение своего текущего положения в группе. Изменение текущего положения (изменение ряда и места) может происходить в двух случаях: при изменении направления движения группы и в результате перегруппировки в случае выхода каких-то АНПА из строя. Уточнение текущего положения очевидным образом также определяется на основе сопоставления текущего состояния группы с планом сейсморазведки, который имеется у каждого АНПА.
Определение времени начала передвижения АНПА в следующую точку. В случае продолжения движения группы в текущем направлении моментом времени, определяющим начало движения АНПА последнего ряда, является момент, когда все АНПА движущегося ряда прикрепились ко дну и перешли в состояние приема сейсмосигнала. В случае выполнения поворота группы момент времени начала движения последнего ряда определяется аналогичным образом, но с учетом следующего состояния. В этом случае происходит переопределение рядов. При этом аппараты ряда, который становится последним и должен выполнить передвижение, находятся в разных состояниях: часть аппаратов в состоянии «а», принимают отраженные сигналы, часть в состоянии «Ь», закончили прием отраженных сигналов, один в состоянии «е», прикрепился ко дну для принятия отраженных сигналов. В связи с этим в основе синхронизации начала движения ряда этих АНПА могут рассматриваться различные варианты правил. В одном варианте движение всех АНПА начинается только после того, когда последний АНПА закончит прием отраженных сигналов и перейдет в состояние «Ь». Полностью противоположенным вариантом является переход всех АНПА в состояние «Ь» и их движение.
Таким образом, целью информационного взаимодействия является поддержание в памяти всех АНПА актуальных данных, описывающих текущее оперативное состояние группы в целом. Вместе с априори известным планом сейсморазведки эти данные обеспечивают условия по реализации и возможность уточнения текущих планов каждого АНПА.
Схема информационного взаимодействия
Поскольку, как было сказано, дальность распространения сигналов модемной связи, которые используются для передачи информационных сообщений, является ограниченной, то с позиции связи группа АНПА представляет собой DTN (Delay-and-Disruption Tolerant Network) сеть. Поэтому передача сообщений между узлами сети (между АНПА) может происходить по цепочке, через промежуточные узлы (АНПА).
В связи с этим могут рассматриваться два различных подхода к организации схемы информационного взаимодействия. При первом подходе все агенты являются агентами одного уровня. Такой подход называется взаимодействием агентов по схеме p2p (peer-to-peer). При втором подходе рассматривается иерархическая (в данном случае - двухуровневая) схема взаимодействия, в которой агенты первого уровня играют роль рядовых агентов ряда, а агенты второго уровня - роль лидера ряда.
Обновление оперативных данных о текущем состоянии группы в целом происходит всякий раз после того, когда все АНПА движущегося ряда прикрепились ко дну и перешли в состояние «е». В части информационного взаимодействия поведение АНПА этого ряда определяется следующими правилами. До перехода в состояние «е» АНПА генерируют импульсные (маячковые) сигналы. Предполагается, что дальность распространения таких сигналов достаточна для того, чтобы сигнал каждого АНПА ряда достигал всех остальных АНПА ряда. Обмен такими сигналами позволяет каждому АНПА устанавливать количество движущихся аппаратов и тем самым определять количество АНПА ряда, выбывших из строя к этому времени. После перехода в это состояние агенты АНПА начинают информационное взаимодействие по схеме p2p или по двухуровневой схеме с целью обновления оперативных данных о текущем состоянии у всех АНПА группы.
В случае p2p подхода каждый АНПА после перехода в состояние «е» посылает сообщение об этом всем другим АНПА группы, например, по протоколу Gossip, который используется в социальных сетях. В соответствии с этим протоколом сообщение сначала достигает ближайших соседних АНПА, которые находятся в зоне действия модемной связи АНПА, -отправителя сообщения. При получении этих сообщений каждый АНПА ретранслирует эти сообщения своим соседям, а также корректирует описание оперативного состояния группы в своей памяти. При повторном получении сообщений ретрансляция не выполняется. Таким образом, все сообщения доходят до всех АНПА группы, в том числе и до АНПА последнего ряда, который должен начинать передвижение. В данном сообщении каждый АНПА дополнительно указывает количество аппаратов в ряду, которое он определяет на основе обмена маячковыми сигналами. Эта информация позволяет всем АНПА других рядов определять событие, что все сообщения, влекущие обновление данных оперативного состояния группы, получены.
Двухуровневая схема взаимодействия предполагает определение лидеров рядов и обмен сообщениями между агентами ряда и между лидерами рядов. В данном варианте схема взаимодействия обобщенно может быть представлена в следующем виде. Первоначально выполняется взаимодействие агентов АНПА движущегося ряда во время их перехода в состояние «е». Целью данного фрагмента взаимодействия являются опреде-
ление лидера ряда и агрегирование у него сообщений от других АНПА ряда о переходе в состояние «е». Для достижения данной цели каждый АНПА после перехода в состояние «е» посылает сообщение об этом всем другим АНПА ряда. После получения таких сообщений каждый АНПА автономно проверяет правила, на основании которых один из них принимает роль лидера ряда. Пусть, например, им становится АНПА, который находится в центральной точке, если количество АНПА в ряду нечетное. Если количество АНПА четное, лидером становится один из двух центральных АНПА, который находится ближе к левому краю ряда по ходу движения. Далее лидер этого ряда отправляет данные о текущих точках всех АНПА своего ряда лидерам других рядов. Лидеры других рядов ретранслируют эти данные АНПА своего ряда.
В результате этой схемы двухуровневого взаимодействия, как и в случае взаимодействия по схеме p2p, у всех АНПА группы полностью обновляются данные о текущем состоянии всей группы в целом. После достижения данной цели в отношении АНПА последнего ряда выполняется уточнение тех точек, в которые они должны двигаться. При этом можно рассматривать два варианта решения этой задачи: централизованный и автономный. При централизованном варианте решение в отношении каждого АНПА принимает лидер ряда и рассылает их соответствующим АНПА. При автономном варианте решение определяется тем, что каждый из АНПА обладает той же самой информацией о текущем состоянии группы, что и лидер. В связи с этим можно рассматривать предопределенный набор правил принятия решений по аналогии с выбором лидера ряда, на основании которых каждый АНПА может автономно уточнять или выбирать свою точку плана сейсморазведки, в которую он должен перемещаться.
При сравнении между собой рассмотренных схем взаимодействия отметим, что схема p2p взаимодействия по протоколу Gossip является более простой для реализации. Она не требует решения задачи маршрутизации сообщений, но влечет генерацию относительного большого трафика сообщений: в совокупности n*k отправок (ретрансляций) сообщений, где n - количество АНПА, отправителей сообщений, а k - общее количество АНПА в группе. Схема двухуровневого взаимодействия позволяет снизить количество посылаемых и пересылаемых сообщений, но требует решения задачи маршрутизации пересылки сообщений.
Эффективные решения задачи маршрутизации в DTN-сетях, как правило, разрабатываются для каждых конкретных примеров с учетом тех или иных специфических факторов соответствующей предметной области. В данном случае таким фактором являются те же самые данные, описывающие текущее состояние группы АНПА в целом. В частности, на основании этих данных каждый АНПА может построить граф, вершинами которого являются АНПА группы. При этом связи между парами АНПА устанавливаются на основе расчета расстояния между ними и соотнесения это-
го расстояния с дальностью распространения сигналов модемной связи. Для расчета расстояния используются текущие координаты точек, в которых находятся АНПА. На основании сформированного таким образом графа задачи маршрутизации могут решаться стандартным образом с помощью алгоритма Дейкстры.
Замена вышедшего из строя аппарата другим работоспособным
Рассмотрим ситуацию выхода из строя части аппаратов. При функционировании группы как мультиагентной системы замену неработоспособного аппарата целесообразно осуществлять в процессе заглубления аппаратов. В ходе перераспределения аппаратов в группе происходит переход работоспособного аппарата на место вышедшего из строя. Для целенаправленной перегруппировки определим правила, следуя которым, необходимо проводить замещение аппаратов так, чтобы в результате перегруппировки обеспечить сохранение эффективного ведения сейсморазведки.
При рассмотрении процесса сейсморазведки [1,11] было выявлено, что наиболее эффективное функционирование группы наблюдается при совпадении положения центра окружности, вдоль которой происходит перемещение излучателя, с положением геометрического центра тяжести группы аппаратов. При выходе аппарата из строя положение центра тяжести группы смещается. Поэтому перераспределение аппаратов в группе должно определяться минимизацией расстояния между центром тяжести группы и центром окружности. В результате перегруппировки аппаратов должна происходить минимизация:
- отклонения центра тяжести группы от центра окружности;
- минимизация угла между направлением отклонения центра тяжести группы и направлением движения центра окружности.
Минимум смещения центра тяжести группы наблюдается при отсутствии центральных аппаратов в группе. С увеличением расстояния отсутствующих аппаратов от центра группы расстояние между центрами возрастает.
Поэтому при выборе аппарата для замены отсутствующего необходимо руководствоваться следующими правилами:
- на место центральных аппаратов устанавливать крайние в группе;
- если аппарат расположен на оси симметрии вдоль направления движения группы, то его заменять не следует;
- при выборе аппарата для замены стремиться к сохранению симметрии положения аппаратов в группе относительно оси, сонаправленной с направлением движения группы;
- смещение центра тяжести группы целесообразно направлять в сторону движения центра окружности;
- дальнейший процесс замещения не требовал бы цепной реакции замен, если используемый для замены аппарат потребовалось бы на следующем этапе замещать другим;
- для замены необходимо использовать аппараты из перемещающегося ряда.
В качестве критерия выбора аппарата для замещения вышедшего из строя следует определить минимальное:
- расстояние между центром тяжести группы и центром окружности;
- отклонение направления смещения центра тяжести относительно направления движения центра окружности.
Предположим, что лидер владеет информацией о вышедших из строя аппаратах в группе и имеет возможность определить, какому именно аппарату в ряду необходимо переместиться для замещения. Выбор аппарата, предназначенного для замещения, осуществляется из аппаратов движущегося ряда. У аппарата-лидера в перемещающемся ряду на борту происходит оценка изменения положения центра тяжести группы, и на основании оценки осуществляется выбор работоспособного аппарата для замещения вышедшего из строя. После выбора аппарата для замещения лидер ряда указывает место на дне и дает команду на заглубление аппарата в указанное место.
Показатель эффективности и математическая модель
Для проведения сравнительной оценки различных вариантов замещения был использован показатель эффективности сейсморазведки, который заключается в следующем [1,11].
Эффективность ведения сейсморазведки во многом определяется всеазимутальностью прихода отраженных от толщи морского дна сигналов. Для проверки гипотезы о всеазимутальности (соответствии распределения направлений принятых сигналов равномерному) используется критерий согласия Пирсона х2. Статистика критерия вычислялась согласно выражению
где Azi - количество сигналов, принятых в определенном диапазоне направлений; Azмo - ожидаемое (теоретическое) количество сигналов в
каждом диапазоне направлений, соответствующее равномерному распре-
2
делению; х - количество диапазонов приема отраженных сигналов.
На основе полученного значения статистики для распределения х2 с n -1 степенями свободы рассчитывалась вероятность гипотезы о всеазиму-тальности.
Оценка степени всеазимутальности выражена отклонением полученных значений азимутов от равномерного их распределения. Степень отклонения выражается среднеквадратическим отклонением (СКО) количества азимутов с каждого направления от их среднего значения по всем направлениям.
2
(8)
Для расчета показателя эффективности путем проведения численных экспериментов была разработана математическая имитационная модель ведения сейсморазведки. В имитационной модели моделировалось движение излучателя и группы аппаратов как материальных точек. В имитационной модели реализованы подход к организации аппаратов в группе с использованием мультиагентной технологии, принцип выбора работоспособных аппаратов для замещения вышедших из строя, алгоритм замещения вышедших из строя аппаратов путем перераспределения аппаратов внутри группы - с сохранением согласованного разнородного эффективного функционирования их в группе.
При проведении численного эксперимента предварительно были определены оптимальные параметры траектории движения излучателя: положение центра и радиус окружности. Критерием выбора оптимальных параметров являлась минимизация СКО азимутов.
Затем при выбранных параметрах излучателя рассматривались варианты положения в группе вышедшего из строя одиночного аппарата: вблизи центра (номер ряда 4), с краю группы (номер ряда 1, 7). Результаты численных экспериментов приведены на рис. 2.
■■— 1 —•ф- 2 - 3 - -X - 4
Рис. 2. Влияние положения в группе вышедшего из строя одиночного аппарата на эффективность сейсморазведки
Из рис. 2 видно, что наиболее уязвимыми являются аппараты, расположенные в крайнем левом (номер ряда 1) или крайнем правом (номер ряда 7) месте группы. Центральные аппараты в группе (номер ряда 4) оказывают меньшее влияние на снижение СКО.
Кроме того, были проведены исследования по выявлению влияния количества вышедших из строя аппаратов на эффективность сейсморазведки. Результаты численных экспериментов приведены на рис. 3.
Результаты моделирования показали, что с увеличением количества вышедших из строя аппаратов наблюдается существенное ухудшение эффективности сейсморазведки.
кол-во аппаратов
Рис. 3. Влияние количества выведенных из строя аппаратов на эффективность сейсморазведки
Полученные результаты позволяют оценить эффективность в случае перегруппировки аппаратов. Так, для проведения сравнительной оценки влияния перегруппировки на эффективность сейсморазведки рассматривались последовательный выход из строя крайних в группе аппаратов и соответствующая замена образовавшихся пустот в группе центральными аппаратами.
Результаты исследований приведены на рис. 4 (пунктирная линия при отсутствии перегруппировки аппаратов, сплошная - при использовании перегруппировки).
10--------
0 -I-------
1 2 3 4 5 6 7 8
номер круга
■ с замещением —♦— без замещения
Рис. 4. Сравнительная оценка эффективности сейсморазведки
Из результатов, приведенных на рис. 4, видно, что без перегруппировки наблюдается существенное снижение эффективности ведения сейсморазведки. Так, при выходе из строя от 1 до 8 аппаратов СКО возрастает
28
от 15 до 65 ед. соответственно. Вместе с тем, использование перегруппировки аппаратов позволяет сохранить эффективность сейсморазведки практически без изменения. Сказанное означает, что при выходе из строя одного или нескольких аппаратов эффективность сейсморазведки практически не изменилась из-за своевременной перегруппировки аппаратов.
Заключение
Рассмотрено автономное поведение и информационное взаимодействие аппаратов в группе, организованной на мультиагентной основе. При-вден наиболее сложный случай координации выполнения разнородных равноправных действий аппаратами. При выходе из строя аппарата предложено решение перегруппировки аппаратов с перераспределением выполняемых ими функций так, чтобы поставленная перед группой задача продолжала эффективно выполняться. Решение осложнено отсутствием центрального аппарата, который бы координировал выполняемые аппаратами функции. Поэтому восстановление эффективного функционирования группы при выходе аппарата из строя, наряду с оптимизацией перераспределения положения аппаратов, рассматривалось с решением вопроса эффективного взаимодействия аппаратов в группе между собой. Выбор варианта перегруппировки аппаратов основан на минимизации снижения эффективности в случае выхода одного или нескольких аппаратов из строя. Для тестирования предложенных решений разработана математическая имитационная модель. При проведении численных экспериментов изучались варианты, отличающиеся различным положением в группе одиночного вышедшего из строя аппарата или нескольких аппаратов, число которых варьировалось при проведении эксперимента. При этом моделировалось информационное взаимодействие аппаратов в группе. Численные эксперименты, проведенные с использованием данной модели, подтверждают эффективность предложенных решений, поскольку предложенный метод перегруппировки аппаратов в группе при выполнении ими разнородных функций и выходе одного или нескольких аппаратов из строя не привел к существенному снижению эффективности.
Работа выполнена при поддержке Российского Фонда фундаментальных исследований (проект № 17-08-00666).
Список литературы
1. Мартынова Л.А. Метод согласованного поведения излучателя и автономных необитаемых подводных аппаратов для эффективного ведения сейсморазведки // Информационно-управляющие системы. 2017. №1 (86). С. 83-92.
2. Куржанский А.Б. Задача о нестолкновениях при групповом движении в условиях препятствий // Труды Института математики и механики РАН. 2015. Т. 21. № 2. С. 132-147.
3. ^ржанский A^. О задаче группового управления в условиях препятствий // Труды Института математики и механики РЛ^ 2014. Т. 20. №3. С. 166-179.
4. ^ржанский A^., Месяц A^. Математические задачи группового управления: теория и вычисления // Материалы 4-й Всероссийской научно-технической конференции «Суперкомпьютерные технологии (CTK-2016). Ростов-наДону: Изд-во Южного федерального университета, 2016. С. 44-47.
5. Городецкий В.И., Грушинский М.С., Хабалов A3. Многоагент-ные системы (обзор) // Hовости искусственного интеллекта. 1998. №2. С. 64-116.
6. Разработка системы согласованного управления группой беспилотных аппаратов с применением мультиагентных технологий / Д.С. Будаев, Г.Ю. Вощук, H.A. Гусев, И.В. Майоров, A.H. Мочалкин // Известия ЮФУ. Технические науки. 2015. № 10(171). С. 18-28.
7. Прикладные многоагентные системы группового управления / В.И. Городецкий, О.В. ^рсаев, В.В. Самойлов, С.В. Серебряков // Искусственный интеллект и принятие решений, 2009. № 2. С. 3-24.
8. Машошин A^., Скобелев П.О. Применение мультиагентных технологий к управлению группой автономных необитаемых подводных аппаратов // 11-я Всероссийская научно-практическая конференция «Перспективные системы и задачи управления». ^ым, 2016.
9. Развитие системы автономного группового управления разнородными надводными и подводными необитаемыми аппаратами / И.В. ^же-мякин, Д.В. ^кушето, ВА. Рыжов, H.H. Семенов, МЛ. Чемоданов // Седьмая Всероссийская научно-техническая конференция «Технические проблемы освоения мирового океана. Владивосток, 2017. С. 48-57.
10. Мультиагентная система управления группой AHQA с несколькими лидерами / И.В. ^жемякин, ВА. Рыжов, H.H. Семенов, МЛ. Чемоданов // International Conference on Marine Robotics in Ocean Exploration, Marine Robotics 2017. Saint-Petersburg, 2017.
11. Мартынова ЛА. Инструментарий для исследований эффективности ведения сейсморазведки с использованием автономных необитаемых подводных аппаратов // Информационно-управляющие системы. 2017. №2 (87). С. 77-87.
12. Buia M., Flores P.E., Hill D., Palmer E., Ross R., Walker R., Houbiers M., Thompson M., Laura S., Menlikli C., Moldoveanu N., Snyder E. Shooting Seismic Surveys in Circles. [Электронный ресурс] URL: https://www.slb.com/-/ media/ Files/ resources/ oilfield_review/ ors08/ aut08/ shooting seismic surveys in circles.pdf (дата обращения: 10.12.2018).
13. Кебкал К.Г., Машошин А.И. Гидроакустические методы позиционирования автономных необитаемых подводных аппаратов // Гироско-пия и навигация, 2016. Т. 24. № 3 (94). С. 115-130.
14. Гидроакустические модемы с интегрированными цезиевыми часами для задач подводного позиционирования автономных необитаемых подводных аппаратов / К.Г. Кебкал, А.Г. Кебкал, Е.В. Глушко, В.К. Кебкал, Л. Себастио, А. Паскуаль, Дж. Рибейро, Сильва Г. Рибейро, Дж. Инди-вери // International Conference on Marine Robotics in Ocean Exploration, MarineRobotics2017. Saint-Petersburg, 2017.
15. Kebkal O., Komar M., Kebkal K. D-MAC: Hybrid media access control for underwater acoustic sensor networks // In Proceedings of IEEE Communications Workshops (ICC), IEEE International Conference, Cape Town, South Africa, 2010.
Мартынова Любовь Александровна, д-р техн. наук, старший научний сотрудник, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»; Россия, Москва, Главный научно-исследовательский испытательный центр робототехники Министерства обороны Российской Федерации,
Карсаев Олег Владиславович, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации Российской академии наук
A METHOD OF COORDINATING THE BEHAVIOR OF AUTONOMOUS UNDERWATER VEHICLES GROUP ON A MULTI-AGENT BASIS IN THE CONDUCT OF THE SEISMIC
SURVEY
L.A. Martynova, O.V. Karsaev
A method of seismic prospecting of the seabed using a group of autonomous underwater vehicles, organized according to the multiagent model of autonomous behavior and information interaction in the group, is considered. When regrouping apparatuses, information interaction of apparatuses in the group is required, which was the main subject of research in this article. A one-tier (peer-to-peer) approach to the organization of the interaction scheme and a hierarchical approach was considered. The choice of the option is based on minimizing the decrease in the efficiency of the group's operation. To test the proposed solutions, a mathematical simulation model was developed, using which a numerical experiment was performed, which confirmed the effectiveness of the proposed solutions.
Key words: multiagent system, autonomous unmanned underwater vehicle, seismic prospecting, efficiency, mathematical simulation.
Martynova Liubov Alexandrovna, doctor of technical sciences, senior researcher, leading researcher, martynowa999@bk. ru, Russia, Saint-Petersburg, JSC State Research Center of the Russian Federation Concern CSRI Elektropribor (JSC CSRI Elektropribor); Russia, Moskow, Principal Research and Development Test Centre of Robotic Technology Ministry of Defence of the Russian Federation,
31
Karsaev Oleg Vladislawowish, candidate of technical sciences, senior researcher, karsaev@ips-logistic. com, Russia, Saint-Petersburg, St. Petersburg Institute for Informatics and Automation of Russian Academy of Sciences
УДК 681.5; 623.9; 007.5
БОРТОВАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
В.А. Серов, С.А. Устинов, В.И. Максименко
Рассматриваются вопросы схемотехники базовых блоков бортовой системы управления мобильных роботов специального назначения, построенной полностью на российской электронной компонентной базе. Разработанная унифицированная система управления на базе микроконтроллера предполагает ее гибкое конфигурирование в зависимости от поставленной задачи.
Ключевые слова: система управления, схемотехника, микроконтроллер, электронная компонентная база, мобильный робот.
В настоящее время большинство систем управления мобильными роботами [1-3] строятся с применением импортной электронной компонентной базы, что для ряда роботов специального применения является неприемлемым. Кроме того, разрешенная к применению в отдельных образцах специальных изделий импортная компонентная база промышленного (industrial) назначения по ряду показателей (стойкость к внешним воздействиям, наработка на отказ и др.) значительно хуже импортной компонентной базы специального (mШtary) назначения, не поставляемой в нашу страну.
Целью исследования являлось создание основных узлов бортовой системы управления подводных и амфибийных роботов специального назначения на новейшей элементной базе российского производства категории качества «ВП» с расширенными функциональными возможностями и включенной в действующие ограничительные перечни.
Для достижения указанной цели решены следующие задачи:
- проанализирована работа российской электронной компонентной базы категории качества ВП;
