CC BY
29
УДК 355/359
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-193-197
МЕТОДИКА ИНТЕГРАЦИИ МНОГОАГЕНТНЫХ МОДЕЛЕЙ В ТЕХНОЛОГИЮ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОСПУТНИКОВЫМИ КОСМИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ МОНИТОРИНГА
А.Е. Привалов, А.М.Зубачев, Р.П. Власов, Б.А. Данилюк
В статье проведен анализ существующей технологии управления космическими системами мониторинга (КСМ) на примере космических систем дистанционного зондирования Земли, а также разработанных к настоящему времени многоагентных моделей КСМ. Предложена новая методика интеграции многоагентных моделей в качестве «цифрового двойника» в существующую структуру управления. Применение методики позволит замкнуть процесс управления на бортовых средствах КСМ, что существенно повысит оперативность мониторинга за счет сокращения длительности цикла управления.
Ключевые слова: многоспутниковая космическая система, дистанционное зондирование, мно-гоагентная модель, технология управления, цифровой двойник.
Одной из важнейших и активно развивающихся областей применения космических систем является мониторинг земной поверхности и околоземного космического пространства (ОКП). К актуальности информации, являющейся результатом мониторинга, предъявляются все более высокие требования. Актуальность результатов мониторинга зависит от двух антагонистических процессов - получения и устаревания информации об объектах мониторинга, поддержание равновесия (гомеостаза) между которыми определяет эффективность космической системы мониторинга (КСМ).
К числу современных задач мониторинга относятся мониторинг чрезвычайных ситуаций (лесных пожаров, наводнений, оценка ущерба от землетрясений и т.п.), слежение за объектами на поверхности Земли (движение айсбергов, ледяных полей и т.д.) и в атмосфере (ураганы, пыльные бури и т.д.), а также мониторинг объектов космического мусора (ОКМ) в околоземном космическом пространстве. Характерной особенностью данных задач является высокая скорость устаревания информации ввиду высокой динамики и непредсказуемости поведения объектов мониторинга. Необходимым условием поддержания гомеостаза процесса мониторинга при выполнении данных задач является применение КСМ, в состав орбитальных группировок которых входит большое количество КА - многоспутниковых КСМ. Их применение позволяет осуществить качественный скачок в повышении эффективности процесса мониторинга за счет обеспечения глобального непрерывного покрытия областей мониторинга на поверхности Земли и в ОКП.
Вместе с тем, существующая технология управления КСМ, основанная на заблаговременном планировании их применения на сезон съемки [1], не позволяет в полной мере использовать преимущества, создаваемые многоспутниковыми КСМ. В статье представлен анализ существующей технологии управления КСМ, существующих подходов к повышению оперативности мониторинга, основанных на многоагентных моделях, а также предложена методика поэтапной интеграции многоагентных моделей в технологию управления многоспутниковыми КСМ.
Современная система управления КСМ основана на принципе управления отдельными космическими аппаратами, входящими в орбитальную группировку (ОГ) КСМ. Рассмотрим технологию управления КСМ на примере существующей технологии управления КС дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) (рис. 1), реализуемой оператором КС ДЗЗ - научным центром оперативного мониторинга Земли АО «Российские космические системы» [1].
Программы аппаратуры
Наземный ком и .г КСГ юкс управления Комплекс приёма н регистрации космической информации
*
ОГ ДЗЗ
Создание первичной продукции ДЗЗ
Рис. 1. Структура процесса применения КС ДЗЗ
193
Недостаток информации об объектах мониторинга вызывает потребность Заказчика, которая формализуется в виде заявок на предоставление данных ДЗЗ. Примером потребности может служить необходимость мониторинга отдельного процесса или объекта на поверхности Земли (например, мониторинг движения айсберга или развития чрезвычайной ситуации). Оператором на основании заявок потребителей разрабатывается комплексный план целевого применения средств КС ДЗЗ (ОГ и наземных средств), который представляет собой распределение ресурса КС ДЗЗ на всю глубину съемочного сезона (март-октябрь). Для разработки комплексного плана в настоящий момент разработаны и используются на практике множество информационных систем (APSI, ASPEN, EUROPA, CPAW и др.), подробный обзор которых представлен в [2].
На основании комплексного плана на этапе текущего планирования разрабатываются программы работы бортовой аппаратуры на интервал между сеансами управления (как правило до суток), которые через средства наземного комплекса управления передаются на борт соответствующих космических аппаратов (КА). Результатом реализации программ работы является первичная продукция ДЗЗ [3], которая через средства комплекса приема и регистрации космической информации передается для обработки на наземные средства оператора КС ДЗЗ. На них осуществляется последовательная обработка первичной продукции с целью получения стандартной, производной или тематической продукции [3] (в зависимости от потребности Заказчика). В случае невозможности получения продукции надлежащего качества (например, при облачности), рассматривается возможность повторного включения заявки в план.
Такой подход имеет ряд преимуществ, таких, как высокая вероятность получения оптимального результата, большой опыт применения и, как следствие, подтвержденная адекватность применяемых моделей и методик. Вместе с тем, ему присущи недостатки, ограничивающие его применение для многоспутниковых КСМ при современных требованиях к их эффективности. Главным из них является пакетный режим планирования, который предполагает создание жесткого плана съемок на ограниченный период планирования. Изменение плана в ходе этого периода, как правило, не допускается. Вместе с тем, динамичность и непредсказуемость объектов мониторинга, а также множество случайных факторов внутренней и внешней среды КСМ, требуют постоянного изменения плана, т.е. реализации инкрементального режима планирования.
Наиболее предпочтительным подходом к управлению многоспутниковыми КСМ представляется управление не отдельными КА, входящими в ОГ КСМ, а всей системой как территориально распределенной многоагентной дистанционно управляемой робототехнической системой, функционирующей в космическом пространстве [4]. В рамках реализации данного подхода в настоящее время проведены исследования в области разработки многоагентных моделей (ММ) [5-9], которые подтверждают эффективность данного подхода к управлению многоспутниковыми КСМ. Очевидно, что интеграция ММ в структуру системы управления этих систем должна осуществляться поэтапно с верификацией применяемых моделей, методов и алгоритмов на каждом этапе.
Методика интеграции многоагентных моделей состоит из следующих этапов:
Этап №1. Разработка и верификация ММ КСМ. На данном этапе многоагентные модели не интегрируется в структуру технологии управления, а применяется параллельно с ней, при этом осуществляется оценивание качества обеих технологий. Сущность работ данного этапа состоит в разработке и реализации ММ, калибровке ее параметров для обеспечения заданных показателей эффективности управления КСМ. Переход к следующему этапу возможен только в том случае, если по требуемым показателям качества разрабатываемые ММ не будут уступать существующим информационным системам планирования.
Этап №2. Применение ММ КСМ в качестве «цифрового двойника» в составе наземных средств планирования и контроля оператора КСМ. Под цифровым двойником КСМ понимается динамическое виртуальное представление КСМ. Применение данной технологии является одной из перспективных тенденций теории управления сложными системами [10]. На ММ на данном этапе возлагаются следующие задачи:
- быть виртуальным «представителем» КСМ, способным замещать ее при планировании и принятии решений в режиме реального времени;
- обеспечивать непрерывную синхронизацию своего состояния с состоянием реальной КСМ.
Применение технологии управления КСМ с использованием «цифрового двойника» позволит,
во-первых, повысить эффективность управления КСМ за счет возможности реализации инкрементного метода автономного планирования в ММ КСМ (планирования, которое осуществляется по мере поступления заявок) [2], а во-вторых, отработать технологии управления КСМ в форме автономной много-агентной дистанционно управляемой робототехнической системы. Результатом работы ММ КСМ в качестве цифрового двойника, так же, как и на этапе 1 являются программы работы бортовых систем, которые через средства НКУ передаются на ОГ КА для их выполнения.
Этап №3. Реализация КСМ в форме автономной многоагентной дистанционно управляемой робототехнической системы. На данном этапе осуществляется переход от управления отдельными КА к управлению КСМ в целом. Для этого необходимо выполнение следующих условий:
1. Оснащение КА КСМ аппаратным и программно-математическим обеспечением, необходимым для полноценной реализации функций агента ММ КСМ. Ввиду невозможности модернизации уже запущенных КА переход к данному этапу может быть осуществлен при создании новых ОГ или восполнении существующих модернизированными КА.
2. Максимально подробная модель «цифрового двойника», учитывающая все возможные факторы, влияющие на функционирование КСМ.
Реализация в КСМ метода инкрементного автономного планирования позволит передавать на КСМ не программы работы бортовых систем, а заявки на получение данных мониторинга, что существенно снизит объем передаваемой на ОГ информации. Эффективность инкрементного планирования на данном этапе также повысится за счет использования в качестве исходных данных текущей (а не прогнозной, как при наземном планировании) информации о состоянии бортовых систем. Кроме того, появляется возможность в подаче заявок непосредственно при появлении потребности в информации у Заказчика.
Этап №4. Внедрение технологий создания продукции мониторинга и методов контроля качества в программно-математическое обеспечение КА КСМ. Данный этап является необходимым продолжением предыдущего в связи с тем, что отсутствие автономных средств обработки данных и контроля качества предоставляемой продукции существенно снижают все преимущества автономного планирования. Методологической основой данного этапа могут послужить современные методы интеллектуального анализа изображений на основе искусственных нейронных сетей и другие достижения в этой области. Внедрение средств автономного контроля качества получаемых данных позволит замкнуть процесс управления КСМ на бортовых средствах, что существенно повысит оперативность реагирования на нештатные ситуации, связанные с ненадлежащим качеством результатов мониторинга (например, плотной облачностью над районами наблюдения, засветкой целевой аппаратуры и т.п.). Вместе с тем, реализация на предыдущем этапе метода инкрементного планирования позволит скорректировать план применения КСМ с учетом необходимости получения дополнительной информации по неотработанным заявкам.
Этап №5. Автономное поддержание гомеостаза процесса мониторинга земной поверхности и околоземного космического пространства. Выполнение данного этапа заключается в автоматическом формировании заявок на основании потребности Заказчика. При этом, потребность заказчика формализуется не в виде заявки, а в виде задачи мониторинга, которая может иметь значительную длительность. В качестве примеров задач мониторинга могут выступать следующие:
1. Мониторинг параметров орбиты объектов космического мусора (ОКМ).
2. Мониторинг ОКМ в некоторой области околоземного космического пространства (например, в динамической области траектории выведения пилотируемых КА).
3. Мониторинг чрезвычайных ситуаций.
4. Мониторинг движения объектов на поверхности Земли (например, дрейф айсбергов, граница кромки льда и т.д.).
Выполнение каждой задачи представляет собой непрерывную последовательность наблюдений за объектом мониторинга, интервалы между которыми определяются на основании неопределенности прогноза изменения его состояния во времени, полученного по результатам предыдущих измерений и априорной модели объекта мониторинга.
Синтез программы управления осуществляется на основании двух антагонистов - априорная модель объекта мониторинга и модель процесса мониторинга (рис. 2). Анализ априорной модели позволяет оценить динамику устаревания (т.е. повышения неопределенности) информации об объекте и сформировать требования к процессу мониторинга (т.е. заявки), анализ модели процесса мониторинга позволяет оценить возможности КСМ по получению информации (т.е. отработке заявок).
Рис. 2. Общая схема автономного поддержания гомеостаза процесса мониторинга
Современные требования к процессу мониторинга земной поверхности и околоземного космического пространства характеризуются жесткими ограничениями времени реагирования на изменение обстановки на объектах мониторинга. Для некоторых задач, таких, как мониторинг ОКМ, чрезвычайных ситуаций и т.п., это время ограничивается минутами или секундами. Применение для решения данных задач многоспутниковых КСМ с одной стороны обеспечивает необходимые условия удовлетворения этих требований за счет глобальности и непрерывности обзора, а с другой - требует применения новых подходов к управлению, основанных на замыкании процесса управления на бортовых средствах ОГ КСМ. Предложен-
195
ная в статье методика интеграции многоагентных моделей в технологию управления КСМ отражает специфику объекта управления и, в совокупности с исследованиями в области интеллектуальной обработки изображений, создает основу для обеспечения требуемых показателей.
Список литературы
1. Макеров А.И. Оценка реализуемости заявок потребителей в контуре оператора космических систем ДЗЗ // Дистанционное зондирование Земли из космоса в России. 2019. Вып. №1. С. 22-33.
2. Карсаев О.В. Обзор традиционных и инновационных систем планирования миссий космических аппаратов // Труды СПИИРАН. 2016. Вып. 48. С. 151-181.
3. ГОСТ Р 59079-2020. Данные дистанционного зондирования Земли из космоса. Типы данных дистанционного зондирования Земли из космоса. Введ. 2020-10-07. М.: Стандартинформ, 2020. 12 с.
4. Потюпкин А.Ю., Пантелеймонов И.Н., Тимофеев Ю.А., Волков С.А. Управление многоспутниковыми орбитальными группировками // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. 2020. Т. 7. Вып. 3. С. 61-70.
5. Привалов А.Е., Федяев В.В., Бугайченко П.Ю. Применение многоагентных технологий для построения имитационных моделей многоспутниковых орбитальных группировок дистанционного зондирования Земли // Труды конференции «Имитационное моделирование систем военного назначения ИМСВН - 2020». 2020. С. 219-228.
6. Привалов А.Е., Федяев В.В. Программа имитационного моделирования децентрализованного группового управления многоспутниковой орбитальной группировкой малых космических аппаратов. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2020667614; заявл. 24.12.2020; опубл. 12.01.2021, Бюл. № 69. 1,64 Мб.
7. Карсаев О.В. Имитационное моделирование автономного управления группировкой малых спутников // Известия ЮФУ. Технические науки. 2018. № 1 (195). С. 140-154.
8. Скобелев П.О. Планирование целевого применения группировки космических аппаратов дистанционного зондирования земли с использованием мультиагентных технологий / П.О. Скобелев, В.К. Скирмунт, Е.В. Симонова [и др.] // Известия ЮФУ. Технические науки. 2015. № 10 (171). С. 6070.
9. Городецкий В.И., Карсаев О.В. Самоорганизация группового поведения кластера малых спутников распределенной системы наблюдения //Известия ЮФУ. Технические науки. 2017. №01-02. С. 234-247.
10. Жиляев А.А. Методы и средства построения «цифровых двойников» процессов управления предприятиями на основе онтологий и мультиагентных технологий: дис. ... канд. техн. наук: 02.03.01 / Жиляев Алексей Александрович. Самара: 2021. 137 с.
Привалов Александр Евгеньевич, канд. техн. наук, докторант, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Зубачев Алексей Михайлович, канд. воен. наук, заместитель начальника, Россия, город Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Власов Роман Петрович, канд. техн. наук, начальник научно-исследовательской лаборатории, Россия, город Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского,
Данилюк Богдан Александрович, адъюнкт, Россия, город Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
METHOD FOR INTEGRATION OF MULTI-AGENT MODELS IN MULTI-SATELLITE CONTROL TECHNOLOGY SPACE MONITORING SYSTEMS
A.E. Privalov, A.M. Zubachev, R.P. Vlasov, B.A. Danilyuk
The article analyzes the existing technology for controlling space monitoring systems (CSM) using the example of space systems for remote sensing of the Earth, as well as the multi-agent models of CSM that have been developed to date. A new method of integrating multi-agent models as a "digital twin" into the existing management structure is proposed. The application of the technique will allow to close the control process on the onboard means of the KSM, which will significantly increase the efficiency of monitoring by reducing the duration of the control cycle.
Key words: multi-satellite space system, remote sensing, multi-agent model, control technology, digital twin.
Privalov Alexander Evgenievich, candidate of technical sciences, doctoral student, vka@mil.ru, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Zubachev Alexey Mikhailovich, candidate of the military candidate of sciences, deputy head of the department of management, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Vlasov Roman Petrovich, candidate of technical sciences, head of the research laboratory, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Danilyuk Bogdan Aleksandrovich, adjunct, Russia, St. Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky
УДК 623.43.01
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-197-203
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ КЛАССИЧЕСКИХ ПРИЕМОВ НА ОСНОВАНИИ ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ СЛОЖНЫХ ВНЕШНИХ ПРОФИЛЕЙ СТВОЛОВ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ
МАЛОКАЛИБЕРНЫХ ПУШЕК
А.В. Кулагин
Предлагается подход исследования статической прочности некруглого внешнего поперечного сечения камора-максимальное давление на дно снаряда ствола после одного выстрела в виде изобар некруглого профиля методом конечных элементов с использованием классических подходов оценки некоторых задач надежности, механики разрушения, теории лафетов, газодинамики и прочности на примере ствола 30 -мм автоматической малокалиберной пушки 2А72 (2А42).
Ключевые слова. малокалиберная автоматическая пушка, ствол, некруглый профиль, прочность, изобары, метод конечных элементов. кривые давлений, крешерный метод измерения давлений, внутренняя баллистика.
В сложившихся непростых геополитических условиях военных операций со стороны недружественных стран, действия руководящего состава армии РФ и непосредственно, выполняющих боевые задачи контрактного состава с применением высокоточного оружия дают высокие результаты.
Однако следует обратить внимание на недостаточную оценку эксплуатационного применения некоторых образцов малокалиберных автоматических пушек, устанавливаемых на боевых машинах пехоты (БМП) и стратегической авиации, что может выразиться в совершенствовании решения задач прочности, надежности, газодинамики, теории лафетов свободного и торможенного отката, внешней и внутренней баллистики, теории упругости и пластичности, экономической эффективности и ряда других задач [1-12].
Здесь речь пойдет о ствольном комплексе легендарной пушки 2А-42 (усовершенствованный вариант 2А-72), созданный коллективом тульского конструкторского бюро приборостроения (КБП) под руководством Шипунова А.Г., Грязева В.П., Швыкина Ю.С. Рис. 1, 2. (Открытые источники. Интернет).
Сразу уточняем, что исследуется казенная часть ствола (камора) и начальный участок канала до максимального давления снаряда рсНтах, где располагается снаряд и начинается его движение для основного периода внутренней баллистики. Казенная часть имеет сложный внешний профиль, который неравномерно нагружается в процессе выстрела, да еще и работает в условиях циклической термопластической перегрузки и эрозионного износа [1,3-12]. Изобарное распределение напряжений описывается методом конечных элементов (МКЭ) [14,15].
Оригинальность такой разработки заключалась в частности и на применении безградиентного пороха, сглаживающего баллистические кривые внутренних давлений снаряда в канале ствола при перепаде внешних температур +50°С штатной эксплуатации ствола. Рис. 3. Большинство параметров приведено в оригинале технической системы измерений. (Открытые источники. Интернет). [1]:
Ркн =Ргн (1 + -—); Ргн = Рт „ +Дрт,
"кнтах "снтах \ 2 qj "снтах t=15°С —
где ю-вес заряда, q- вес снаряда, Дрт-поправка на давления температурных кривых и практически для этого можно ориентироваться только на вторую параболу рт ° при температуре 15°С ствола-моноблока. [1].
Давление рт ° находится по таблицам Главного Артиллерийского Управления В.Е. Слухоц-
кого, Н.Ф. Дроздова по параметру заряжания - В, плотности заряжания А, ю, q или крешерным методом, например, ввинтным типом прибора с пересчетом по таражной таблице в ходе испытаний по деформации медного цилиндрического столбика для 2-х вариантов 8х13, 10х15 мм с предварительным обжатием. ГОСТ 3779-55. Столбики крешерные медные. База данных скорректирована в соответствии с ГОСТом 4752-79. Рис. 4, 5 [4,16-18].
