CC BY
35
УДК 004.04
Сигов А.С., Нечаев В.В., Баранюк В.В., Смирнова О.С.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский технологический университет» (МИРЭА), г Москва, Россия
ПОДХОДЫ К ФОРМИРОВАНИЮ ЕДИНОГО ИНФОРМАЦИОННОГО-УПРАВЛЯЮЩЕГО ПОЛЯ СМЕШАННЫХ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ ГРУППИРОВОК
АННОТАЦИЯ
В докладе представлены основные подходы к формированию единого информационно-управляющего поля - среды, в которой осуществляется дистанционный обмен информацией и автоматическое (автоматизированное) решение задач управления в смешанных робототехнических группировках.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Смешанные робототехнические группировки, стратегии коллективного управления, централизованное управление, децентрализованное управление, роевой интеллект, информационное взаимодействие, пертинентные информационные потоки.
Sigov A.S., Nechaev V.V., Baranyuk V.V., Smirnova O.S.
Federal State Educational Institution of Higher Education «Moscow Technological University» (MIREA),
Moscow, Russia
APPROACHES TO GROUP CONTROL AND INFORMATION-DRIVEN INTERACTION IN
HETEROGENEOUS ROBOT SQUADS
ABSTRACT
The former article regards primary approaches to forming the single environment for control and data exchange. Its main goal is to provide facilities for information interchange and automatic (automated) control task solution in heterogeneous robot squads.
KEYWORDS
Heterogeneous robot squads; strategies for group control; centralized control; decentralized control; swarm intelligence; information-driven interaction; pertinent data flows.
Введение
Смешанные робототехнические группировки находят широкое применение при решении сложных задач в различных предметных областях от поисковых работ на местах техногенных и природных катастроф до сбора разведывательных данных. Функционирование объектов в составе смешанных робототехнических группировок предполагает наличие интеллектуальных и коммуникативных возможностеи у каждого из них для реализации группового управления, планирования поведения и распределения задании, обработки и обобщения разнороднои сенсорнои и команднои информации.
В вопросе эффективного использования смешанных робототехнических группировок центральное место занимают стратегии группового управления и информационного взаимодеиствия, именно поэтому данныи доклад посвящен подходам к формированию единого информационно-управляющего поля - среды, в которои осуществляется дистанционныи обмен информациеи и автоматическое (автоматизированное) решение задач управления. Информационно-управляющее поле должно содержать полную, актуальную, достоверную информацию, необходимую для управления смешанными робототехническими группировками.
Основнои целью создания информационно-управляющего поля является повышение эффективности решения поставленных задач за счет совершенствования информационнои поддержки процессов управления смешанными робототехническими группировками. Естественно, что наличие большого числа объектов, которые могут являться не только потребителями, но и источниками актуальнои информации, а также их территориальная распределенность
обуславливают сложность создания информационно-управляющего поля.
Важными аспектами при создании информационно-управляющего поля являются установление единых правил и порядка описания, представления, формирования и использования информационных ресурсов. При этом важно обеспечивать идентичность одинаковых информационных ресурсов во всех объектах группировки и центре управления, а также однозначность их понимания всеми участниками.
При создании информационно-управляющего поля необходимо обеспечить:
- консолидацию актуальной полнои информации;
- установление единых правил формирования информации;
- возможность своевременнои и гарантированнои доставки информации объектам сообщества и др.
Следует учитывать возможность изменения перечня и содержания задач, стоящих перед объектами, поскольку это может приводить к возрастанию информационных потребностеи объектов и усложнению обеспечения соответствия передаваемои информации конкретным информационным потребностям каждого объекта в смешаннои робототехническои группировке.
Подход к групповому управлению смешанными робототехническими группировками
Системы группового управления подразделяются на централизованные, имеющие единыи центр управления и планирования, а также на децентрализованные, в которых планирование коллективных деиствии в группе производится каждым из ее членов самостоятельно исходя из условии достижения общих целеи.
Централизованная система управления при решении задач анализа для достижения поставленнои цели, сбора, комплексирования и интерпретации данных об особенностях текущеи ситуации, рабочеи обстановки и состоянии внешнеи среды, а также планирования целесообразных деиствии и контроля за их реализациеи конкретными исполнителями обладает значительно большими возможностями поиска оптимального решения по сравнению с децентрализованными системами. Следует отметить, что при организации централизованнои системы управления также значительно меньше функциональная нагрузка на рядовых членов группировки, что соответственно способствует меньшему энергопотреблению по сравнению с функционированием объектов в децентрализованных системах. При этом большим недостатком организации подобного управления является уязвимость системы, поскольку выход из строя командного узла неизбежно приводит к нарушению работоспособности системы в целом.
Децентрализованные системы, т.е. системы, в которых каждьш элемент, обладает собственными логическими средствами, необходимыми для выполнения своиственнои ему задачи, можно назвать распределенным или роевым интеллектом. Роевои интеллект подразумевает взаимодеиствие объектов группировки на основании определенных алгоритмов - роевых алгоритмов, подробныи обзор которых представлен авторами в работах [1, ..., 3].
Основным достоинством децентрализованнои системы управления является отказоустоичивость - при выходе из строя одного или нескольких элементов система сохраняет работоспособность. При этом в рамках даннои стратегии управления на каждого члена группировки возлагается большои функционал, во многом дублирующиися при решении задач оценки общей обстановки и планирования необходимых действий для достижения общих целей.
Рис. 1. Классификация стратегий группового управления В свою очередь, в зависимости от возможности согласования индивидуально принимаемых решении, стратегии децентрализованного управления делятся на коллективные (с непосредственным обменом информациеи между всеми членами группировки) и стаиные (с опосредованнои связью на основе анализа изменении среды и обстановки при отсутствии
взаимной передачи данных). При стаином управлении обеспечение групповых взаимодействий по существу ограничивается описанием постановки общеи прикладнои задачи и ее последующим доведением до отдельных объектов-исполнителеи, которые должны обладать достаточным уровнем интеллектуальных и функциональных возможностеи для принятия и реализации решении о форме и доле своего участия в достижении поставленнои цели. На рисунке 1 представлена классификация стратегии группового управления [4].
б) Переход от коллективного управления к стайному при перекрытии каналов связи
Резервный центр
восстановлении каналов связи Рис.2. Концептуальная схема подхода к групповому управлению смешанными робототехническими
группировками
С точки зрения расширения функциональных возможностеи мультиагентных систем (систем, состоящих из множества агентов, коллективно решающих общую задачу) предлагается использование подхода, основанного на смешаннои или гибриднои системе управления - системе, меняющеися в зависимости от ситуационного развития. Данньш подход предполагает
первоначальное использование централизованного управления, которое в случае выхода из строя командного центра и в период перехода к резервному центру управления, заменяется на коллективное управление (рисунок 2а). Следует отметить, что в системах централизованного и коллективного управления необходимо наличие каналов двустороннеи связи между всеми членами группировки для координации выполняемых ими деиствии и обмена информациеи о текущем состоянии внешнеи среды.
При этом каналы связи являются потенциально уязвимыми элементами функционирования любои системы, при отсутствии которых предлагаемыи подход к управлению подразумевает возможность перехода от коллективнои стратегии к стаинои (рисунок 2б). По факту восстановления каналов связи и подключения резервного центра управления, стратегия управления меняется со стаинои вновь на централизованную (рисунок 2 в).
Использование подхода, основанного на смешаннои (гибриднои) системе управления, меняющеися в зависимости от ситуационного развития, позволяет совместить в смешаннои робототехническои группировке все основные достоинства рассмотренных выше стратегии управления: высокие возможности поиска оптимального решения в условиях нормального функционирования и отказоустоичивость. Кроме этого, возможно достижение поставленных целеи (решение поставленных задач) в усложненных условиях функционирования и в условиях неопределенности при выходе из строя командного центра управления.
На рисунке 2 представлена концептуальная схема подхода к групповому управлению смешанными робототехническими группировками.
Подход к информационному взаимодействию в смешанных робототехнических группировках
Важным вопросом в процессе функционирования смешанных робототехнических группировок является обмен информациеи между объектами (агентами) системы. Передаваемая информация является основным элементом при коллективнои стратегии управления в смешанных робототехнических группировках.
Следует отметить, что с точки зрения быстродеиствия, эффективности и энергопотребления на объекте должна осуществляться только целенаправленная обработка полученных данных, т.е. данных с высокои релевантностью (степенью соответствия получаемых данных, требуемым данным). Именно поэтому в рамках информационного взаимодеиствия для решения поставленных задач объекты смешанных робототехнических группировок должны обмениваться только пертинентными информационными потоками - информационными потоками, характеризующимися степенью близости ожидаемого и полученного результатов. Пертинентные информационные потоки соответствуют конкретным информационным потребностям каждого объекта в смешаннои робототехническои группировке, что не требует дополнительных ресурсов на обработку принимаемои информации.
Для достижения пертинентности информационных потоков в смешанных робототехнических группировках предлагается подход, основанныи на конкретизации передаваемои информации. Т.е. объект, передающии информацию, полученную из внешнеи среды, классифицирует ее и передает дальше с соответствующим сигналом, по которому принимающии объект группировки определяет необходимость приема для себя даннои информации. При подобном обмене информациеи каналы связи будут перегружены, но в условиях неопределенности (при выходе из строя центрального пункта управления) такои переизбыток информации оправдан.
Концептуальная схема обмена пертинентными информационными потоками отображена на рисунке 3.
Объект 1 передает данные, классифицированные к примеру, как информация о принятом звуковом сообщении и отмеченные соответствующим сигналом, которыи на рисунке отображен синим фоном. Эта информация требуется только объектам 3 и 6 - для них это является пертинентным информационным потоком, которыи они принимают, для остальных объектов (2, 4, 5, 7) передаваемая информация бесполезна и остается не замеченной Аналогично происходит с данными, передаваемыми объектом 7, классифицированными к примеру, как информация о содержании токсичных веществ в воздушном пространстве, и отмеченные соответствующим сигналом, которыи на рисунке отображен розовым фоном. Объекты 1 и 2 получили свои сигнал о пертинентном информационном потоке и начали его прием. Для объектов же 3, 4, 5, 6 информационным поток остался не замеченным в силу его не востребованности.
Рис.3. Концептуальная схема обмена пертинентными информационными потоками Заключение
Использование предложенного интегрированного подхода к групповому управлению и обеспечению информационного взаимодействия в мультиагентных системах позволит сформировать основу для построения единого информационно-управляющего поля, использование которого позволит повысить эффективность и уменьшить ресурсозатратность функционирования смешанных робототехнических группировок при решении сложных задач.
Исследование выполнено федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением высшего образования «Московский технологический университет» (МИРЭА) за счет гранта Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 16-2904326).
Литература
1. Баранюк В.В., Смирнова О.С. Роевой интеллект как одна из частей онтологической модели бионических технологий. International Journal of Open Information Technologies. Том 3, № 12, 2015. с.13 - 17.
2. Баранюк В.В., Смирнова О.С. Детализация онтологической модели по роевым алгоритмам, основанным на поведении насекомых и животных. International Journal of Open Information Technologies. Том 3, № 12, 2015. с.18 - 27.
3. Смирнова О.С., Богорадникова А.В., Блинов М.Ю. Описание роевых алгоритмов, инспирированных неживой природой и бактериями, для использования в онтологической модели. International Journal of Open Information Technologies. Том 3, № 12, 2015. с. 28 - 37.
4. Макаров И.М., Лохин В.М., Манько С.Л., Романов М.Л., Александрова Р.Л. Смешанные стратегии группового управления в многоагентных робототехнических системах. Известия ЮФУ. Технические науки. с.8 - 12.
References
1. Baranyuk V.V., Smirnova O.S. Roevoy intellekt kak odna iz chastey ontologicheskoy modeli bionicheskikh tekhnologiy. International Journal of Open Information Technologies. Vol 3, № 12, 2015. p.13 - 17.
2. Baranyuk V.V., Smirnova O.S. Detalizatsiya ontologicheskoy modeli po roevym algoritmam, osnovannym na povedenii nasekomykh i zhivotnykh. International Journal of Open Information Technologies. Vol 3, № 12, 2015. p.18 - 27.
3. Smirnova O.S., Bogoradnikova A.V., Blinov M.Yu. Opisanie roevykh algoritmov, inspirirovannykh nezhivoy prirodoy i bakteriyami, dlya ispol'zovaniya v ontologicheskoy modeli. International Journal of Open Information Technologies. Vol 3, № 12, 2015. p. 28 - 37.
4. Makarov I.M., Lokhin V.M., Man'ko S.L., Romanov M.L., Aleksandrova R.L. Smeshannye strategii gruppovogo upravleniya v mnogoagentnykh robototekhnicheskikh sistemakh. Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki. p.8 - 12.
Поступила: 11.09.2016
Об авторах:
Сигов Александр Сергеевич, президент Московского технологического университета, академик Российской академии наук, доктор физико-математических наук, профессор, [email protected];
Нечаев Валентин Викторович, заведующий междисциплинарной научно-инновационной лаборатории Информационной бионики и моделирования, профессор кафедры интеллектуальных технологий и систем Московского технологического университета (МИРЭА), кандидат технических наук, [email protected];
Баранюк Валентина Валентиновна, старший научный сотрудник междисциплинарной научно-инновационной лаборатории Информационной бионики и моделирования, доцент кафедры интеллектуальных технологий и систем Московского технологического университета (МИРЭА), кандидат технических наук, старший научный сотрудник, [email protected];
Смирнова Ольга Сергеевна, младший научный сотрудник междисциплинарной научно-инновационной лаборатории Информационной бионики и моделирования, ассистент кафедры интеллектуальных технологий и систем Московского технологического университета (МИРЭА), [email protected].
