CC BY
72
Развитие полученных в данной работе идей связано с применением разработанной конструкции нейронных сетей на практике, обработкой реальных лидарных данных.
Литература
1. М.Ю. Катаев, А.Я. Суханов. Возможности метода нейронных сетей для восстановления профиля концентрации озона из лидарных данных / / Оптика атмосферы и океана. 2003. Т. 16. № 12. С. 1115-1119.
2. Комарцова Л.Г. Нейрокомпьютеры: Учеб. пособие для вузов / Л.Г. Комарцова, А.В. Максимов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 320 с.
3. V. David, A. Sanchez. On the design a class of neutral networks // Journal of Network and Computer Applications (1996) 19, 111-118.
Катаев Михаил Юрьевич
Д-р техн. наук, профессор кафедры автоматизированных систем управления ТУСУРа Телефон (домашний): (3822) 24 49 25 Эл. почта: [email protected]
Суханов Александр Яковлевич
Аспирант кафедры автоматизированных систем управления ТУСУРа Телефон (домашний): (3822) 41 35 12 Эл .почта: [email protected]
Kataev M. Yu., Sukhanov A. Ya.
Neural network optimization for solving an inverse task of laser sounding
Neural network optimization is perform in this work with the purpose of the best retrieving accuracy of an ozone profile concentration from lidar data. The various approaches to formation neural network, namely, choice of layers number, type of activation function, kind of neuron, volume of training samples and connections number are considered. The optimum design of neural network allowing to retrieving of an ozone concentration profile with the least error is chosen from the analysis of results of numerical modeling.
УДК 681.3:62-52
А.М. Кориков, М.А. Сонькин, А.А. Поздняков
Проблемы создания распределенных информационно-телекоммуникационных систем для задач мониторинга и управления
Рассматриваются проблемы создания территориально-распределенных информационно-управляющих телекоммуникационных систем (РИУТС) для задач мониторинга и управления. Выделены четыре группы проблем создания РИУТС и рассмотрены возможные подходы к их решению.
Введение
Развитие вычислительной техники, средств связи и информационных технологий обеспечивает возможность интеграции систем мониторинга и управления разного уровня и, в частности, создание распределенных информационно-телекоммуникационных систем для решения задач мониторинга и управления на больших территориях. Подобные системы создаются в интересах современных трансконтинентальных и транснациональных компаний, государственных лесных служб, гидрометеослужб, пограничных служб, военных комиссариатов, региональных авиабаз охраны лесов, структур МВД, МЧС и т.п. Проблемы создания больших территориально-распределенных информационно-управляющих телекоммуникаци-
онных систем (РИУТС) в последнее время обостряются в связи с известными исследованиями проблем устойчивого развития и разработкой новых парадигм как общемирового развития, так и развития России [1]. Под РИУТС понимается территориально-распределенный аппаратно-программный комплекс, обеспечивающий документированную пакетную передачу данных, в т.ч. видеоизображений, по проводным линиям, радиоканалу, спутниковой связи с целью автоматизированного и/или автоматического управления механическими комплексами, технологическими процессами, производствами, и, возможно, процессами в социально-экономической сфере. Отличительная технологическая особенность рассматриваемых систем заключается в использовании для сбора, обработки, передачи данных, видеоизображений и управления механическими комплексами, технологическими процессами и производствами специализированных микропроцессорных пакетных контроллеров. Основными компонентами РИУТС являются: центр управления и связи (ЦУС); удаленные стационарные узлы (УСУ); мобильные объекты (МО); механические комплексы (МК), технологические процессы (ТП), производства (П).
РИУТС предлагается создавать на основе информационно-телекоммуникационной системы (ИТС) оперативного назначения [2]. ЦУС, УСУ и МО оснащены компьютерными средствами, системой сбора, обработки и передачи данных на основе пакетных контроллеров [2]. При создании РИУТС на базе сети Internet возможно использование программных компонент системы мониторинга ISS — Intranet Security System. РИУТС обеспечивают решение разнообразных задач управления МК (ТП, П). Ограничим это разнообразие специальными задачами управления МК, в числе последних могут быть робототехнические комплексы (РТК). Подобные задачи имеют место при реализации программ исследования Мирового океана, Космоса, ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций и террористических акций, разминировании в зонах боевых действий и т. п.
Развитие компьютерных технологий в области цифровых методов передачи данных и видеоизображений предопределило возможность создания РИУТС (в том числе систем оперативного и специального назначения) с широким спектром заданных функциональных возможностей и интеграцией различных каналов связи в единый технологический комплекс обработки информации и управления МК (РТК). Системный анализ проблемы создания РИУТС позволяет выделить следующие подпроблемы: разработка функциональной структуры ИТС и модели взаимодействия основных компонентов; разработка цифровых методов и средств обработки, преобразования и передачи сигналов; проектирование алгоритмов управления МК (РТК), функционирующих в произвольных рабочих средах; создание РИУТС специального назначения для решения задач удаленного управления МК (РТК). Рассмотрим кратко и последовательно названные проблемы.
1. Разработка структуры ИТС и ее компонентов
Прежде всего отметим проблемы и задачи, постановка, исследование и решение которых в значительной мере определяют функциональные характеристики ИТС оперативной и специальной документированной связи, имеющей в своем составе МО (командно-штабные машины, оперативные группы, РТК и т. д.) и УСУ (метеостанции, авиаотделения и др.):
— проектирование структуры и функционала ИТС;
— разработка методов взаимодействия точечных объектов связи и локальных систем с глобальными телекоммуникационными системами и удаленными базами данных;
— разработка методов передачи данных в системах с изменяемой структурой;
— разработка технологии комплексного использования аппаратно-программной системы передачи данных по радиоканалу в КВ- и УКВ-диапазонах;
— разработка и применение специальных помехоустойчивых алгоритмов (протоколов) для обмена данными с МО и стационарными узлами связи на базе микропроцессорных терминалов;
— разработка адаптивного программного интерфейса между базами данных центра управления и геоинформационной системой;
— разработка и программная реализация алгоритма оперативного расчета и отображения на электронной карте в реальном масштабе времени координат маршрутов МО по спутниковым навигационным приборам.
Подходы к решению некоторых из перечисленных задач изложены в [2]. В основу проектных решений разрабатываемой системы заложены следующие основные принципы
построения распределенной территориальной системы: стратифицированное управление, интеграция различных каналов связи, единое информационное поле, пакетная передача информации.
Стратифицированное управление. Этот принцип определяет структуру ИТС и программного комплекса системы таким образом, чтобы их архитектура в максимальной степени соответствовала организационной структуре соответствующей области применения.
Для многоуровневого комплекса технических средств и специализированного программного обеспечения ИТС стратификация управления позволяет осуществить следующее:
— регулирование прохождения информационных потоков как с абонентской, так и с канальной стороны, в соответствии с разработанным алгоритмом работы;
— контроль качества и времени прохождения информации от момента ввода в систему до получения квитанции от корреспондента;
— определение единой структуры, единого (совместимого) программного обеспечения;
— сбор подготовленной абонентами информации и анализ функционирования системы.
Интеграция различных каналов связи. Техническая реализация принципа основана
на использовании пакетных контроллеров (выносных интеллектуальных пунктов) ВИП-М [3], позволяющих передавать информацию по КВ- и УКВ-радиоканалам, телефонным и телеграфным линиям, через абонентские терминалы спутниковых систем связи. Интеграция каналов связи значительно повышает уровень надежности и гибкости системы в целом.
Решение данной проблемы при организации стратифицированного адаптивного управления предусматривает анализ и выбор на каждом этапе функционирования системы допустимого варианта построения многостанционного доступа А = {А} (Ь = 1, Щ) . Каждый вариант оценивается по I показателям качества в результате чего формируется обобщенный вектор эффективности В* = {^} (] = 1,1).
Показатели эффективности функционирования пакетной радиосети существенно определяются областью применения. Например, для систем оперативного назначения основными показателями являются своевременность, достоверность и безопасность доставки пакетов до получателя, а для системы общего назначения наиболее значимыми являются степень использования общего канала и среднее время задержки при передаче пакетов.
Единое информационное поле. Реализация первых двух принципов обеспечивает, с одной стороны, объединение и автоматическую коммутацию всех информационных потоков (независимо от типа канала), а с другой, — формирование комплексной базы данных с типовой структурой информационных полей. Единое информационное поле в распределенных ИТС специального назначения определяется:
— единым временем, задаваемым центром управления и связи;
— единым протоколом обмена данными удаленных стационарных и мобильных объектов;
— единым способом формирования адресов абонентов;
— идентичным принципом нумерации сообщений;
— единым алгоритмом подготовки к передаче и обработки принятой информации;
— унифицированными базами данных специализированных рабочих мест центра управления и связи.
Пакетная передача информации. Этот принцип реализуется аппаратно-программными средствами пакетных контроллеров ВИП-М. Протоколы пакетной передачи информации, поддерживаемые этими контроллерами, обеспечивают высокую достоверность передаваемой информации. Принцип пакетной передачи информации обеспечивает:
— гибкое управление как системой в целом, так и ее элементами;
— сочетание централизованного и децентрализованного сбора, обобщения, анализа информации о работоспособности системы и ее элементов;
— гарантированное доведение сообщений путем автоматизированного поэтапного контроля прохождения информации (при необходимости — оперативная переадресация информационных потоков по резервным направлениям или повторная передача информации).
Для проведения структурного анализа, оценки временных характеристик функциональных программных модулей и протоколов передачи данных, оптимизации маршрутов ретрансляции данных по каналам связи необходимы модели ИТС. В рассматриваемых прикладных задачах возможно использование графовых моделей. Например, взаимосвязь функциональных задач, возлагаемых на пакетные контроллеры и вычислительный комплекс ЦУС,
целесообразно представить в виде информационной граф-схемы (ИГС). ИГС строится как
взвешенный ориентированный граф без петель О = (Х,и) , каждая вершина хЬ е X (Ь = 1, п)
которого соответствует функциональной задаче, а дуги ии, е V (Ь = 1, п , Ь' = 1, п , Ь Ф Ь ) определяют информационную взаимосвязь задач Ь и Ь'.
Для отображения структуры сети связи передачи и обработки информации строится топографическая граф-схема (ТГС), которая представляет собой взвешенный неориентированный граф без петель Е = (У, О) , где вершины у. е У соответствуют микропроцессорным пакетным контроллерам и вычислительному комплексу ЦУС, с которого должны осуществляться прием, передача и обработка результатов функциональных задач, объединенных в ИГС, и дуги , е О (у = 1,т , у' = 1,т , у ф }') обозначают каналы передачи, которые могут быть реализованы между узлами сети связи. При этом появляется возможность оперативно отображать на модели текущее состояние качества связи между отдельными узлами сети у.
и уу'. _
Весовыми характеристиками вершин у. (у = 1,т ) выбрано максимальное быстродействие ту пакетного контроллера и вычислительного комплекса, соответствующие им объем оперативной и постоянной памяти Эу . Весовыми характеристиками ребер служит пропускная способность линий связи , и расстояние между узлами сети связи. В свою очередь XУ, зависит не только от ширины полосы пропускания, но и от текущего состояния качества связи; определяется текущими координатами узлов сети связи (для подвижных объектов).
Для определения взаимосвязи между составом функциональных задач X и узлами сети связи У вводится понятие функциональной граф-схемы (ФГС), представляющей собой двудольный граф Н = (X, Я). При этом множество ИГС и множество вершин ТГС образуют множество X = X и У . Множество ребер Я = \г. ^; Ь = 1, п , у = 1,т формируется по следующему правилу: г.. = 1 , если у-му узлу сети связи требуется Ь-я функциональная задача и Ьу
гЬу = 0 , в противном случае. Следовательно в качестве модели структурных компонент многоуровневой системы пакетной передачи сообщений по каналу связи может использоваться граф общего вида Ь = (X, Р), где X = X и У - множество вершин, а Р = V и О и Я - множество ребер.
Возможные структуры ИТС приведены на рис. 1 и 2.
Центр управления и связи (информационный центр) взаимодействует с удаленными стационарными узлами через микропроцессорный пакетный контроллер ВИП-М [2], работающий в режиме концентратора каналов связи.
Удаленные стационарные узлы и мобильные (подвижные) объекты взаимодействуют с информационным центром через интеллектуальные абонентские устройства связи ВИП-М, которые могут быть сгруппированы по различным функционально-организационным признакам, например: «Административные образования», «Потенциально опасные производства», «Службы экстренного реагирования», «Оперативные группы» и т.д.
Таких уровней в системе может быть несколько. Глубина иерархии определяется в каждом конкретном случае требованиями области применения.
Организованный таким образом многоуровневый комплекс связи обеспечивает три функциональных режима:
1) связь — пакетная передача информации с использованием проводных линий, КВ- и УКВ-радиоканалов, а также спутникового канала связи («Гонец») ;
2) контроль — сбор, анализ и обобщение данных, поступающих от стационарных объектов, формирование базы данных, отображение маршрутов подвижных объектов на электронной карте, выдача информации о пройденном пути, площади замкнутого контура контролируемой территории и т. п.;
3) управление — передача на стационарный или мобильный объект указаний, распоряжений, сообщений и сигналов (звуковая, световая сигнализация и др.).
Важной составляющей рассматриваемых систем является выносной интеллектуальный пульт ВИП-М, представляющий собой комбинацию оконечного терминала и микропроцессорного пакетного контроллера (радиомодема). Внешний вид устройства ВИП-М приведен на рис. 3.
Рис. 1. Структура информационно-телекоммуникационной системы специального назначения
Рис. 2. Структура информационно-телекоммуникационной системы сбора и обработки метеоданных
Рис. 3. Внешний вид пакетного контроллера ВИП-М
Контроллер ВИП-М подключается на линейный вход выделенного канала и к любым серийно выпускаемым радиостанциям КВ- и УКВ-диапазонов, терминалу спутниковой системы связи «Гонец», телефонным и телеграфным линиям без изменений в их конструкции, при этом сохраняются все штатные режимы работы указанных средств. Общее представление о функционировании аппаратно-программного комплекса «ВИП-Гонец» дает рис. 4.
Развитая система стандартных интерфейсов позволяет подключать различные внешние устройства: компьютер, принтер, клавиатуру, аппаратуру спутниковой навигации, радиостанции, устройство светозвуковой сигнализации и др.
Работа ВИП-М осуществляется под управлением программного обеспечения (базового и прикладного), размещаемого в модулях постоянной памяти.
Прикладное программное обеспечение ВИП-М включает:
— коммуникационные процедуры для связи с аппаратурой спутниковой навигации, компьютером по последовательному интерфейсу (получение информации от спутникового приемоиндикатора: географические широта и долгота, время и др.);
— программы коммуникации по различным каналам связи (прием и получение информации, буферизация, выдача подтверждений, кодирование, организация повторов и др.);
— программы ввода/вывода текста, стандартизированных форм документов;
— программы для распечатки текстовых документов;
— программы передачи текстовой информации в коде Морзе.
АПК-ЦСД КА
ВИП-Гонец
Пакетный контроллер «ВИП-Гоне Радиомодем
GPS
приемник
Скорость = 2700 бод Объем за 1 мин = до 800 б
I P2 1 мин
ТО = 0,7-2 часа
Спутниковый терминал системы «Гонец» Антенна спутниковой Системы «Гонец»
Рис. 4. Аппаратно-программный комплекс «ВИП-Гонец»
t
2. Разработка цифровых средств наблюдения и архивации записей
При разработке цифровых средств сбора, хранения и анализа аудиовизуальной информации в числе важнейших проблем стоит проблема разнородности информации, поступающей с различных устройств и в различных форматах. В то же время, для работы системы необходим оперативный доступ к хранилищу записей с рабочих мест (узлов ИТС). Сформулируем основные требования, предъявляемые к подобным системам.
1. Масштабируемость — возможность наращивания ресурсов системы по мере увеличения объемов хранимой информации, количества источников данных, числа пользователей системы.
2. Универсальность доступа к информации — возможность получения требуемых записей при помощи широкого спектра клиентских устройств, способных воспроизводить эту информацию.
3. Открытость аппаратной части — возможность подключения к системе широкого спектра устройств сбора информации.
4. Простота доступа — легкий поиск записей в хранилище по различным параметрам, возможность наблюдения поступающей информации в реальном времени.
Требованиям универсальности доступа и масштабируемости для рассматриваемых приложений удовлетворяют средства сети Интернет. Сеть фактически выступает объединяющим звеном для связи разнородных устройств универсальными каналами передачи данных. При этом, естественно, возникают проблемы авторизации (контроля доступа), безопасности передачи, потерь данных и пропускной способности каналов, однако они успешно решаются сетевыми протоколами и производителями оборудования. Однако отмеченные выше новые приложения порождают новые, пока не решенные проблемы.
Выполнение требования открытости аппаратной части обеспечивает стандартизация протоколов коммуникации и форматов хранения и передачи данных. К ключевым в этой области следует отнести стандарты MPEG [4-6] и серию сетевых стандартов, известных под общим названием Ethernet [7-10]. MPEG-1 [4], MPEG-2 [5] и MPEG-4 [6] формализуют требования к синтаксису битового потока и инструментарий для представления аудиовизуальной информации. MPEG-7 определяет стандартный способ представления дескрипторов звуковой и видео информации (например, характеристики человеческого лица) для поиска и идентификации. Сетевые стандарты и протоколы [11] позволяют различным устройствам взаимодействовать друг с другом унифицированным способом.
При разработке программного обеспечения системы наблюдения предлагается использовать технологию DirectShow® [12] компании Microsoft®, основанную на модели програм-мых компонент. Эта технология позволяет разработчику программного обеспечения (ПО) конструировать приложения произвольной сложности из готовых программых модулей, называемых фильтрами, собирая их в граф, отражающий суть потока данных и управления между компонентами. На рис. 5 изображен пример графа для воспроизведения вещаемого по сети Интернет мультиплексированного потока, содержащего поток аудио и поток видео.
Рис. 5. Прием аудио и видеоданных из Internet
К настоящему времени разработан полный набор программных компонет для конструирования системы мониторинга Intranet Security System (ISS) под управлением ОС Microsoft Windows (платформа x86), включающий необходимые фильтры для приема и передачи данных по сети Интернет (протоколы UDP и RTP [11]), мультиплексирования, демультиплексирования, кодирования и декодирования видео и аудио в стандартах MPEG [4-6], фильтры-оболочки для некоторых аппаратных устройств оцифровки и ввода аудио и видео данных, а также ПО для промышленных и мобильных систем на базе процессоров семейств Nexperia® [13], ARM [14], MIPS [15] под управлением ОС pSOS и Linux [16].
Изложим основные принципы построения системы мониторинга цифровых средств наблюдения. Система мониторинга ISS предназначена для управления и использования глобальной системы регистрации аудио и видео информации. Система включает в себя множество устройств сбора аудио и видео информации, сервер управления, серверы хранения медиа-файлов и операторские станции для доступа к устройствам регистрации и хранилищу. Все компоненты системы соединены цифровыми линиями связи в единую сеть (рис. 6). Это может быть независимая частная сеть, принадлежащая некоторой организации или группе организаций (Интранет), прямое включение в существующую сеть Интернет, виртуальная корпоративная сеть крупного предприятия, распределенного на большой территории.
Мониторинг Запись и передача
Рис. 6. Система мониторинга цифровых средств наблюдения
ISS позволяет строить на этой основе системы наблюдения, охраны и регистрации практически любого уровня сложности: от простейшего регистратора телефонных звонков до глобальной сети наблюдения службы безопасности крупного предприятия или областного города (для спецслужб). Гибкая схема конфигурирования позволяет добавлять, удалять, включать и выключать отдельные компоненты системы с любого терминала, имеющего соответствующие права доступа. Система хранит базу данных всех событий, произошедших с момента запуска в работу. В любой момент можно определить, кто, когда и с какой станции имел доступ к тем или иным ресурсам, редактировал или просматривал медиа-данные.
Обеспечение защиты информации основано на системе безопасности Microsoft Windows и Microsoft Crypto API, что дает высокий уровень защиты от несанкционированного доступа и взлома, в том числе и с использованием аппаратных средств защиты.
Взаимодействие между отдельными компонентами системы соответствует международным стандартам [4-8], а в отсутствие таковых — общепринятым протоколам [11]. Это позволяет использовать систему в течение продолжительного времени, добавляя или заменяя по необходимости один или несколько элементов, не опасаясь, что новые версии программного обеспечения не будут поддерживать используемые форматы данных или протоколы передачи. Это свойство также обеспечивает возможность подключения к системе стандартных устройств других производителей.
3. Системное проектирование управляемых механических систем
В группу управляемых механических систем (УМС), в первую очередь, включаются промышленные роботы-манипуляторы. Из анализа проблемной ситуации, сложившейся к настоящему времени в промышленной робототехнике [3], следует необходимость разработки универсального аппарата компьютерного моделирования, обеспечивающего исследование на единой методической и программно-алгоритмической основе как кинематики и динамики отдельных механизмов и машин, так и УМС в целом, а также планирование траекторий перемещения программно-управляемых механизмов с учетом находящихся в рабочей зоне обслуживания препятствий.
Системный анализ проблемы моделирования УМС позволяет сформулировать следующую цель: решение актуальной научно-технической проблемы математического моделирования оптимального или локально-оптимального и безопасного функционирования управляемых механических систем в произвольных рабочих средах на основе исследования геометрических, кинематических и динамических характеристик сложных механических систем и синтеза алгоритмов их управления.
Эта проблема декомпозируется на следующие подпроблемы:
1) синтез модели УМС и рабочей среды;
2) определение ошибок проектирования УМС путем проведения геометрических, кинематических и динамических расчетов и анализа функционирования УМС при выполнении типовых технологических операций;
3) синтез оптимальных (локально-оптимальных) законов управления УМС, обеспечивающих безаварийное выполнение заданных технологических операций в произвольных рабочих сценах с различной информацией о препятствиях;
4) обеспечение безопасности функционирования УМС для обслуживающего персонала и окружающего оборудования путем проведения геометрических, кинематических и динамических расчетов функционирования УМС при выполнении конкретных технологических операций;
5) создание средств отображения, объяснения, накопления, сохранения и дальнейшей обработки результатов моделирования УМС, включая передачу информации во внешние системы.
В каждой подпроблеме выделены задания, которые, в свою очередь, конкретизируются в задачи. В реальных условиях при выполнении этапов исследования возникает необходимость большей их детализации или, наоборот, обобщения. Подобные обобщения полезны и необходимы при разработке и создании теории исследуемого класса систем. В нашем случае обобщенные задачи состоят в следующем.
1. Разработать метод описания сложных механических устройств, допускающий оперативное манипулирование его структурой и позволяющий выполнять комплексное исследование управляемых механических систем (геометрический, кинематический, динамический и смешанные режимы анализа).
2. Разработать алгоритмы автоматизированного построения и анализа модели исследуемого объекта для выполнения геометрического, кинематического и динамического режимов анализа.
3. Разработать библиотеку математических моделей компонентов для исследования широкого круга управляемых механических систем.
4. В рамках выбранного математического представления УМС разработать алгоритмы планирования траектории перемещения рабочего органа УМС в рабочей среде с препятствиями, а также построения законов управления приводами исполнительного механизма УМС для выполнения перемещения рабочего органа по заданной траектории с последующей проверкой на исполнимость построенной траектории.
5. Разработать интегрированный комплекс проблемно-ориентированных программ, обеспечивающий планирование траектории перемещения рабочего органа УМС, построение функций управления приводом исполнительного механизма УМС, анализ пространственного расположения УМС, расчет кинематических и динамических характеристик функционирования УМС. Диалоговый интерфейс следует выполнить с применением контроля входных данных, а на этапе синтеза и анализа моделируемого объекта использовать графические средства.
Разработанная и описанная система [3] позволяет эффективно решать многие задачи, связанные с проектированием и моделированием роботов, реализована на объектно-ориен-
тированном языке программирования Object Pascal 2 в среде Delphi и предназначена для работы на IBM-совместимых компьютерах под управлением операционных систем Windows 95/98, NT.
В настоящее время выполнена модернизация системы автоматизированного моделирования и проектирования (САМП). Модифицированная САМП применяется для моделирования и проектирования УМС, оснащенных тактильными, ультразвуковыми и инфракрасными датчиками. Для задания рабочей среды разработан специализированный графический редактор. С его помощью выполняется визуальное формирование рабочей среды на основе примитивов и моделей устройств, хранящихся в библиотеке моделей механизмов. В [3, 17] планирование движения УМС осуществлялось без учета динамики. В модифицированной САМП [18] алгоритмы трассировки учитывают динамические моменты сил, действующие на звенья УМС. Разработан спектр базовых алгоритмов построения плана траектории движения УМС. Выбор конкретного алгоритма при проектировании и моделировании возлагается на интеллектуальную информационную систему (ИИС) [19]. ИИС решает следующие задачи: поиск или конструирование объекта с заданными свойствами при соблюдении установленных ограничений, поддержка принятия решений, анализ полученных результатов и объяснение, как получено то или иное решение. В процессе поиска или конструирования объекта ИИС использует базу знаний об образцах, выпускаемых промышленностью, а также данные об агрегатно-модульных блоках, используемых при конструировании.
В результате модернизации САМП удалось значительно расширить спектр решаемых задач по проектированию УМС. Применение ИИС позволяет накапливать информацию о выполненных проектах УМС. Модернизированная САМП обеспечивает проектирование УМС, эффективно функционирующих в произвольных рабочих средах.
4. Проблемы создания РИУТС специального назначения
Из анализа принципов построения известных распределенных ИТС [2] следует, что данные системы являются многоканальными, их каналы связи имеют низкую пропускную способность и ограниченные вычислительные ресурсы на нижнем уровне. Задача передачи видеоизображений и управления механическими комплексами и, в частности, РТК [3] предполагают использование каналов связи с более высокой пропускной способностью и более значительных вычислительных ресурсов для обеспечения работы МК (РТК) в реальном масштабе времени. Противоречивость требований и проблемность изложенной ситуации очевидна.
Низкая пропускная способность каналов связи РИУТС обостряет актуальность проблем кодирования, сжатия данных и проблем создания интеллектуальных систем управления механическими, в т.ч. робототехническими комплексами. Первая группа проблем рассмотрена выше в разд. 2 и в отмеченных там же публикациях [4-16].
Рассмотрим детальнее вторую группу проблем. В [20] отмечается, что в теории интеллектуального управления до настоящего времени отсутствует устоявшаяся терминология и однозначное понимание существа протекающих в интеллектуальных системах управления (ИСУ) процессов, однако характерным отличием ИСУ от предшествующих типов систем автоматического управления (САУ), в том числе адаптивных САУ, является взаимодействие с внешней средой, которая для ИСУ является не только источником возмущений, но и источником информации. ИСУ — информационно связанные с реальным внешним миром системы, которые «живут» в естественном внешнем мире и перерабатывают информацию из этого мира. Для ИСУ справедливы следующие пять принципов:
— информационное взаимодействие ИСУ с реальным внешним миром с использованием специально организованных информационных каналов связи;
— принципиальная открытость системы для повышения интеллектуальности и совершенствования собственного поведения;
— наличие механизмов прогноза изменений внешнего мира и собственного поведения системы в динамически меняющемся внешнем мире;
— многоуровневая иерархическая структура, построенная в соответствии с правилом: повышение интеллектуальности и снижение требований к точности по мере повышения ранга иерархии в системе, и наоборот;
— сохраняемость функционирования (возможно, с некоторой потерей качества или эффективности, т. е. с некоторой деградацией) при разрыве связей или потере управляющих воздействий от высших уровней иерархии.
Поясним кратко суть перечисленных принципов. Первый принцип подчеркивает непосредственную связь ИСУ с внешним миром. Находясь в непрерывном взаимодействии с внешним миром, ИСУ получает из него всю необходимую информацию для принятия решений и пополнения знаний. ИСУ, в свою очередь, может оказывать на внешний мир непосредственное активное воздействие в результате реализации собственного поведения. Модель знаний о внешнем мире ИСУ должна предполагать в этом смысле возможность изменений внешнего мира и знаний о нем в результате собственных на него воздействий. Принципиальная открытость систем в соответствии со вторым принципом обеспечивается наличием таких уровней высшего ранга в иерархической структуре ИСУ, как самонастройка, самоорганизация и самообучение. Система знаний ИСУ состоит из двух частей: постоянных (проверенных) знаний, которыми ИСУ обладает и постоянно пользуется, и временных (проверяемых) знаний, в которых система не уверена, с которыми она экспериментирует в процессе обучения. Знания второго типа либо отбрасываются ИСУ, либо переходят в знания первого типа в зависимости от результатов анализа своего поведения во внешнем мире. Выполнение второго принципа требует организации в ИСУ процесса приобретения и пополнения знаний. В соответствии с третьим принципом ИСУ нельзя считать в достаточной мере интеллектуальной, если она не обладает возможностью прогноза изменений самого внешнего мира и собственного в нем поведения (в динамически изменяющемся внешнем мире). Система без прогноза, функционирующая именно в динамически меняющемся внешнем мире, может попасть в критическую ситуацию, из которой не сможет найти выхода из-за временных ограничений на работу механизмов формирования управляющих воздействий, определяющих ее поведение, адекватное сложившейся ситуации. Примером могут служить автономно функционирующие интеллектуальные роботы в экстремальных ситуациях. Четвертый принцип позволяет наметить пути построения моделей ИСУ в тех случаях, когда неточность знаний о модели САУ или ее поведении можно скомпенсировать за счет увеличения числа уровней интеллектуальности, а также за счет использования совершенных механизмов принятия решений в условиях неопределенности в алгоритмах управления ИСУ. Пятый принцип устанавливает лишь частичную потерю интеллектуальности, но не прекращение функционирования при отказах в работе высших уровней иерархии ИСУ. Сохранение автономного функционирования в рамках более простого (автономного) поведения системы, характерного для нижних уровней структуры управления, также чрезвычайно важно для автономно функционирующих систем в реальном внешнем мире. Примером могут служить интеллектуальные роботы. Перечисленные пять принципов построения ИСУ позволяют ввести понятия «интеллектуальность в малом» и «интеллектуальность в большом» [20].
Механические комплексы, оснащенные ИСУ, способны эффективно решать специальные задачи на основе краткой документированной пакетной передачи данных и кодированных (сжатых) видеоизображениях, полученных по каналам связи РИУТС.
Отметим, что проектирование интеллектуальных РИУТС требует решения не только перечисленных выше задач, сохраняет свою актуальность и еще более обостряется целый круг задач, связанных с описанием объектов и выбором алгоритмов обработки информации и управления на каждом уровне иерархии РИУТС и ИСУ, анализом процессов в дискретно-непрерывных каналах и др. Традиционные для ИТС проблемы структурной и параметрической оптимизации, защиты компьютерной информации и информационной безопасности в силу отмеченных выше требований к РИУТС имеют для данных систем особую актуальность.
Заключение
Итак, рассмотрены четыре группы проблем создания больших РИУТС и возможные пути их решения. Отметим, что рассматриваемые РИУТС имеют повышенную сложность и ресурсоемкость по сравнению с известными информационными системами (ИС), так как обрабатывают не только сигналы и данные (как обычные ИС), но и работают с информационными потоками в области формирования управляющих воздействий (принятия реальных управляющих решений) на объекты управления (МК (РТК), ТП, П). В этой связи особую значимость приобретают междисциплинарные проблемы, возникающие на стыке теории ин-
формационных процессов и систем, теории связи, теории кодирования и сжатия информации и теории управления. Для современных социально-экономических условий, сложившихся в нашей стране [1], создание рассматриваемых систем имеет долговременную перспективу.
Литература
1. Новая парадигма развития России в XXI веке. Комплексные исследования проблем устойчивого развития: идеи и результаты / В.А. Коптюга, В.М. Матросов, В.К. Левашов. Изд. 2-е. М.: Academia, 2000. 416 с.
2. Сонькин М.А. Принципы построения интегрированных информационно-телекомму-ни-кационных систем оперативного назначения // Вычислительные технологии. Т. 8. Спец. вып. 2003. С. 148-156.
3. Горитов А.Н. Оптимальность в задачах проектирования и управления роботами // Автоматика и телемеханика / А.Н. Горитов, А.М. Кориков. 2001. № 7. С. 82-90.
4. ISO/IEC 11172-1: Information technology — Coding of moving pictures and associated audio for digital storage media at up to about 1,5 Mbit/s. Part 1: Systems, 1993.
5. ITU-T Recommendation H.222.0 (1995) | ISO/IEC 13818-1:1996, Information technology — Generic coding of moving pictures and associated audio information: Systems.
6. ISO/IEC 14496-1, Information technology — Coding of Audio-Visual Objects — Part 1: Systems, 2003.
7. IEEE Standards for Information Technology — Telecommunication & Information Exchange Between Systems - LAN/MAN - Specific Requirements - Part 3: Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications. IEEE, 2002.
8. ISO/IEC 8802-11: 1999 | IEEE Standards for Information Technology — Telecommunications and Information Exchange between Systems — Local and Metropolitan Area Network — Specific Requirements — Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications.
9. O'Hara В. The IEEE 802.11 Handbook: A Designers Companion / B. O'Hara, Al Petrick. IEEE, 1999.
10. Пискунов Г.С. Беспроводные радиосети // Мир компьютерной автоматизации. 1995. № 4.
11. Schulzrinne H. RTP: A Transport Protocol for Real-Time Applications / H. Schulzrinne, S. Casner, R. Frederick, V. Jacobson // RFC 3550, July 2003.
12. Pesce M.D. Programming Microsoft DirectShow for Digital Video and Television. Microsoft Press, 2003.
13. Гладкова И. Архитектурное строительство в мире цифровой обработки сигналов // Мир компьютерной автоматизации. 2001. № 3.
14. Furber S.B. ARM System-on-Chip Architecture // Addison-Wesley Longman, 2000.
15. Farquhar Е. The MIPS Programmer's Handbook / E. Farquhar, P. Bunce. Morgan Kaufman, 1994.
16. Вархол П. Linux во встроенных системах и системах реального времени // Мир компьютерной автоматизации. 2000. № 4.
17. Горитов А. Н. Системный анализ проблемы моделирования управляемых механизмов / А. Н. Горитов, А. М. Кориков // Системный анализ в проектировании и управлении. Труды VI Междунар. науч.-техн. конф. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2002. С. 379-383.
18. Горитов А. Н. Кориков А. М. Автоматизированное проектирование управляемых механических систем / А. Н. Горитов, А. М. Кориков // Системный анализ в проектировании и управлении. Труды VII Междунар. науч.-техн. конф. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2003. С. 571-573.
19. Змитрович А.И. Интеллектуальные информационные системы. Минск: ТетраСис-темс, 1997. 368 с.
20. Кориков А.М. Основы теории управления. Томск: Изд-во НТЛ, 2002. 392 с.
Кориков Анатолий Михайлович
Д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой автоматизированных систем управления ТУСУРа Телефон (служебный): (3822) 41 42 79 Эл. почта: [email protected]
Сонькин Михаил Аркадьевич
Канд. техн. наук, директор Отдела проблем информатизации ТНЦ СО РАН Телефон (служебный): (3822) 42 12 80 Эл. почта: [email protected]
Поздняков Андрей Александрович
Vise President Research & Development «Moonlight Cordless LTD» Телефон (служебный): (3822) 49 22 14 Эл. почта: [email protected]
A.M. Korikov, M.A. Son'kin, A.A. Pozdnakov
Problems of distributed informational telecommunicational systems creation for monitoring and control tasks solving
Development of geographically-distributed informational telecommunicational control systems (DITCS) for monitoring and control tasks meets a different type of problems. The four groups of these problems are marked out and some different approaches of its solving are considered.
УДК 658.012.011.56:061.14 Е.В. Корниенко
Проблемы описания производственного процесса в информационных системах управления предприятием пищевой промышленности
В статье рассматриваются проблемы, которые могут возникнуть при описании производственного процесса в информационных системах управления промышленным предприятием в рамках управленческого учета. Предложен один из возможных вариантов решения для кондитерского производства.
Современные информационные системы управления предприятием в настоящее время переживают новый качественный этап своего развития. Это связано с рядом причин, наиболее значимыми из которых являются следующие:
— достаточно хорошая проработка вопросов описания и моделирования основных бизнес-процессов управления современным предприятием на основе стандартных, хорошо зарекомендовавших себя методик, поддерживаемых специализированными программными продуктами известных производителей;
— развитие рынка консалтинговых услуг как следствие роста спроса на организацию системного управления предприятием и оптимизацию бизнес-процессов;
— общедоступность широкого ряда современных высокопроизводительных программно-аппаратных платформ обработки данных, позиционируемых для использования в разных сегментах бизнеса: от малого до крупного;
— качественный скачок в развитии рынка телекоммуникационных услуг;
— отчасти определившаяся правовая база защиты интеллектуальной собственности в области развития и использования информационных технологий;
— появление на рынке корпоративных информационных технологий нескольких крупных разработчиков, технологии которых, по сути, стали стандартом, описывающим большинство типовых бизнес-процессов в бухгалтерском, управленческом, финансовом и других видах учета;
