Математическое моделирование размещения береговой системы наблюдения Моисеев, Александр Иванович

Введение к работе

Актуальность

Одним из определяющих факторов развития государства является морское направление. Подтверждение этому – прохождение важных морских транспортных коммуникаций, а также наличие богатых биологических ресурсов. Нередко интересы суверенного государства в этой зоне сталкиваются с интересами других государств, становятся серьезной проблемой межгосударственных отношений. Часто встречаются случаи незаконной миграции, контрабанды, несанкционированной добычи морских биоресурсов, сброса токсичных отходов, нарушения пограничного режима и правил судоходства, террористических и пиратских действий.

Для защиты от возможных угроз суверенным государствам приходится внедрять и использовать такие системы морской безопасности как системы связи при бедствиях на море, системы судовых сообщений, системы управления движением судов, системы установления путей движения судов, системы освещения обстановки. Общей составной частью таких систем является береговая система наблюдения (БСН), целью которой является сбор информации о морской обстановке.

В современных условиях эффективное решение задачи обеспечения безопасности на морском направлении возможно только при наличии у командования и органов управления всех уровней достаточно полной, своевременной и достоверной информации об обстановке, и в первую очередь, данных о местонахождении и состоянии объектов своего и иностранных государств, а также о параметрах среды, в которой они выполняют свои задачи. Поэтому возникает необходимость построения таких БСН, которые создали бы все условия для реализации потенциала лиц, принимающих решения.

Важной задачей, требующей решения на первом этапе проектирования БСН, является размещение средств наблюдения (СН). Данному вопросу посвящены работы многих отечественных и зарубежных ученых. К примеру, решению вопросов, связанных с оценкой и оптимизацией эффективности наблюдения, посвящены работы Барвиенко В.В. и Ляпина В.Р., Щербакова Е.С., Осавчука Н.А. и Юдина В.Н., Гудкова Д.Е. Проблема построения специализированных информационных систем наблюдения разработана в трудах Омаровой Г.А., Линькова В.А., Липатовой С.В.. Значительный вклад в методологию размещения БСН внесли труды Михайловой Т.А., Абчука В.А. и Суздаля В.Г., Афанасьева А.А. и
Горбунова В.А..

Однако на сегодняшний день решение обозначенной проблемы проводится без комплексного учета таких требований, предъявляемых в целом к информационно-управляющим системам, как устойчивость, оперативность, непрерывность и скрытность. Данное положение обуславливает частный и локальный характер существующих на данный момент подходов к размещению БСН. Это не позволяет говорить о возможности иметь наилучшее расположение БСН на основе существующих методов и делает тему работы актуальной.

Объектом исследования являются береговые системы наблюдения.

Предметом исследования является расположение средств наблюдения как фактор повышения эффективности функционирования БСН.

Целью диссертационной работы является разработка способа размещения БСН, обеспечивающего повышение эффективности их функционирования. Для достижения поставленной цели в работе предусмотрено решение следующих задач.

1. Анализ задачи размещения БСН, в том числе:

   • разработка формальной постановки задачи;

   • уточнение типа БСН, для которых необходимо провести решение задачи;

   • установление класса сложности исследуемой задачи для определения стратегии ее решения.

2. Обеспечение методической и технической возможностей реализации процесса размещения БСН.

3. Определение существенных свойств БСН, разработка математической модели их качественных характеристик и формирование на ее основе подхода к оценке эффективности функционирования БСН.

4. Разработка метода размещения БСН, учитывающего текущее состояние морской обстановки и тактико-технические характеристики средств наблюдения.

5. Разработка программного комплекса, позволяющего повысить качество работы оператора при определении оптимального расположения БСН.

Методы исследования

В исследовании использованы методы математического моделирования, теории эффективности, теории управления, теории вычислений, комбинаторной оптимизации, а также объектно-ориентированного проектирования и программирования.

Научная новизна

В диссертации получены следующие новые результаты:

1. Разработаны структурная и функциональная модели БСН, отличительным свойством которых является техническая возможность управлять размещением БСН и оценивать их качественные характеристики.

2. Предложена математическая модель оценивания качественных характеристик БСН, основанная на учете данных о тактико-технических параметрах БСН и позволяющая сравнивать варианты их построения.

3. Проведен анализ временной сложности задачи размещения БСН, в результате которого доказана NP-полнота задачи путем приведения ее к типу задачи о рюкзаке.

4. Разработан способ размещению БСН, учитывающий особенности взаиморасположения средств и зон наблюдения, в том числе, многократное перекрытие наблюдаемого пространства и частичное наложение средств и зон наблюдения.

5. Разработан программный комплекс управления мобильными средствами наблюдения, реализующий предложенные методики и алгоритмы и позволяющий повысить эффективность деятельности по поиску оптимального расположения БСН.

Положения, выносимые на защиту

1. Построенные структурная и функциональная модели БСН создают техническую возможность управления размещением и позволяют оценивать качественные характеристики БСН.

2. Разработанная математическая модель оценивания качественных характеристик БСН, основанная на использовании данных об их тактико-технических параметрах, позволяет характеризовать БСН в целом как информационно-управляющую систему и сравнивать варианты их построения.

3. Предложенный численный метод решения общего случая задачи размещения БСН, основанный на жадном типе алгоритма, учитывает особенности взаимного расположения средств и зон наблюдения.

4. Разработанный программный комплекс управления мобильными средствами наблюдения, реализующий предложенные методы и алгоритмы, позволяет повысить эффективность деятельности по поиску оптимального расположения БСН и проводить экспериментальные исследования предложенного численного метода.

Практическая значимость

Полученные в результате исследования модели, алгоритм и программный комплекс позволяют проектантам БСН достигать в процессе своей деятельности следующих результатов:

4. 1. Повышение вероятности обнаружения и точности определения координат объектов наблюдения за счёт сосредоточения средств БСН в наиболее важных зонах наблюдения.

   2. Сокращение времени на перегруппировку средств наблюдения при помощи реализации процедуры планирования перемещения БСН.

   3. Оптимизация расходования средств за счёт приобретения только минимально достаточного количества средств наблюдения для обеспечения заданного уровня эффективности наблюдения.

   Достоверность

   Достоверность результатов обеспечивается строгостью постановок задач, корректным использованием математических методов при их решении и широким вычислительным экспериментом на основе компьютерного моделирования. Результаты исследования получили положительные экспертные оценки в процессе их внедрения.

   Апробация

   Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на кафедре «Информационных технологий» УлГУ, научно-техническом совете ФНПЦ ОАО «НПО «Марс», а также на следующих конференциях:

   1. VII Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии», ТПУ, г. Томск, 2009.

   2. VII Международная конференция «Математическое моделирование в физике, информационных технологиях, экономических и социальных систем и процессов», УлГУ, г. Ульяновск, 2009.

   3. 43-я научно-техническая конференция УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях», г. Ульяновск, 2009.

   4. Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи “Проведение научных исследований в области обработки, хранения, передачи и защиты информации”, г. Ульяновск, 2009.

   5. 44-я научно-техническая конференция УлГТУ «Вузовская наука в современных условиях», г. Ульяновск, 2010.

   6. Молодежная научно-техническая конференция ФНПЦ ОАО «НПО «Марс», г. Ульяновск, 2010.

   7. Международная конференция с элементами научной школы для молодежи «Перспективные информационные технологии для авиации и космоса», г. Самара, 2010.

   Реализация результатов исследования

   Полученная в результате исследования методика оценки качественных характеристик БСН использована при анализе тактико-технических характеристик загоризонтных радиолокационных станций, создаваемых ОАО НПК НИИДАР.

   Разработанная методика размещения средств наблюдения включена в НИР «Андромеда», выполненную в Научно-исследовательском испытательном полигоне 16 Центрального научно-исследовательского испытательного института Министерства обороны Российской Федерации.

   Разработанный программный комплекс ПКУМСН внедрен в состав специального программного обеспечения управления размещением мобильных средств наблюдения экспортного изделия, создаваемого в ФНПЦ ОАО «НПО «Марс».

   По реализации результатов исследования получены официальные документы.

   Публикации

   По теме диссертации опубликовано 17 работ, 3 из которых в изданиях из перечня ВАК, одна заявка на изобретение и зарегистрированный программный комплекс. Список публикаций приведен в конце автореферата.

   Личный вклад автора

   Постановка задачи исследования, разработка и исследование моделей, программная реализация алгоритмов, анализ полученных результатов и обоснование выводов выполнены соискателем самостоятельно.

   Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, 2-х приложений и списка использованных источников из 103 наименований. Основной текст диссертации изложен на 119 страницах и содержит 30 рисунков и 8 таблиц.

   Похожие диссертации на Математическое моделирование размещения береговой системы наблюдения

   

   Разработка и моделирование систем комплексирования разнородных наблюденийАникин Александр Александрович

   

   Математическое моделирование и разработка алгоритмов обнаружения и измерения параметров сторонних объектов в системах наблюдения Пешков Николай Николаевич

   Математическое моделирование размещения объектов транспортной системы и оптимизация грузовых потоковАлибеков, Байрамбек Исаевич

   

   Разработка и исследование моделей информационного центра системы наблюдения надводного суднаЧекал Елена Георгиевна

   Численное обращение времён первых вступлений для скважинных систем наблюдения в трансверсально-изотропных средахСердюков, Александр Сергеевич

   

   Разработка и исследование моделей и методов решения задач наблюдения в современных системах управления движениемГриняк Виктор Михайлович

   

   Математические модели и оценка параметров некоторых систем массового обслуживания по наблюдениям над периодом занятостиГлухова Елена Владимировна

   

   Моделирование алгоритмов комплексирования разнородных навигационных наблюденийПолканов Алексей Сергеевич

   

   Численное моделирование распространения пассивной примеси в атмосфере с использованием данных натурных наблюденийКиланова Наталья Владимировна

   

   Моделирование и оптимальное размещение установок индукционного нагреваШамаев Николай Владимирович