Введение к работе
Актуальность работы. Любое современное морское судно решает навигационные и другие задачи, используя разнородную и богатую первичную информацию, поступающую в его систему управления из многочисленных источников. Одной из важнейших форм интеграции поступающей информации является представление окружающей обстановки судна (ООС), ориентированное на лиц, принимающих оперативные решения. За осуществление интеграции в форме ООС и принятие решений на ее основе обычно несет ответственность специализированная подсистема, включенная в систему управления судном.
По сути дела на такую подсистему интеграции информации возложена задача моделирования ООС с обязательным ее визуальным представлением, способствующим результативному управлению судном и его потенциалом. При этом в текущем состоянии ООС(t) особый интерес представляют надводные и воздушные динамические объекты разных типов, которые пересекают географические границы обстановки, решая собственные задачи, возможно групповые, причем для судна интересны объекты, находящиеся внутри выделенного окружения.
Необходимо отметить, что результативность моделирования в существенной мере зависит от адекватности представления окружающей обстановки и от форм интерактивного взаимодействия лиц, принимающих решения, с моделями динамических объектов, находящихся в границах ООС.
Множество типов морских судов и разнообразие задач, которые приходится решать, используя информацию об ООС, привело к разработкам разнообразных, чаще всего специализированных, комплексов систем управления (КСУ), настроенных на получение информации от определённых идентификационно-измерительных средств, размещённых как на судне, так и находящихся вне его.
В то же время, непрекращающееся развитие средств идентификации, измерения и компьютеризации, а также расширение круга решаемых задач управления судном регулярно приводит к повторным разработкам КСУ и созданию новых комплексов такого типа, повышающих требования к адекватности и качеству освещения ООС. По названным причинам исследования и разработки методов и средств адекватного и результативного освещения ООС являются актуальными.
Обеспечение заданной степени адекватности, включая ее визуальное отражение, приводит к ряду существенных требований, предъявляемым к программным комплексам моделирования как системам реального времени. Важнейшими из таких требований являются использование единого информационного источника данных и многозадачное распараллеливание процессов, вносящих существенный вклад в спецификацию реального времени. Рациональная реализация этой спецификации имеет принципиальное значение для систем реального времени.
На основании вышесказанного в диссертационной работе была выбрана область исследований, содержание которой определяют методы и средства оперативного представления окружающей надводной и воздушной обстановки судна в открытом море для вахтенного наблюдения, а также для использования в системе управления судном.
Функции объекта исследований в работе выполняют средства моделирования, обеспечивающие сбор первичной информации об окружающей обстановке судна, её обработку, визуализацию и использование в информативных и управляющих целях.
Предметом исследования диссертационной работы является многоагентное моделирование в системах освещения окружающей обстановки морского судна, нацеленное на достижение приемлемого быстродействия и способствующее оперативному информированию о характеристиках динамических надводных и воздушных объектов в окружении судна, а также развитию систем освещения ООС и повторному использованию программных агентов.
Цель диссертационной работы: Улучшение спецификаций реального времени и повторного использования комплексов программных средств, обслуживающих освещение ООС; повышение адекватности представления и восприятия окружающей обстановки морского судна за счёт использования единого информационного источника данных и возможности как автоматического, так и интерактивного взаимодействия с данными и задачами.
Для достижения цели необходимо решить следующие научно-технические задачи:
1. Оценить возможности адаптации многоагентного подхода к программной обработке информационных потоков значений измеряемых и идентифицируемых характеристик надводных и воздушных объектов, находящихся в пространстве ООС.
2. Разработать систему моделей для типовых агентов надводных и воздушных объектов, а также для агентов информационных объектов, порождаемых потоками входной первичной информации из доступных источников.
3. Разработать методы многоагентных расчётов в задачах отождествления и группирования надводных и воздушных объектов, в условиях, допускающих их различное именование в формулярах различных РЛС.
4. Разработать совокупность визуальных моделей ООС, обеспечивающих её интегральное и дифференциальные представления с возможностью не только автоматического и визуального, но и интерактивного доступа к информационным моделям надводных и воздушных объектов.
5. Разработать программный комплекс «Система многоагентного моделирования окружающей обстановки морского судна», обеспечивающий его использование в тренажёрном режиме и открытый для построения на его базе эксплуатационной версии.
Научную новизну составляют:
-
Математическая модель информационных потоков в ООС, обеспечивающая унификацию в информационные представления характеристик объектов, поступающих из различных и дублирующих источников, а также их привязку к модельному времени таким образом, что обработку информационных потоков можно распараллелить, нацелив её на формирование единого источника адекватных данных об окружающей обстановке судна.
4
-
Система типовых программных агентов, осуществляющих обработку информационных потоков об ООС и моделирующих не только надводные и воздушные объекты, находящиеся в текущий момент времени в окружающей обстановки судна, но и их информационные характеристики в форме, обеспечивающей единообразное представление и взаимодействие агентов с их программным окружением, что упрощает оперативную настройку системы обработки информации на реально доступные источники первичной информации.
-
Метод многоагентного расчётного отождествления информационных представлений динамических объектов, поступающих от совокупности радиолокационных станций, в основу которого положены проверка статистических гипотез и решение задачи о приписывании системных имён венгерским методом, что повышает вероятность корректной идентификации объектов.
-
Метод многоагентного расчётного группирования, выявляющий группы надводных и воздушных объектов и специфицирующего характеристики групп объектов, в который включены эвристические решения, способствующие распараллеливанию вычислений для их исполнения совокупностью программных агентов.
-
Набор визуальных моделей ООС, представляющих её интегрально и разделяющих интегральную картину на надводную и воздушную составляющие, каждая из которых способствует визуальному оцениванию и интерактивному доступу к объектам обстановки.
Методы исследования
В диссертационной работе применены методы системного анализа, методы математического моделирования, численные методы, методы теории вероятностей и математической статистики, методы объектно-ориентированного и агентно-ориентированного программирования.
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается корректным применением математических методов, согласованностью новых результатов с известными теоретическими положениями, а также опытной эксплуатацией разработанных средств в тренажёрном режиме.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Математическая модель информационных потоков об ООС, ориентированная на многоагентный подход к структуризации задач моделирования окружающей обстановки морского судна, обеспечивает не только формирование единого информационного источника данных, но и создание библиотеки программных активов, упрощающих их повторное использование с учётом специфики судна или при модернизации КСУ.
-
Система моделей агентов, включающая агентов для решения задач отождествления и группирования, в которой каждый агент представлен его задачей существования, вводит единообразные средства для взаимодействия с программным окружением и пользователями вахтенной службы.
3. Совокупность визуальных моделей надводных и воздушных объектов пространства ООС, способствует визуальному оцениванию обстановки без расчётов.
Практическая ценность. В инструментальной вопросно-ответной среде разработано приложение «Система Многоагентного Моделирования Окружающей Обстановки Судна (СММООС)», обеспечивающее его использование в тренажёрном режиме и открытое для построения на его базе эксплуатационной версии.
Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные программные средства и комплекс методик их использования реализованы в рамках НИОКР, выполненной в ФНПЦ ОАО НПО «Марс».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной конференции «Intelligent Systems 2008» (г.Дивноморск) .
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе одна в журналах из списка ВАК.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав с выводами, заключения, библиографического списка использованной литературы ( 146 наименований), изложенных на 176 страницах машинописного текста, а также 2-х приложений на 16 страницах. Диссертация содержит 37 рисунков и 12 таблиц.
