Введение к работе
Актуальность проблемы. Несмотря на переживаемые экономические трудности, наша страна по-прежнему остается одной из ведущих стран мира в области космонавтики. Помимо косвенного влияния космических исследований на практическую деятельность человечества через фундаментальные научные открытия, космонавтика делает возможным непосредственное использование космических систем в практике. Все возрастающую роль играют космические аппараты в геодезии, навигации, в различных видах связи, а во многих случаях становятся просто необходимыми. Для создания новой более сложной космической техники, отвечающей современным требованиям, необходимо совершенствовать процесс ее проектирования, создания и эксплуатации. В ходе разработки различных систем необходимо осуществлять выбор их наиболее эффективных вариантов. Одной из самых трудных является задача синтеза систем управления космическими аппаратами, которая формализуется как многоуровневая многокритериальная задача оптимизации со многими переменными и функциями сложного вида. Решение такого рода задач осуществляется поисковыми методами, которые характеризуются большим количеством пробных точек. Так как целевые функции и ограничения зависят от многих параметров, каждый из которых определяется особым образом, и не имеют явного аналитического вида, то их значения каждый раз вычисляются посредством некоторого алгоритма (например, имитационной модели). Поэтому в процессе оптимизации основное время в такого рода задачах уходит на вычисление значений целевых функций и функций-ограничений в просматриваемых точках, и лишь небольшая часть временных затрат приходится на проработку самого алгоритма оптимизации. По этим причинам возникает необходимость в быстром приближенном оценивании значений целевых функций и функций-ограничений, имеющих сложный вид. Диссертационная работа посвящена разработке математического и программного обеспечения аппроксимации алгоритмически заданных функций в задачах оптимизации автоматизированного синтеза систем управления космическими аппаратами и направлена на построение математических моделей выбора эффективного варианта систем управления космическими аппаратами, основанных на поисковых адаптивных алгоритмах со встроенной процедурой аппроксимации целевых функций и ограничений задачи.
Целью диссертационной работы является создание эффективного математического, алгоритмического и программного обеспечения методов аппроксимации в сложных задачах оптимиза-
ции автоматизированного синтеза систем управления космическими аппаратами.
Эта цель обусловила необходимость решения следующих задач:
- анализ систем управления космическими аппаратами,
формализация задач синтеза этих систем и анализ построенных
формальных моделей для выяснения свойств задач оптимизации,
возникающих при выборе эффективного варианта структуры си
стемы управления;
разработка и программная реализация эффективных методов аппроксимации сложных функциональных зависимостей, характерных для данных задач оптимизации;
разработка методов использования процедуры аппроксимации в процессе решения задачи выбора эффективного варианта системы управления космическими аппаратами;
решение с помощью разработанных методов реальных задач автоматизированного синтеза систем управления космическими аппаратами.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовался аппарат теории систем, теории вероятностей и теории стохастических процессов, теории множеств, теории оптимизации, теории нейронных систем и теории информации, а также понятия функционального анализа и методы приближения функций.
Научная новизна результатов, полученных в диссертации, состоит в следующем:
-
Построены формальные модели выбора эффективных вариантов целевого и командно-программного контуров системы управления космическим аппаратом, учитывающие структуру наземного комплекса управления и возможные отказы подсистем.
-
Для определения оптимальных структур нейронных сетей, аппроксимирующих сложные функции многих переменных, построены методы, отличающиеся тем, что в них одновременно оптимизируются как архитектура, так и весовые коэффициенты связей.
-
Разработана методология эффективного использования нейросетевой аппроксимации в процедурах глобальной оптимизации неявных функций, использующих адаптивные поисковые алгоритмы.
-
Для командно-программного и целевого контуров систем управления космическими аппаратами решены задачи автоматизированного синтеза, формализованные в виде задач оптимизации, с использованием нейросетевой аппроксимации неявно заданных целевых функций и ограничений и адаптивных поисковых алгоритмов.
Практическое значение. Предложенные в работе модели выбора эффективных вариантов целевого и командно-программного контуров системы управления космическими аппаратами переданы НПО прикладной механики (г. Красноярск-26). Построенные алгоритмы реализованы программно и переданы в НПО ПМ и горнохимическому комбинату.
Математические модели выбора эффективного варианта целевого и командно-программного контуров системы управления космическими аппаратами, методика их построения и алгоритмы, применяемые для решения получаемых задач, а также процедуры построения нейронных сетей оптимальной структуры, используются в учебном процессе кафедры системного анализа и исследования операций Сибирской аэрокосмической академии при обучении студентов по курсам "Системный анализ", "Теория оптимизации", "Системы искусственного интеллекта".
Основные защищаемые положения.
-
Задачи выбора эффективных вариантов целевого и командно-программного контуров системы управления космическими аппаратами формализуются в виде задач оптимизации со сложными алгоритмически заданными функциями, требующими значительных вычислительных затрат.
-
Предлагаемые методы нейросетевой аппроксимации в сложных задачах глобальной оптимизации обеспечивают более быстрое вычисление значений функций, что приводит к значительному снижению затрат на определение оптимального решения без потерь по его качеству.
-
Задача аппроксимации указанных функций в процедуре оптимизации должна решаться одновременно с оптимизацией архитектур и весов нейронных сетей, выполняющих эту аппроксимацию.
-
Разработанные программные средства позволяют эффективно решать реальные практические задачи автоматизированного синтеза систем управления космическими аппаратами, формализованные в виде задач оптимизации с алгоритмически заданными функциями.
Публикации. По теме диссертации опубликовано восемь работ, список которых приводится в конце автореферата.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на
Краевой конференции "Проблемы информатизации региона" (Красноярск, 1996);
Международном симпозиуме "Исследование операций' 95" (Пассау, 1995);
- Международном симпозиуме "Исследование операций' 96"
(Брауншвейг, 1996);
- научных семинарах кафедры системного анализа и исследования
операций Сибирской аэрокосмической академии (Красноярск, 1996,
1997).
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы - 181 страница, список литературы - 129 наименований. Изложение иллюстрируется 27 рисунками, 20 графиками и 18 таблицами.
