Разработка конфликтно-оптимальных систем управления ресурсами ПВО (противовоздушной обороны) морского ордера и авиационной группировки

Размещено на http://www.allbest.ru/

10

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Разработка конфликтно-оптимальных систем управления ресурсами пво морского ордера и авиационной группировки

Специальность 05.13.01Системный анализ, управление и обработка информации

кандидата технических наук

Репкин Алексей Леонидович

Москва, 2007

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана

Научный доктор технических наук, профессор

руководитель: Воронов Евгений Михайлович

Официальные доктор физико-математических наук, профессор оппоненты: Карпенко Анатолий Павлович

кандидат технических наук

Свирин Юрий Александрович

Ведущая организация: ОАО МНИИРЭ «Альтаир»

Защита состоится 27 февраля 2007 г. в 14:30 часов на заседании диссертационного Совета Д212.141.02 в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 107005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5.

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана.

Ученый секретарь

диссертационного совета

канд. техн. наук, доцент Иванов В.А.

Общая характеристика работы

многокритериальный равновесный программный управление

Актуальность работы. Как известно, морские мировые державы, а также страны, выходящие на уровень морских держав на основе российских технологий и систем, уделяют большое внимание развитию системных подходов к разработке систем управления морскими соединениями. Актуальным является исследование путей развития системных подходов к созданию систем управления корабля и соединений кораблей. Одной из основных задач, требующих постоянного системного совершенствования, является задача управления ресурсами локальных систем (ЛС) ПВО корабля или соединения (ордера) кораблей (ЛС ПВО) в условиях конфликта с ЛС воздушного базирования (ЛС ВБ). Кроме того, целераспределение (ЦР) обеих сторон рассматривается в функциональной зависимости от текущих состояний конфигураций систем (КС) ПВО и ВБ. В теоретическом плане данная задача в целом решается с применением теории оптимизации в многообъектных многокритериальных системах (ММС) на основе стабильно-эффективных компромиссов (СТЭК).

Актуальность темы диссертации заключается в том, что предлагаемый в работе подход с учетом специфики морского соединения применяется для решения практически важной задачи управления ресурсами ЛС ПВО корабельной группировки и одиночного корабля с ориентировкой на существующие прототипы корабельных группировок. Специфика функционирования системы ПВО ордера кораблей (разнородность кораблей по важности и большая концентрация информационных средств и комплексов на малых площадях кораблей) и одиночного корабля (с отсутствием развитой конфигурации и неодновременного обслуживания целей) требует переработки модели алгоритма ЦР с прогнозом динамики конфликта (КС-ЦР-ПДК) для обоих вариантов построения ЛС ПВО. В связи с указанной спецификой и для практически важного дальнейшего системного обобщения задачи необходимо обобщение тактического векторного показателя ПДК, например учета обобщенного предотвращаемого ущерба ЛС ПВО, что усложняет решение задачи прогноза и в целом задачу КС-ЦР-ПДК.

Цель работы и задачи исследования. Все вышеперечисленное позволяет сформулировать цель работы в следующем виде.

Цель работы: разработка математических моделей и методов комбинированной оптимизации конфликтного взаимодействия корабельного ордера или одиночного корабля (ЛС ПВО) и авиационной группировки (ЛС ВБ), алгоритмического и программного обеспечения для этапов проектирования, а также элементов реализации оптимального управления ресурсами ЛС ПВО в форме КС-ЦР-ПДК, и многофакторное исследование эффективности взаимодействия систем с учетом специфики функционирования морской ЛС ПВО и авиационной ЛС ВБ, усложненной тактики в форме обобщенного предотвращаемого ущерба и насыщенного налета на основе применения и развития методов теории оптимизации управления ММС для этапа ПДК с обобщением классов равновесных решений и модификации СТЭК, формирования и решения комбинированной задачи назначения на этапе ЦР с многокритериальным ранжированием по важности объектов, а также учетом уровней неполноты информации.

Для достижения сформулированной цели ставятся следующие задачи:

1. Разработка математических моделей взаимодействия системы ПВО корабельного ордера или одиночного корабля и авиационной группировки с учетом специфики функционирования ЛС ПВО и усложненной тактики на основе обобщенного предотвращаемого ущерба ЛС ПВО.

2. Разработка методов теории оптимизации ММС на основе обобщения классов равновесных решений и модификации СТЭК.

3. Формирование и решение задачи распределения ресурсов ЛС ПВО в форме задачи многокритериального ранжирования целей по многофакторной опасности для ЛС ПВО с учетом различных уровней неполноты информации в процессе ранжирования, а также для ЛС ВБ -- с учетом прогноза в форме задачи размещения и с учетом важности целей (объектов ордера) в условиях насыщения налета (превосходство авиационной системы в численности) и управления мощностью.

4. Разработка совместного алгоритма КС-ЦР-ПДК системы ПВО корабельного ордера на основе формирования и решения комбинированной задачи назначения-ранжирования с учетом важности и многокритериальной опасности целей и с обеспечением компромисса по точности и быстродействию алгоритма.

5. Разработка алгоритмически-программного обеспечения для проектирования систем управления ресурсами ЛС ПВО и многофакторного анализа эффективности конфликтного взаимодействия ЛС ПВО и ЛС ВБ, а также элементов программного обеспечения реального времени.

Научная новизна работы представлена следующими положениями:

1. Разработка математических моделей конфликтного взаимодействия ЛС ВБ и ЛС ПВО для различных дальностей с динамическим учетом КС и изменением структуры систем в процессе взаимодействия, а также многотактовых алгоритмов оптимизации управления ресурсами в процессе конфликта и с учетом ПДК.

2. Исследование методов получения стабильных решений для различного числа коалиций, участвующих в конфликтном взаимодействии. Формирование новых классов стабильных решений на основе активных равновесий с модификацией и расширением существующих СТЭК, а также построение усиливающейся последовательности бескоалиционных УКУ-решений на основе угроз-контругроз.

3. Разработка алгоритма ранжирования, который формирует способ оценки многофакторной опасности с учетом различной степени неполноты информации в процессе ранжирования.

4. Формирование комбинированной задачи многокритериального назначения-ранжирования с учетом важности и многофакторной оценки конфигурационных свойств ММС (например, многофакторной опасности объектов, мощности ММС, эффективности объектов и других свойств), прогноза на основе СТЭК; разработка алгоритмического обеспечения с компромиссом по быстродействию и точности.

5. Реализация эффективных вычислительных алгоритмов и элементов программного обеспечения на основе среды Matlab для решения комбинированной задачи назначения-ранжирования и эффективного управления ресурсами систем.

Методы исследования. Методы исследования базируются на методах классической и современной теории управления, в частности на методах оптимизации управления ММС на основе СТЭК; методах системного анализа, исследования операций и принятия решений, в частности на задачах распределения ресурсов и методах моделирования на основе динамики средних, задачах принятия решений на основе многокритериального сравнения альтернатив; методах нелинейного программирования.

Практическая ценность и внедрение. В диссертационной работе получены следующие практически важные результаты:

1. Разработано алгоритмическое обеспечение векторно-оптимального управления ресурсами системы ПВО корабельного ордера и одиночного корабля в форме комбинированного алгоритма ЦР с учетом КС, обобщенного предотвращаемого ущерба в условиях насыщенного управляемого налета авиационной группировки с учетом многофакторной опасности на основе многокритериального ранжирования объектов авиационной системы, и наоборот, для системы ПВО ордера (корабля) с учетом важности объектов ордера для авиационной системы. Реализован алгоритм назначения-ранжирования в комбинированных информационных условиях с компромиссом по точности и быстродействию.

2. Разработаны совместные алгоритмы КС-ЦР-ПДК на основе полного и локального прогноза с использованием тактических свойств систем для управления ресурсами системы ПВО ордера/корабля.

3. Проведен многофакторный анализ эффективности централизованного управления ордером на средней дальности и децентрализованного управления одиночным кораблем ордера на малой дальности, который позволил получить практически полезные результаты по формированию пространственно-временных требований по организации системы координации системы ПВО ордера и структурно-организационному построению ЛС ВБ в различных условиях противодействия.

4. На основе реализованных алгоритмов дополнена и усовершенствована программная система многокритериальной оптимизации многообъектных динамических систем «МОМДИС» для проведения анализа динамических моделей систем управления на предмет существования различных классов равновесных решений.

5. Созданы программные интерфейсы, позволяющие проводить многофакторный анализ эффективности противодействия авиационной группировки и системы ПВО морского ордера с возможностью автоматизации ввода условий конфликта и оценкой эффективности управления ресурсами каждой стороны на такте конфликта. Рассмотрены перспективные направления к созданию базы данных по управлениям ПДК обеих систем в зависимости от начальных условий конфликта.

Реализация результатов работы (НИР) была проведена в рамках научно-иссле-довательских работ с предприятием ОАО МНИИРЭ «Альтаир» (2003-2005 гг.), а также с ОАО «Корпорация «ТРВ» (2005-2006 гг.) с продолжением работы с данными предприятиями.

Апробация результатов работы проведена на V, VI и VII Международных симпозиумах «Интеллектуальные системы» (2002, 2004, 2006 гг.); на 16-м симпозиуме IFAC «Automatic Control in Aerospace», Санкт-Петербург (2004 г.); на II Всероссийской научной конференции «Проектирование научных и инженерных приложений в среде Matlab» (2004 г.); на 4-й Международной конференции «Авиация и космонавтика 2005», проводимой в МАИ (2005 г.); на третьей научно-практической конференции «Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности», Москва (2005 г.). Список публикаций по теме диссертации приведен в конце автореферата.

Результаты работы использованы на предприятии ОАО МНИИРЭ «Альтаир» в виде модифицированного алгоритма многокритериального ранжирования объектов ЛС ВБ в комбинированных информационных условиях и алгоритма управления ресурсами ПВО корабля (КС-ЦР-ПДК) с учетом специфики функционирования корабля. Для корпорации «Тактическое ракетное вооружение» разработана модель конфликтного взаимодействия корабельного ордера ЛС ПВО и ЛС ВБ с элементами моделирования в интересах ЛС ВБ. Программная система «МОМДИС» применяется в учебном процессе на кафедре ИУ-1 МГТУ им. Н.Э. Баумана в рамках дисциплин «Оптимизация управления ММС» и «Системы управления соединениями ЛА».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 378 страницах, в том числе основного текста 195 страниц, 172 рисунка, 57 таблиц, списка литературы из 98 наименований и 9 приложений.

Основные положения, выносимые на защиту. Основными положениями диссертации можно выделить следующие:

1)структура и модель конфликтной ситуации авиационной группировки (ЛС ВБ) и морского ордера (ЛС ПВО), для которой реализован комбинированный совместный алгоритм управления ресурсами в форме КС-ЦР-ПДК;

2)модифицированный метод решения задач назначения с компромиссом по точности и быстродействию;

3)модифицированный алгоритм ранжирования объектов ЛС ВБ на основе метода анализа иерархий в комбинированных информационных условиях;

4)программная система «МОМДИС» с расширенным набором алгоритмов модифицированных СТЭК на основе активных равновесий и УКУ-решений;

5)практическая реализация потактовой модели взаимодействия ЛС ВБ и ЛС ПВО в виде программных систем (Matlab) для исследования влияния параметров конфликта на оптимальное управление ресурсами систем, с дальнейшим направлением создания базы данных по управлениям ПДК;

6)многофакторный анализ эффективности конфликтного взаимодействия систем на примере заданной базовой конфигурации с формированием пространственно-временных требований к авиационной группировке и морской системе ПВО ордера в различных условиях конфликтного взаимодействия.

Содержание работы

1. В первой главе работы формируется конфигурационная модель конфликтно взаимодействующих систем ЛС ВБ и ЛС ПВО для сухопутного и морского варианта построения. Рассматривается система ПВО морского ордера, состоящего из кораблей разного класса, оснащенных комплексами большой, средней и малой дальности. Анализируется структура централизованного управления активными средствами ордера на тактах взаимодействия для эффективного воздействия на авиационную группировку с учетом возможных конфигурационных и тактических особенностей авиационной системы.

Анализируется выбор структуры модифицированной задачи целераспределения в форме задачи динамического распределения ресурсов систем с учетом их конфигураций. Рассмотрен существующий алгоритм распределения ресурсов на основе математической модели динамики средних численностей в комбинации с задачей ЦР с получением четырех взаимосвязанных этапов управления ресурсами: учет текущей конфигурации систем; решение векторной задачи назначения; моделирование конфликтной ситуации; формирование конфликтно-оптимального прогноза. Рассмотрены существующие подходы к описанию прогноза конфликтной ситуации на основе математической модели динамики средних. На основе технических характеристик комплексов ПВО сформирована базовая конфигурация авиационной группировки и системы ПВО морского ордера. Основное внимание направлено на рассмотрение тактов взаимодействия, на которых имеет место централизованное управление ресурсами системы ПВО морского ордера (средняя дальность), а также децентрализация управления на малой дальности взаимодействия.

Анализ конфигурации систем в конфликтной ситуации позволяет без ограничения общности задать следующую структурную схему конфликта (рис. 1), где каждая ЛС в общем случае имеет активные (АО), пассивные (ПО) и активно-пассивные (АПО) объекты, причем активные средства одной ЛС могут воздействовать как на пассивные, так и на активные средства другой ЛС.

Рис. 1. Общая структурная схема конфликта

На рис. 1: -- текущая средняя численность объектов i-го типа; -- доли объектов i-го типа, выделенных для воздействия по объектам j-го типа (управляющие параметры систем):

Одной из основных задач подсистемы принятия решения и управления ЛС является ЦР. Рассматриваемую конфликтную ситуацию составляют перспективные системы управления, в которых решаются современные технические задачи совершенствования ЦР в направлениях:

1)методов решения многокритериальных задач ЦР с учетом эффективности, временных факторов, опасности цели;

2)учета влияния текущих конфигураций систем;

3)развития и применения принципов конфликтного взаимодействия для формирования конфликтно-оптимального прогноза.

Система «ЛС ВБ - ЛС ПВО» имеет двухкоалиционную структуру. При этом в общем случае можно рассматривать взаимодействие группировок (больших коалиций), малых соединений (малых коалиций) и парное взаимодействие.

Задача многокритериального назначения является частью общей системы оптимизации управления ресурсами в ММС. Для решения задачи оптимизации управления существуют последовательные алгоритмы ЦР-ПДК, которые на основании описания модели взаимодействия в форме динамики средних численностей позволяют получать конфликтно-оптимальное решение в виде управляющих параметров ММС и затем использовать его для коррекции оптимального распределения ресурсов систем. В рамках прикладной задачи взаимодействия ММС в главе формируется структура комбинированного совместного алгоритма КС-ЦР-ПДК, напрямую учитывающего реализацию распределения ресурсов матрицы назначения при тех или иных управляющих параметрах ПДК и КС. Общая схема оптимизации управления ресурсами представлена на рис. 2.



Рис. 2. Общая схема оптимизации управления ресурсами

Задача ЛС ВБ -- воздействие на ЛС ПВО ордера с целью добиться максимальной потери боеспособности и живучести ЛС ПВО ордера, воздействуя на излучающие станции кораблей и на корабли ордера.

Задача ЛС ПВО ордера -- сохранение боеспособности после отражения налета группы воздушного нападения противника и обеспечение в процессе налета оптимального управления ресурсами ордера для подавления ЛС ВБ с учетом: текущей КС и глубины обороны; эффективности поражения; подлетного времени; начальных промахов; типов целей.

Общая схема конфликта ЛС ВБ и ЛС ПВО представлена на рис. 3.

Групповой состав ЛС ВБ может быть сформирован следующим образом: -- количество крылатых противорадиолокационных ракет (КПРР) в ЛС ВБ (первый вид активных объектов); -- количество крылатых противокорабельных ракет (КПКР) в ЛС ВБ (второй вид активных объектов); -- количество самолетов-ракетоносцев (СР), а также самолетов постановки помех (пассивные объекты); индекс «0» соответствует начальным значениям численностей.

Математическая модель динамики средних численностей с учетом алгоритма КС-ЦР-ПДК на такте конфликта сформирована следующим образом:

(1)

Рис. 3. Схема конфликта ЛС ВБ - ЛС ПВО

Состав средств ЛС ПВО корабля:

-- РЛС наведения и РЛС целеуказания i-го корабля в ордере, которые поражаются средствами КПРР (активные объекты),

-- минимальное количество КПКР, гарантирующее потерю живучести при попадании КПКР в борт i-го корабля; текущее значение -- степень живучести i-го корабля (пассивные объекты),

где -- максимальное число про-боин для полного поражения i-го ко-рабля в ордере, различноем для каждого корабля.

Величины характеризуют среднее число объектов ЛС ВБ i-го типа, которые будут поражены при выделении активных средств ЛС ПВО, находящихся в точках для воздействия на объекты ЛС ВБ, находящиеся в точках вероятность поражения которых -- Матрицы являются матрицами ЦР и рассчитываются для всевозможных вариаций управлений ПДК среди которых на основе оптимизации выбирается оптимальное управление ресурсами -- наборы ; и отвечают за управление мощностью ЛС ВБ.

Скаляризованные критерии для каждой системы имеют смысл минимизации перевеса по числу активных и пассивных объектов на момент окончания такта (тактов) взаимодействия (терминальные показатели):

(2а)

(2б)

Компоненты показателей с коэффициентами и образуют антагонистическое ядро. Весовые коэффициенты характеризуют значимость компонент и имеют смысл тактики обеих систем. Выбор тактики также может являться в задаче прогноза еще одной стороной оптимизации вектора управлений систем. Слагаемое связано с минимизацией непредотвращенного ущерба по оставшимся объектам ЛС ВБ после такта взаимодействия для ЛС ПВО и максимизации -- для ЛС ВБ.

Математическая модель конфликтной ситуации ЛС ВБ - ЛС ПВО в составе одиночного корабля и показатели качества, приведенные в диссертации, аналогичны выражениям (1) и (2). Управляющие параметры ПДК ЛС ПВО корабля () характеризуют распределение долей целевых каналов, выделяемых для обслуживания КПРР, КПКР и СР соответственно в условиях конфликтно-оптимального ограниченного по мощности активных объектов () насыщенного налета ЛС ВБ.

В первой главе также приведены основные положения и определения теории оптимизации в ММС как многокритериальных структурно сложных систем. Анализируются методы получения стабильных и эффективных решений, а также СТЭК на основе комбинирования Нэш-, УКУ-равновесий и Парето-, Шепли-эффективных решений, а также активных конфликтных равновесий.

2. Во второй главе разрабатываются методы конфликтно-оптимального управления ресурсами взаимодействующих систем в форме обобщенной структуры КС-ЦР-ПДК на основе комбинированных и модифицированных методов ЦР и прогноза динамики конфликта (ПДК) с учетом текущих конфигураций систем (КС).

Рис. 4. Структура комбинированного алгоритма этапа ЦР управления ресурсами

На основе разработанной в главе 1 математической модели КС-ЦР-ПДК на этапе ЦР предлагается комбинированный метод решения задачи назначения, основанный на комбинации приближенного метода минимального элемента и точного алгоритма Мака со следующей последовательностью применения: первые итерации данного метода реализуются «быстрым» методом минимального элемента; тем самым снижается размерность задачи; окончательное решение находится по разреженной таким образом матрице ЦР точным методом Мака. В результате увеличивается быстродействие по сравнению с точным методом Мака, гарантированно обслуживаются наиболее эффективно поражаемые цели. Рассмотрены способы реализации комбинированного алгоритма в зависимости от размерности матрицы назначения, обеспечивающие компромисс по точности и быстродействию в зависимости от размерности матрицы назначения.

На этапе ЦР разработана двухэтапная структура и алгоритмическое обеспечение многокритериальной задачи назначения-ранжирования в комбинированных информационных условиях на основе метода анализа иерархий (МАИ). Для построения комбинированной процедуры ЦР на основе алгоритма назначения-ранжирования на первом этапе алгоритма формируется ранжирование объектов ЛС ВБ по многофакторной опасности. Для учета комбинированных информационных условий предлагается несколько вариантов совмещения точных и экспертных оценок при сравнении как критериев, так и альтернатив. На втором этапе предложены варианты комбинации задач назначения и ранжирования при ограниченных возможностях обслуживания со стороны системы ПВО ордера.

В результате на этапе ЦР разработан алгоритм формирования ЦР ЛС ПВО реального времени с учетом важности и многокритериальной опасности целей на основе комбинации задачи ранжирования и задачи назначения пониженной размерности (рис. 4).

На этапе ПДК разработаны модифицированные алгоритмы на основе комбинации Нэш-УКУ-Парето-Шепли-решений. Предложены методы расширения областей существования равновесных решений и свойств СТЭК и проведена модификация СТЭК на основе активных равновесий и условно-гарантированных решений для эффективного их применения при решении задач оптимизации управления ресурсами систем. Определение активного равновесия подразумевает анализ действий текущей стороны конфликта по ее показателю эффективности при всевозможных угрозах противодействующей стороны, что позволяет модифицировать поиск равновесных точек, формируя области решения каждой системы.

аб

Рис. 5. Анализ взаимосвязи активных равновесий и СТЭК

Исследованные в диссертации на примере простейшего варианта конфликта области слабых и сильных активных равновесий могут служить первым приближением области угроз-контругроз (рис. 5, а) и точки Нэша (рис. 5, б) соответственно, т.е. служить сетевым аналогом двухэтапных алгоритмов СТЭК-5 и СТЭК-1. Сформированы новые множества стабильных решений на основе активных равновесий по Смольякову с модификацией и расширением существующих СТЭК.

Проведен анализ существующих методов получения равновесных решений в играх для трех и более участников с формированием новых понятий бескоалиционных УКУ-решений. Обобщенная структура условий бескоалиционных УКУ формулируется следующим образом ( -- показатель i-го участника, -- векторное управление i-го участника; -- оптимальное управление i-го участника):



(3)

При этом сформулированы следующие определения и утверждения:

1)слабые равновесные решения на основе -равновесий по Смольякову, позволяют формировать равновесные области без учета реализации контругрозы, при этом для получения множеств -равновесий используется информация только об изменении i-го показателя;

2)слабые УКУ-решения Вайсборда-Жуковского на основе индивидуальных контругроз (система (3а), (3в), (3г)) являются усилением рассмотренных выше -равновесий со свойством стабильности относительно контругроз;

3)УКУ-решения на основе индивидуальных контругроз с наличием сильной активной угрозы при рассмотрении парных взаимодействий (система (3а)-(3г)) имеют более слабый равновесный характер по сравнению с -равновесиями;

4)сильные УКУ-решения на основе индивидуальных сильных контругроз с дополнительным свойством на изменение показателей игроков, не входящих в пару (система (3а)-(3д)) обладают более высокой степенью устойчивости решения на множестве слабых УКУ-решений;

5)полное УКУ-равновесие как область несимметричных коалиционных УКУ-решений (-равновесие), формируется при разбиении множества n игроков на коалицию K и контркоалицию как один из вариантов усиления бескоалиционного УКУ-равновесия.

Для подтверждения полученных результатов в работе рассмотрены два варианта базовой конструкции игры трех игроков с двумя возможными управлениями-стратегиями. Подобную конструкцию можно обобщить для любой структуры области параметров, имеющей как конечное множество стратегий, так и непрерывную область их определения, с сохранением свойств приведенных выше областей равновесий.

Реализованные алгоритмы находят практическое применение при анализе взаимодействия объектов внутри одной системы со стремлением обеспечить наилучшую ситуацию по эффективности функционирования каждому объекту (в частности, кораблю в составе корабельного ордера), не снижая общей эффективности.

Разработанная общая структура такта взаимодействия ЛС ВБ - ЛС ПВО алгоритма КС-ЦР-ПДК приведена на рис. 6.

Рис. 6. Структура такта взаимодействия ЛС ВБ - ЛС ПВО в алгоритме КС-ЦР-ПДК

Совместный алгоритм КС-ЦР-ПДК является слишком сложным для реализации. Поэтому в реальных условиях находят применение два варианта оптимизации управления ресурсами систем -- с полным и локальным прогнозом (рис. 7, 8), с использованием информации о предполагаемых тактических действиях систем на основе текущих КС. На основе упрощений представленных структур алгоритмов КС-ЦР-ПДК формируются варианты однотактного (в режиме реального времени) и многотактного алгоритмов управления ресурсами: централизованного на средней дальности (ордер) и децентрализованного на малой дальности (корабль). При формировании многофакторной опасности каждого объекта авиационной группировки проводится учет конфигурационных особенностей (подлетное время, высота полета, тип цели, направление воздействия на ЛС ПВО, вероятность воздействия и др.).

3. Третья глава посвящена разработке программных систем для обеспечения этапов алгоритма КС-ЦР-ПДК конфликтного взаимодействия ЛС ВБ - ЛС ПВО при проектировании и реализации. Проведена реализация алгоритмов модифицированных СТЭК, а также расширение и модификация программной системы многокритериальной оптимизации многообъектных динамических систем «МОМДИС» с переработкой и дополнением существующих алгоритмов оптимизации управления ресурсами в конфликтных ситуациях в программной среде Matlab. Функции имитационно-иссле-довательского моделирования реализованы в рамках математической подсистемы.

Реализация пользовательского интерфейса «МОМДИС» отдельно проведена для наиболее широко распространенного класса двухкоалиционных конфликтных задач, для которых реализованы ускоренные алгоритмы для расчета оптимального управления в виде программно-корректируемого закона и графический вывод результатов.



Рис. 7. Структура совместного алгоритма КС-ЦР-ПДК на основе полного прогноза

Рис. 8. Структура совместного алгоритма КС-ЦР-ПДК на основе локального прогноза

Для исследования эффективности алгоритмов ЦР и решения задач назначения-ранжирования (этап ЦР) созданы собственные программные оболочки. Разработан пользовательский интерфейс для автоматизации получения оптимального решения задачи управления ресурсами в конфликтных ситуациях при различных конфигурационных параметрах систем. Реализована программно-алгоритмическая система, позволяющая на основе экспертных оценок учитывать характер и степень неопределенности, а также применять методы, основанные на использовании полной информации по характеристикам каждой альтернативы. Также разработан пользовательский интерфейс для получения оптимальных решений в задачах конфликтного взаимодействия ЛС ВБ и ЛС ПВО для одиночного корабля и корабельного ордера на основе приведенных структур алгоритмов КС-ЦР-ПДК.

Описана структура базы данных для программно-корректируемой реализации и интеллектуализации конфликтно-оптимального ЦР на основе модифицированного алгоритма КС-ЦР-ПДК для одиночного корабля ордера на малой дальности взаимодействия. Для автоматизации проведения расчетов реализована процедура, обеспечивающая циклическую работу алгоритма заполнения базы данных со случайной генерацией конфигураций ЛС ВБ в задаваемом диапазоне.

4. В четвертой главе представлены практические результаты по применению совместных алгоритмов КС-ЦР-ПДК в системах оптимального управления ресурсами корабельного ордера и авиационной группировки в конфликтной ситуации, а также проведен анализ эффективности метода многокритериального ранжирования целей для исследования многофакторной опасности авиационной группировки в комбинированных информационных условиях.

Для оценки эффективности ранжирования вводится понятие невязки (среднеквадратического отклонения по многофакторной опасности) относительно оптимального решения в виде нормированного вектора ранжирования на основе полной информации, а также относительно расположения целей при ранжировании. Метод экспертных сравнений с матрицей равной значимости критериев оказался достаточно устойчивым к информационной неопределенности. Применением комбинирования оценок удалось повысить точность алгоритма по сравнению с экспертным сравнением критериев в несколько раз в условиях неопределенности значений критериев.

С учетом реализованного метода ранжирования целей ЛС ВБ в алгоритме КС-ЦР-ПДК на этапе получения оптимального управления ресурсами выполнен многофакторный анализ эффективности противодействия авиационной группировки и ПВО одиночного корабля на малой дальности взаимодействия. Параметры моделирования формировались исходя из реальных характеристик группировок.

В условиях полного прогноза проведено около 30 экспериментов, локального прогноза -- около 50 экспериментов, результаты расчета которых представлены в материалах диссертации. Показано, что комбинирование локального и полного прогноза при формировании оптимального управления ресурсами авиационной системы и системы морского ордера/корабля позволяет повысить эффективность управления обеих систем. Исследовано поведение системы в окрестности технически обоснованного начального приближения управляющих параметров ПДК, формируемого на основе пропорционального распределения ресурсов со стороны ЛС ВБ и ранжирования для стороны ЛС ПВО -- вариант локального прогноза. Показано, что сочетание локального прогноза и технически важного начального приближения управлений ПДК дает наилучшие условия реализации системы управления ресурсами обеих систем.

В процессе многофакторного анализа конфликтно-оптимального взаимодействия системы ПВО ордера/корабля и авиационной группировки выявлены: многофакторные условия эффективного поражения ЛС ВБ и критические ситуации ЛС ПВО при насыщенном налете; существенность влияния конфигурации и управления мощностью ЛС ВБ на результаты конфликта; сформированы характеристики пределов насыщения налета ЛС ВБ для ЛС ПВО корабля/ордера; тактические свойства системы управления ресурсами ПВО ордера/корабля для обеспечения эффективного функционирования в конфликтной ситуации в процессе насыщения налета ЛС ВБ; требования по полному и локальному прогнозу для достижения компромисса с техническим начальным приближением и др.

В результате исследований также выявлены экспериментальные зависимости общей численности активных (рис. 9, а) и пассивных (рис. 9, б) объектов ЛС ПВО в зависимости от начальной численности ЛС ВБ с выявлением зон конфликтности: 0 -- зона нечувствительности, 1 -- зона доминирования ЛС ПВО; 2 -- зона конфликтного взаимодействия; 3 -- зона доминирования ЛС ВБ.

Сформированы зависимости, показывающие влияние различных параметров конфликта на результат конфликтного взаимодействия ЛС ВБ и ЛС ПВО по количеству оставшихся объектов (например: рис. 10, а -- для канальности комплексов ПВО; рис. 10, б -- для эффективности воздействия ЛС ПВО по объектам ЛС ВБ).

аб

Рис. 9. Зависимости численности АО и ПО ЛС ПВО от численности ЛС ВБ



аб

Рис. 10. Примеры влияния параметров конфликта на результат взаимодействия систем

При оценке эффективности алгоритма распределения ресурсов ЛС ПВО с элементами ПДК полученные оптимальные управления ресурсами (применительно к текущей конфигурации ЛС ВБ) использовались при моделировании взаимодействия на разработанной простейшей имитационно-исследовательской модели. В настоящее время в ОАО «Корпорация «ТРВ» проводится разработка системы имитационного моделирования конфликтного взаимодействия ЛС ВБ и ЛС ПВО ордера/корабля на основе разработанных в работе алгоритмов управления ресурсами.

В заключение главы 4 на основе полученных в работе результатов многофакторного анализа исследовано направление формирования пространственно-временных требований к организации системы координации при централизованном управлении ресурсами системы ПВО ордера и структурно-функционального построения авиационной группировки при различных условиях конфликтного взаимодействия.

В 9 приложениях приводятся материалы, поясняющие основные положения различных разделов диссертационной работы (основные понятия и определения СТЭК; анализ конфигурационных свойств систем на этапе КС; комплексный анализ методов решения распределительных задач с векторным критерием; модифицированные СТЭК и УКУ-решения в ММС на основе активных равновесий; программная система «МОМДИС» для исследования процессов ПДК; результаты экспериментов для многофакторного анализа эффективности конфликтного взаимодействия ЛС ВБ и ЛС ПВО ордера/корабля, а также другие материалы).

Основные результаты работы

1. Разработаны математические модели и методы оптимизации управления ресурсами конфликтно взаимодействующих систем на основе комбинации обобщенных методов динамического распределения ресурсов и прогноза динамики конфликта с учетом текущих конфигураций систем (КС-ЦР-ПДК). Для решения задачи управления ресурсами выявлена необходимость формирования новых практических подходов к решению векторных задач назначения и ранжирования, модификации стабильно-эффективных компромиссов и формирования программно-корректируе-мого закона распределения ресурсов с расширенным учетом конфигураций систем.

2. Сформирован субоптимальный алгоритм векторного назначения с компромиссом по точности и быстродействию на основе комбинации метода Мака и метода минимального элемента (этап ЦР).

3. Разработан метод многокритериального ранжирования текущей конфигурации объектов по важности (опасности) на тактах управления ресурсами систем в комбинированных информационных условиях на основе метода анализа иерархий (этап ЦР).

4. На основе модели динамики средних разработан обобщенный стохастический метод прогноза динамики конфликта с расширенной областью существования стабильных решений и модифицированными алгоритмами получения стабильно-эффективных компромиссов (этап ПДК).

5. В классе бескоалиционных конфликтных ситуаций с тремя и более участниками сформирована последовательность модифицированных слабых и сильных УКУ-решений на основе индивидуальных угроз и контругроз и исследованы их свойства (этап ПДК).

6. Разработаны ускоренные алгоритмы получения сетевых СТЭК с дополнительными свойствами и на их основе предложены способы формирования модифицированных СТЭК. С учетом проведенных модификаций равновесных стабильно-эффективных решений переработана и расширена специализированная программная система многокритериальной оптимизации многообъектных динамических систем «МОМДИС».

7. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение решения комбинированной задачи оптимизации КС-ЦР-ПДК. Реализованы эффективные алгоритмы для потактового взаимодействия систем. Исследована эффективность конфликтной ситуации взаимодействия локальных систем воздушного базирования (авиационной группировки) и ПВО ордера применительно к базовому варианту конфигурации систем, на котором показана эффективность и работоспособность разработанных методов.

8. Рассмотрены перспективные направления по созданию субоптимального метода КС-ЦР-ПДК реального времени и элементов структуры базы данных по динамическому управлению ресурсами систем при изменении параметров конфликта.

9. Проведен многофакторный анализ сравнительной эффективности ЛС ВБ и ЛС ПВО в конфликтной ситуации с настраиваемым прогнозом. Сформированы принципы построения конфликтно-эффективных систем управления ресурсами с определением оптимальных требований к конфигурации и составу систем на примере реализованной имитационно-исследовательской модели взаимодействия систем.

Публикации по теме диссертации

1.Борзунов А.В., Воронов Е.М., Репкин А.Л. Управление ресурсами морского ордера с многокритериальным экспертным назначением и перенастраиваемым прогнозом // Интеллектуальные системы. Труды VII Международного симпозиума. -- Краснодар, 2006. -- С.201-204.

2.Борзунов А.В., Воронов Е.М., Репкин А.Л. Модифицированный алгоритм управления ресурсами на основе сравнения многокритериальных альтернатив и прогноза динамики конфликта // Вестник МГТУ. Сер. Приборостроение. -- 2006. -- №2. -- С.3-29.

3.Воронов Е.М., Карпунин А.А., Репкин А.Л. Программная система многокритериальной оптимизации многообъектных динамических систем (ПС «МОМДИС») на основе стабильно-эффективных игровых решений и ее применение в сложных задачах управления // Труды II Всероссийской научной конференции «Проектирование научных и инженерных приложений в среде Matlab». -- М.: ИПУ РАН, 2004. -- С.907-939.

4.Воронов Е.М., Карпунин А.А., Репкин А.Л. Конфликтно-оптимальное управление ресурсами в задачах взаимодействия комплексов объектов на основе настраиваемого прогноза: Тезисы доклада // Королёвские чтения. -- М., 2007. -- С.123.

5.Воронов Е.М., Репкин А.Л. Модифицированный метод ранжирования авиационных целей в комбинированных информационных условиях // 4-я Международная конференция Авиация и космонавтика 2005: Тезисы доклада. -- МАИ, 2005. -- С.87.

6.Воронов Е.М., Репкин А.Л., Серов В.А. Компромиссы принятия решений в интеллектуальных системах на основе активных равновесий // Интеллектуальные системы. Труды VI Международного симпозиума. -- Саратов, 2004 -- С.260-263.

7.Воронов Е.М., Репкин А.Л., Сидоров М.В. Распределение ресурсов ММС на основе модифицированных стабильно-эффективных решений // Интеллектуальные системы. Труды V Международного симпозиума. -- Калуга, 2002. -- С.186-188.

8.Воронов Е.М., Репкин А.Л., Сычев С.И. Конфликтно-оптимальное управление ресурсами при взаимодействии морского ордера и авиационной системы с учетом конфигураций, многокритериального назначения и стабильно-эффективных компромиссов // Исследования и перспективные разработки в авиационной промышленности. -- Москва, 2005. -- С.342-348.

9.Репкин А.Л. Модифицированные УКУ-решения и условно-гарантированные равновесия в конфликтно-оптимальных задачах // 4-я Международная конференция Авиация и космонавтика 2005: Тезисы доклада. -- МАИ, 2005. -- С.68.

10.Репкин А.Л. Сравнительный анализ и модификация стабильных решений на основе активных равновесий в многообъектных многокритериальных системах управления // Вестник РУДН. Сер. Инженерные исследования. -- 2005. -- №1(11). -- С.14-19.

11.Voronov E.M., Repkin A.L. Problem of optimal control of the local system of aircrafts (LSA) resources on the basis of the game forecast // 16th IFAC Symposium on Automatic Control in Aerospace. -- Saint-Petersburg, 2004. -- V.1. -- P.554-558.

12.Voronov E.M., Sidorov M.V., Repkin A.L. Control optimization of multi-object multi-criteria systems on the basis of stable-effective compromises. -- Harbin, 2003. -- Р.365-366.

Подписано в печать 22.01.2007.

Бумага офсетная 80 г/м², формат 1/16. Заказ №27.

Усл. печ. л. 1. Уч.-изд. л. 1. Тираж 100 экз.

Отпечатано в Редакционно-издательском отделе

КФ МГТУ им. Н.Э. Баумана

248000, г. Калуга, ул. Баженова, 2, тел. 57-31-87

Размещено на Allbest.ru