Моделирование нештатных ситуаций военно-технического характера в реальном времени
Разработка алгоритма оценки нештатных ситуаций (НС) с возможным прогнозом. Моделирование НС и выработка рекомендаций по сохранению ресурсов военно-технических объектов связи. Разработка программного комплекса анализа ситуаций и поддержки принятия решений.
| Рубрика | Программирование, компьютеры и кибернетика |
| Вид | автореферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 02.08.2018 |
| Размер файла | 400,1 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
20
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
Моделирование нештатных ситуаций военно-технического характера в реальном времени
Специальность 05.13.18 - математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
кандидата технических наук
Мельников Дмитрий Александрович
Ульяновск - 2008
Работа выполнена на кафедре телекоммуникационных технологий и сетей в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ульяновский государственный университет».
Научный руководитель доктор технических наук, профессор Смагин Алексей Аркадьевич
Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Кумунжиев Константин Васильевич
доктор технических наук, профессор Крашенинников Виктор Ростиславович
Ведущая организация Ульяновское высшее военно-техническое училище (военный институт)
Защита диссертации состоится «23» апреля 2008 года в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 212.278.02 при Ульяновском государственном университете по адресу: Набережная реки Свияга, 106, кор. 1, ауд. 703.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного университета, с авторефератом - на сайте www.uni.ulsu.ru .
Автореферат разослан «21» марта 2008 года.
Просьба прислать отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенном печатью организации по адресу: 432000, г. Ульяновск,
ул. Л.Толстого, д. 42, УлГУ, Управление научных исследований.
Ученый секретарь
диссертационного совета Волков М.А.
нештатный военный программный ситуация
Общая характеристика работы
Актуальность темы исследований. Для повышения эффективности действия войск используется автоматизация управления ими, которая подразумевает, в первую очередь, автоматизацию процессов выработки решений на применение сил и средств. В настоящее время при автоматизации процесса интеллектуальной деятельности командира используется современный подход, основанный на применении экспертных систем. Основным достоинством таких систем является возможность прогнозирования развития боевых действий на основе заблаговременного моделирования множества различных вариантов действий противника и накопления решений по каждому из них. Достоинство такого подхода состоит в том, что он предусматривает значительное число вариантов развития боевых действий и на основе автоматизированного распознавания варианта действий противника обеспечивает сокращение времени анализа и оценки обстановки А. В. Шурмин. О совершенствовании автоматизированных систем управления связью./ Военная мысль, 2004, №11, С. 34 - 41., И.А. Грачев. Специальное математическое и программное обеспечение автоматизированной системы управления: теоретический аспект./ Военная мысль, 2004, №7, С. 25 - 28..
В основе подхода лежит принцип ситуационного управления, т.е. на гипотезе о том, что существует конечное число вариантов развития боевых действий. Чтобы принять решение, командиру необходимо соотнести текущую ситуацию с одним из вариантов, имевшим место ранее (или ранее отработанному в ходе тренировок и учений) и для которого уже имеется приемлемое решение. Однако в связи со стремлением противника скрыть свой замысел и его конкретную реализацию, заранее невозможно учесть все многообразие вариантов развития событий. Поэтому, полученное решение, не учитывающее конкретную обстановку на текущий момент времени, нельзя считать лучшим. Оно не предусматривает действий в условиях внезапно сложившихся нештатных ситуациях.
В работе предлагается новый подход к принятию решений, основанный на интегральной оценке наиболее опасных факторов, воздействующих на живучесть объекта управления, компьютерном моделировании в реальном времени принимаемых решений с последующей выработкой рекомендаций для лица, принимающего решения (ЛПР).
В ходе боевых действий происходит распознавание текущей ситуации и сопоставление ее с соответствующим районом, для которого уже имеются наилучшие варианты своих действий. Если использовать априорную информацию, полученную на этапе планирования и хранящуюся в базе данных (т.е. накопленный боевой опыт), то в реальной боевой обстановке необходимо моделировать ограниченное число внезапно появившихся вариантов развития боевых действий, для которых отсутствуют необходимые оценки для выработки рекомендаций на принятие решений в этих условиях. При этом моделирование множества альтернативных вариантов действий и выработка рекомендаций должны происходить в реальном времени. Это обеспечивает системе управления гибкость, позволяет своевременно парировать непредвиденные действия противника и достичь успеха в бою.
Объектом исследования в работе является модуль пункта управления (ПУ), как технологическая составляющая перспективной системы связи военного назначения.
Повышение живучести модульного ПУ в условиях динамически меняющейся обстановки, возникающей в ходе боевых действий, обусловленные отрицательными воздействиями противника и окружающей внешней среды, на основе использования новых информационных технологий, является предметом исследования.
Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является исследование и разработка системы анализа и моделирования нештатных ситуаций для оперативного управления военно-техническими средствами.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
- анализ нештатных ситуаций, выделение наиболее критичных (опасных);
- разработка алгоритма оценки нештатных ситуаций с возможным прогнозом;
- моделирование нештатных ситуаций и выработка рекомендаций по сохранению ресурсов военно-технических объектов связи
- разработка программного комплекса анализа ситуаций и поддержки принятия решений в условиях динамически меняющейся обстановки.
Методы исследования.
Для решения поставленных задач и достижения намеченной цели использованы методы системного анализа, математического моделирования, теории графов, теории вероятности, теории защиты информации, теории принятия решений. При выборе методов и средств реализации программного комплекса приняты во внимание современные тенденции построения и развития систем поддержки принятия решений.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. На основе проведенного анализа методов и средств решения задачи обеспечения живучести подвижных организационно-технических систем специального назначения и цели диссертационной работы была разработана структурно-логическая (концептуальная) модель системы поддержки принятия решений как основы системы анализа и предупреждения нештатных ситуаций.
2. Разработана математическая модель уровней опасности, позволяющая вычислять их значения и учитывать множество динамически меняющихся факторов.
3. Разработана геометрическая трехмерная модель нештатных ситуаций, совмещенная с геоинформационной системой (электронной картой местности), позволяющая ЛПР оперативно оценивать реальную обстановку и принимать решения на более качественном уровне без проведения компьютерного моделирования в режиме реального времени.
4. Разработаны и программно реализованы алгоритмы моделирования нештатных ситуаций на основе анализа ситуаций окружающей обстановки в районе возможного размещения модулей ПУ в виде программного комплекса «Анализ ситуации и принятие решений в условиях неопределенности», что позволило проводить моделирование в реальном времени нештатных ситуаций и формирование на основе результатов моделирования вариантов альтернативных решений.
Практическая значимость исследований. Полученные в работе результаты позволяют осуществить комплексный подход к решению вопросов по анализу информации о состоянии окружающей обстановки для повышения эффективности принятия решений в ходе оперативного управления с целью повышения живучести подвижных организационно-технических объектов специального назначения в условиях возникновения нештатных ситуаций.
Результаты по разработке программного комплекса «Анализ ситуации и принятие решений в условиях неопределенности» позволяют определить комплексный подход к решению вопросов по подготовке необходимой информации для принятия эффективных решений в ходе оперативного управления с целью повышения живучести подвижных объектов системы связи в условиях динамически меняющейся обстановки, а также могут найти практическое применение при проектировании перспективных автоматизированных систем управления специального назначения.
Внедрение результатов работы. Результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы, используются в учебном процессе и научных исследованиях на кафедре «Автоматизированные системы управления войсками и связи» Ульяновского высшего военного инженерного училища связи (военного института) и для решения ряда вопросов, возникающих при исследовании автоматизированных систем поддержки принятия решений в соответствии с целевыми программами испытания технического оборудования и систем для Министерства обороны РФ на 29 ИП МО РФ.
Положения, выносимые на защиту:
1. Структурно-логическая (концептуальная) модель системы поддержки принятия решений как основы системы анализа и предупреждения нештатных ситуаций;
2. Математическая модель уровней опасности, позволяющая вычислять их значения и учитывать множество динамически меняющихся факторов;
3. Геометрическая трехмерная модель нештатных ситуаций, позволяющая ЛПР оперативно оценивать реальную обстановку и принимать решения на более качественном уровне;
4. Система компьютерного моделирования нештатных ситуаций и выработки вариантов принятия решений для ЛПР в условиях временных ограничений.
Достоверность результатов проведенных исследований. Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена обоснованным использованием аналитических и численных методов расчета, методов математического моделирования и применением современных методик экспериментальных исследований, подтверждена результатами компьютерного моделирования.
Личный вклад автора. Решение поставленных задач в диссертационной работе, анализ результатов и выводы из них получены автором самостоятельно.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались на Х военно-научной технической конференции «Актуальные вопросы совершенствования техники и систем военной связи на основе современных телекоммуникационных и информационных технологий» г. Ульяновск, 2004г.; на Межвузовской научно-практической конференции «Актуальные вопросы развития техники связи и автоматизации на базе современных технологий» г. Ульяновск, 2004г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и 2 приложений. Общий объём диссертации составляет 148 страниц.
Основные положения работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи в общем виде, определены научная новизна и практическая значимость, представлена краткая аннотация диссертации по главам и сформулированы основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведены исследования по построению современных систем военной связи и перспектив их развития.
Проанализированы методы и средства принятия решений в нештатных ситуациях, определены возможности их использования в условиях нештатных ситуаций, сформулированы требования и определено множество функций, которые система поддержки принятия решений должна обеспечивать.
Обоснован выбор критерия оценки принятия решений для управления подвижными объектами системы связи военного назначения в нештатных ситуациях. В качестве критерия используется живучесть - как свойство сохранять во времени в установленных пределах способность выполнять заданные функции в заранее не определенных условиях при целенаправленном воздействии со стороны противника.
Рассмотрены составляющие предметной области, модель субъекта управления, модель объекта управления, схема взаимодействия факторов внешней среды с объектом управления.
Сформулирован методологический аспект основ живучести военно-технических объектов, который всесторонне охватывает все подходы сохранения живучести военно-технических объектов и обеспечивает возможность выбора способа повышения живучести в зависимости от этапов проектирования или эксплуатации (рисунок 1).
Рисунок 1 - Направления достижения живучести систем.
Одним из способов, который отвечает цели исследований является маневр, позволяющий при минимальных внешних затратах и использовании собственных возможных ресурсов модуля ПУ сохранять уровень живучести в требуемом интервале значений.
Подробно рассмотрены и исследованы варианты действий по выполнению маневра, представлены показатели, позволяющие оценивать маневр как основной показатель живучести.
В конце первой главы формализуется постановка основной задачи исследований диссертационной работы путем интерпретации задачи управления, заданной в общем виде, через множество включающее: множество альтернатив решений, окружение выбора, систему предпочтений эксперта, алгоритм действий над множеством альтернатив.
Вторая глава посвящена разработке способов оценки нештатных ситуаций в условиях динамически меняющейся обстановки. На основе анализа особенностей принятия решений в процессе управления сложными организационно-техническими системами специального назначения в условиях динамически меняющейся обстановки, характеризующиеся неполнотой (противоречивостью) информации о состоянии факторов окружающей внешней среды, ограниченного времени на анализ этой информации и принятие управляющего решения, были сформулированы требования, предъявляемые к разрабатываемой системе повышения эффективности принятия решений в рассматриваемых условиях:
1. Возможность обрабатывать поступающую на вход информацию об окружающей обстановке, необходимую для принятия обоснованного решения;
2. Способность системы к выработке альтернативных (возможных) вариантов решений с количественными и качественными показателями;
3. Возможность оценки эффективности выработанных вариантов решений;
4. Удобный интерфейс пользователя;
5. Возможность связи с источниками информации об окружающей обстановке по различным каналам;
6. Быстродействие системы поддержки принятия решений должно быть реализовано в режиме реального времени;
7. Совместимость системы поддержки принятия решений с доступным программным обеспечением.
Ограничения в условиях функционирования объекта управления:
1. Количество модулей (объектов управления) имеет фиксированное значение и зависит от масштаба воинского формирования (звена управления);
2. Расстояние между модулями: - максимальное расстояние ограничивается размерами района ведения боевых действий воинским формированием; - минимальное расстояние определяется в ходе принятия решений и должно исключить поражение более одного модуля одним ударом противника;
3. Границы района возможного перемещения модуля ПУ определены на этапе планирования.
В соответствии с этим разработана структурно-логическая (концептуальная) модель системы поддержки принятия решений в условиях динамически меняющейся обстановки (рисунок 2).
В ходе анализа ситуации происходит преобразование исходных данных о состоянии факторов окружающей обстановки в вероятностные значения уровня опасности воздействия со стороны окружающей среды для каждой точки возможного размещения объекта управления. С учетом наличия координат позиций возможного размещения модулей ПУ и координат рассматриваемого района боевых действий формируется динамическое пространство уровней опасности (ДПУО), которое является трехмерной поверхностью с дополнительным графиком равного уровня. График получается путем проецирования на опорную плоскость (X,Y), на которой имеются координаты рассматриваемого района, позволяющий ЛПР визуально оценить складывающуюся обстановку в районе боевых действий.
Рисунок 2 - Структурно-логическая (концептуальная) модель системы поддержки принятия решений должностного лица системы управления связи в условиях динамически меняющейся обстановки.
На основе данных, полученных от блока анализа ситуаций, будет осуществляться формирование возможных вариантов размещения объектов управления в безопасных местах и определение маневров, необходимых для их перемещения. Данная информация в виде таблицы маршрутов и предлагаемых координат размещения передается в блок моделирования решений, а также в блок геоинформационной системы.
В блоке моделирования предлагаемых решений и анализа возможной динамики развития обстановки происходит определение возможности перемещения в безопасную позицию и времени, необходимого для перемещения по соответствующему маршруту tзатрМi.
При наличии списка рекомендуемых вариантов размещения, визуального отображения обстановки, отображение точек размещения объектов управления и маршрутов перемещения на электронной карте местности рассматриваемого района позволит оптимизировать выработку решения должностному лицу органа управления.
Использование предлагаемой модели позволяет таким образом уменьшить влияние условий неопределенности нештатной ситуации, неполноту данных и снизить неточность сведений о состоянии окружающей обстановки. Последнее достигается за счет того, что вероятностный подход учитывает угрозы и риски поражения модулей ПУ в виде интегрированной оценки результатов анализа информации из разведданных и прогностической информации, которая получена на основе результатов моделирования в ходе проведения учений.
В целом угрозы и риски для живучести модулей ПУ выражаются в снижении их ресурсов и в предельном случае приводят к полному их уничтожению. Этот предельный случай считается наиболее опасным и, следовательно, он должен фиксироваться и отображаться особым образом. Для цифровой обработки этих ситуаций необходимо, чтобы ситуации отображались скалярными величинами и эти величины принадлежали некоторым заданным заранее интервалам значений. Интервалы значений могут быть разбиты на подинтервалы и каждый может быть привязан к уровню опасности для модуля ПУ.
В основу построения показателя - значения уровня опасности положен причинно-следственный принцип, причем причиной опасностей являются названные выше угрозы и риски, а следствием - снижение живучести, выражаемое через оценку, связывающую исходные отрицательно влияющие факторы.
Система принятия решений работает с данными, динамически меняющимися во времени, и которые часто носят случайный характер. Эти данные характеризуют складывающуюся ситуацию и в силу отмеченных обстоятельств являются вероятностными оценками. Поэтому предложено использовать вероятностный подход, предполагающий распределение известных значений вероятностей в заданном поле событий или наличие возможностей для их получения.
При формировании вероятностных оценок уровней опасности ситуаций необходимо учитывать в первую очередь те виды угроз, которые могут создавать наиболее сложные нештатные ситуации для модулей ПУ.
В работе рассматривается три события - вскрытие или обнаружение противником, нанесение удара и попадание. Введем обозначение событий: - поражение модуля ПУ; N - вскрытие (обнаружение) модуля ПУ; Q - нанесение удара; W - попадание в объект управления. Тогда вероятность события можно записать в следующем виде:
Р() = Р (N)·Р(Q|N)·Р(W|Q),(1)
где Р (N) - вероятность вскрытия;
Р(Q|N) - условная вероятность нанесения удара противником по модулю ПУ при условии его вскрытия;
Р(W|Q) - условная вероятность попадания средствами воздействия противника по модулю ПУ при условии нанесения удара.
Формула (1) описывает все основные события, негативно влияющие на состояние модуля ПУ и таким образом отражает основные факторы нештатных ситуаций.
Рассмотрим ситуации, соответствующие состояниям предложенной модели, т.е. событиям, которым можно поставить в соответствие некоторые значения вероятностей Р(N), Р(Q|N), Р(W|Q). Для этого упростим формулу (1) и будем рассматривать каждое из трех событий - вскрытие модуля ПУ, нанесение удара, попадание в объект управления, как однопредметные события с двумя исходами «да» и «нет» с соответствующими вероятностями «1» и «0».
Составим из трех указанных выше событий вектор вида:
X = <X1,X2,X3>(2)
где Xi = {0,1}, а Xi будет обозначать i-ое событие и при
i = 1 - соответствует событию вскрытия (обнаружения) модуля ПУ;
i = 2 - соответствует событию нанесения удара;
i = 3 - соответствует событию попадания в объект управления.
Всего ситуаций восемь, половину из них вида <01Х2Х3> можно выбросить, так как 0 на первой позиции означает, что событие вскрытия модуля ПУ произойти не может, следовательно, анализировать в дальнейшем не имеет смысла. Наибольший интерес представляют оставшиеся события вида <11Х2Х3>, которые близки к реальным ситуациям. Действительно событие вскрытия (обнаружения) модуля ПУ, соответствующее единице на первой позиции (11), приводит к необходимости подробного рассмотрения двух следующих ситуаций:
1. Из вектора <11Х2Х3> следует две ситуации вида: <110203> и <110213>, которые имеют общие особенности: модуль ПУ вскрыт, но удар не может быть нанесен по разным обстоятельствам. Следовательно, для модуля ПУ эти две ситуации безопасны.
2. Из вектора <11Х2Х3> следует ещё две других возможных ситуации вида: <111213> и <111203> характеризующие, что модуль ПУ «вскрыт», удар нанесен (или будет нанесен в ближайшее время), но попадание может быть точным (13) и не точным (03), т.е. имеет место неопределенность.
Рассмотренная модель нештатных ситуаций за счет упрощения формулы (1), позволяет формально выделить из множества ситуаций критические и сосредоточить внимание ЛПР на них. Выделенные ситуации (Х1 = 1, Х2= 1) можно назвать критическими и дальнейшее устранение (или сведение к минимуму) неопределенности происходит за счет получения достоверных входных данных в необходимом количестве.
Как указывалось выше, перебор возможных ситуаций происходит при условии принятия вероятностей двух предельных значений «0» и «1». В действительности вероятности могут принимать разные значения из интервала {0,1} и носят динамический характер. Отсюда число возможных вариантов n ситуаций стремиться к бесконечности (n ) и выбор из этого множества наиболее опасных может быть осуществлен при условии построения ограничений на основе реального опыта. Другими словами, многие значения вероятностей, которые могут быть использованы при оценке (1) могут быть опущены, т.к. в действительности события соответствующие им просто не осуществимы. Тем не менее, наиболее важным фактором при анализе ситуаций является вскрытие (обнаружение) модуля ПУ и здесь вероятности могут уточняться разными способами, но в ограниченное время.
Величина ущерба, наносимого поражаемому модулю ПУ, зависит от большого числа факторов, имеющих как детерминированный, так и стохастический характер, в целом является случайной величиной. Таким образом, формально вероятность нанесения удара Р(Q) по l-му элементу может быть представлена в виде выражения:
,(3)
где - коэффициент, определяющий возможность нанесения удара средством j-го типа по l-му элементу; - вероятность того, что противником своевременно, т.е. за то время, в течение которого l-тый модуль ПУ функционирует в разведанном районе, будет нанесён по нему удар; - вероятность доставки средств поражения j-го типа к l-му модулю.
Параметр учитывает условия, ограничивающие возможность применения средства j-го типа для поражения l-того модуля ПУ и определяются по соотношению:
(4)
где: - расстояние до объекта поражения от средства поражения; - соответственно, минимальная и максимальная дальности поражения j-тым средством.
В соответствии с исследованиями, основанными на опыте локальных войн, мы имеем возможность оценить вероятность своевременного нанесения противником удара по объекту поражения в зависимости от времени подготовки комплексов оружия к применению и от времени нахождения объекта в районе предназначения. С учётом этих исследований вероятность своевременного нанесения удара по модулю ПУ определяется соотношением:
,(5)
где , - параметры (гамма) - распределения, аппроксимирующего время на подготовку удара; - математическое ожидание времени, необходимого на подготовку и нанесение удара; - дисперсия времени, необходимого на подготовку и нанесение удара; - математическое ожидание времени функционирования модуля ПУ в одном районе.
Время, необходимое на подготовку к нанесению удара, включает время, затраченное на обнаружение объекта, обработку информации, принятие и доведение решения, непосредственную подготовку комплексов, а математическое ожидание времени , необходимого на подготовку и нанесение удара, определяется как:
,(6)
где - математическое ожидание времени на разведку модуля ПУ;
- математическое ожидание времени на обработку информации, принятие и доведение решения;
- математическое ожидание времени на подготовку и нанесение удара.
Поражение модуля ПУ может быть предотвращено на этапе подлёта носителей к объекту поражения за счёт воздействия средств противовоздушной обороны (ПВО), характеризующиеся вероятностью поражения средствами ПВО (). По прогнозам специалистов на рубеже 2015 года эта величина будет составлять: , что будет соответствовать уничтожению до 30% носителей. Учитывая высокую техническую надежность средств доставки, вероятность доставки боеприпасов к цели будет определяться возможностями средств ПВО, т.е. ().
Поскольку обнаружение модуля ПУ различными видами разведки события независимые, вероятность наступления события «модуль ПУ вскрыт» будем определять как
,(7)
где: - вероятность обнаружения i-тым видом разведки.
При проведении расчётов вероятностей обнаружения модулей разведкой противника с целью их упрощения сделано ряд допущений, не оказывающих существенного влияния на результат:
- считается, что все демаскирующие признаки, присущие объектам системы управления, проявились в полном объёме;
- при установлении энергетического контакта с источником радиоизлучения происходит и его опознавание;
- противник располагает эталонными характеристиками модулей ПУ.
Вероятность попадания средством воздействия в модуль ПУ Р(W) зависит от знания противником точных координат места нахождения объекта поражения. Наименьшую зависимость от Р(N) будет иметь место при использования противником оружия массового поражения, в частности оружия с ядерными зарядами. Но в настоящее время при развитии тенденции локальных войн использование таких видов оружия маловероятно. Следующим фактором, влияющим на значение вероятности Р(W), является время нахождения модуля ПУ в районе функционирования, начиная с момента определения координат местоположения модуля ПУ разведкой противника. Вероятность этого события определяется на основе потери ресурса модулем ПУ в зависимости от степени причинении ущерба средством воздействия противника на модуль ПУ. Другими словами, чем большее время объект управления находится в районе функционирования в неподвижном состоянии с момента вскрытия разведкой противника, тем больший ущерб будет нанесен модулю ПУ, который в таком случае будет определяться мощностью средств воздействия противника. Таким образом, при максимальных значениях вероятность события Р(W) > 1. Методика определения вероятности события Р(W) рассматривается в специальных источниках и в рамках диссертационной работы воспользуемся усредненными значениями, которые нам необходимы для функционирования программной реализации математической модели оценки возможного воздействия противника на модуль ПУ.
На основании проведенного выше анализа и учета влияния случайных событий, наличия неопределенностей, вызванных неполнотой и несвоевременностью информации, необходимой для оценки ситуации, включающей выбранное множество наиболее значимых факторов, влияющих на качество принятия ЛПР решений, предлагается вычислять интегральное значение вероятности поражения модуля ПУ внутри зоны.
В соответствии с рассмотренным, выражение (1) может быть представлено в виде:
,(8)
где - вектор, фиксирующий уровень потенциала опасности в конкретной точке трехмерного пространства (P,X,Y) над выбранной зоной, причем координаты (X,Y) привязываются к центру зоны.
С учетом выражения (5), выражение (8) может быть представлено в следующем виде:
. (9)
Представление (9) является моделью анализируемой ситуации и отображает события, носящие в общем случае случайный характер. Время, в течение которого значение вектора будет достоверным, зависит от скорости изменения входных данных. Из значений формируется матрица значений уровней опасности для соответствующих координат районов размещения модулей ПУ (рисунок 3).
|
Координаты Х |
Х1 |
Х2 |
Х3 |
Х4 |
Х5 |
. . . |
Хi |
|
|
Координата Y |
||||||||
|
Y1 |
Р(1,1) |
Р(2,1) |
Р(3,1) |
Р(4,1) |
Р(5,1) |
. . . |
Р(i,1) |
|
|
Y2 |
Р(1,2) |
Р(2,2) |
Р(3,1) |
Р(4,1) |
Р(5,1) |
. . . |
Р(i,2) |
|
|
. . . |
. . . |
. . . |
. . . |
. . . |
. . . |
. . . |
. . . |
|
|
Yj |
Р(1,j) |
Р(2,j) |
Р(3,j) |
Р(4,j) |
Р(5,j) |
. . . |
Р(i,j) |
Рисунок 3 - Матрица значений уровней опасности.
На основании данных (рисунок 3) формируется ДПУО в виде трехмерной поверхности с дополнительным графиком равного уровня, получаемого путем проецирования на опорную плоскость графика, где (X,Y) являются координатами района боевых действий. График ДПУО представлен на рисунке 4.
Рисунок 4 - График ДПУО.
Во второй главе разработан алгоритм формирования маршрутов, модель интервала выживания (рисунок 5), позволяющая определить зависимость времени принятия решения ЛПР (Тпр) и времени совершения маневра (Тм) от времени на подготовку (Тну) и непосредственно нанесение удара (Ткр) по обнаруженным объектам управления, а также временные схемы корректировки маршрутов передвижения, позволяющие обосновать временную схему комбинированного маршрута передвижения модуля ПУ.
Рисунок 5 - Модель интервала выживания модуля ПУ.
На основе первой временной схемы корректировки маршрутов проведено обоснование необходимости изменения маршрута движения в один заданный район вследствии опасности продвижения по ранее выбранному маршруту. В соответствии со второй временной схемой корректировки маршрутов анализируются изменения уровня опасности в районах предполагаемого размещения модуля ПУ. В результате интеграции двух способов корректировки маршрутов разработана временная схема комбинированного маршрута передвижения модуля ПУ (рисунок 6).
Рисунок 6 - Временная схема комбинированного маршрута.
Временная схема комбинированного маршрута передвижения модуля ПУ позволяет на основе оперативного анализа динамически меняющейся обстановки формировать безопасный маршрут передвижения модуля ПУ в менее опасный район размещения в реальном времени.
Третья глава посвящена разработке алгоритмического программного обеспечения системы анализа и принятия решений в условиях неопределенности. На основе рассмотренного подхода к анализу ситуаций складывающейся обстановки предложена система повышения живучести объекта управления, в которой связаны между собой противодействующие стороны: лицо, принимающее решение с комплексом контрмер и противник с комплексом дестабилизирующих факторов.
Система повышения живучести объекта управления позволяет отслеживать воздействия отрицательных факторов, а также определить степень их влияния на состояние живучести объекта управления.
Противник является основным источником дестабилизирующих факторов. Дестабилизирующие факторы проявляются в виде угроз, увеличения уязвимостей и повышения риска снижения живучести объекта управления. Совокупность дестабилизирующих факторов способны создать угрозы, которые могут представлять собой: - полное уничтожение объекта управления; - частичное повреждение или временный вывод объекта управления из строя; - полную или частичную дезорганизацию системы связи; - нанесение вреда здоровья персонала объекта управления вплоть до гибели. В свою очередь угрозы воздействуют на уязвимости, предрасполагающие к обнаружению места нахождения объекта управления, доступ в систему связи с целью получения разведданных и ввода ложной информации, идентификацию радиоизлучающих средств объекта управления. Отмеченные уязвимости приводят к увеличению риска вывода из строя объекта управления, полного или частичного нарушения работы системы связи. Таким образом, рассмотренные риски в совокупности с возникающими угрозами отрицательно воздействуют на живучесть объекта управления - способность объекта управления выполнять свои функции на заданном уровне в рассматриваемых условиях.
Основные способы повышения живучести, в данном случае являются контрмерами, которые стремятся снизить риски. На ряду со стремлением контрмер снизить риски, часть из них, маскировка, активная защита и изменение «статуса», обладают определенными уязвимостями. Современные средства обнаружения позволяют с большой долей достоверности определять место нахождения различных объектов не только по внешним признакам, но и режимам работы радиоизлучающих средств. Используемые активные средства защиты не всегда по своим техническим характеристикам могут противостоять средствам воздействия и, в основном, применяется на стационарных объектах. Изменение «статуса» объекта управления, как правило, используется в крайних случаях и направлено на сохранение жизни экипажа и частичной сохранности технических средств объекта управления с исключением из процесса управления. В связи с эти в диссертационной работе в качестве основной контрмеры рассматриваться маневр для обеспечения живучести подвижного объекта управления. ЛПР выбирает наиболее оптимальный вариант действий из множества рекомендаций, формируемых в процессе моделирования нештатных ситуаций, с целью повышения живучести объекта управления.
Разработаны алгоритм формирования входных данных (рисунок 7) и алгоритм формирования ДПУО, представленного на рисунке 8.
Рисунок 7 - Блок-схема алгоритма формирования входных данных.
Рисунок 8 - Блок-схема формирования ДПУО.
Особенностью алгоритма формирования входных данных является то, что определены зависимости определяемых данных (блок 7) от тех параметров, которые оказывают наибольшее влияние при формировании ДПУО. Для ЛПР наиболее удобной формой восприятия и визуальной оценки состояния окружающей обстановки является представление уровней опасностей для модуля ПУ в виде трехмерной поверхности (ДПУО). Такого вида «обзор» позволяет проводить предварительную оценку ситуации и делать выбор варианта принятия решения «на лету», в условиях ограниченного времени на выполнение полного комплекса действий по выработке вариантов решений, при условии явной опасности или близких по состоянию окружающей обстановки ситуаций. Другим преимуществом данного представления результатов анализа складывающейся окружающей обстановки является возможность для ЛПР отслеживать возрастающий уровень опасности не только в районе размещения модуля, но и во всех возможных местах размещения модуля ПУ, определяемые границами (координатами) всего района ведения боевых действий.
В результате реализации алгоритма формирования ДПУО получаем следующие результаты:
- визуализация уровней опасности (угрозы) размещения модулей ПУ в районе боевых действий на основе анализа складывающейся обстановки;
- вероятности поражения модулей ПУ для возможных районов размещения, необходимые для выработки системой вариантов решений с требуемой степенью достоверности.
На достоверность формируемого ДПУО влияет время обновления информации от источников входных данных.
В ходе программной реализации моделирования предлагаемых вариантов решений по перемещению модулей ПУ в безопасный район размещения проведен анализ ряда алгоритмов на графах, осуществляющих поиск кратчайшего пути. Анализ методов решения данной задачи выявил проблему, состоящую в том, что большинство методов имеет очень плохое быстродействие для достаточно больших или сложных графов.
С целью получения рекомендаций для выбора алгоритма поиска кратчайшего пути реализованы алгоритмы Дейкстры, А-звездочка и Волновой алгоритм.
Разработан алгоритм анализа электронной карты местности района возможного размещения модулей ПУ, позволяющий получить оценку состояния внешней окружающей природной среды в виде данных, необходимых для работы подсистемы моделирования вариантов решений по совершению маневра модулями ПУ в безопасный район размещения.
Разработанные алгоритмы позволяют создать программную систему моделирования нештатных ситуаций и выработки вариантов альтернативных решений по перемещению модулей ПУ в безопасный район размещения.
Четвертая глава диссертации посвящена статистическим испытаниям, оценке эффективности программного комплекса и рекомендациям по его использованию. Программный комплекс был реализован на основе структурной схемы системы анализа ситуации и принятия решений в условиях неопределенности, представленной на рисунке 9.
Программная реализация системы позволила практически реализовать центральные задачи диссертационной работы:
- анализ нештатных ситуаций, выделение наиболее критичных (опасных);
- разработка алгоритма оценки нештатных ситуаций с возможным прогнозом;
- моделирование нештатных ситуаций и выработка рекомендаций по сохранению ресурсов подвижных военно-технических объектов связи.
Рисунок 9 - Структурная схема системы анализа ситуаций и принятия решений в условиях неопределенности.
На основе тестов проведена всесторонняя оценка программного комплекса по быстродействию работы, затратам ресурсов, требованиям и условиям реализации. В работе исследованы вопросы оценки эффективности разработанного программного комплекса. Учитывая основные требования к функционированию разработанной системы целесообразно использовать для оценки эффективности критерии оперативности, адекватности и устойчивости. Приведены обоснование выбора критериев и способов определения значений этих критериев.
Описан интерфейс программного комплекса, определены требования по вводу исходных данных, раскрыты основные возможности по оценке складывающейся обстановки на основе формирования 2-х и 3-х мерных графиков ДПУО, порядок наложения электронной карты местности и формирование вариантов решений - маршрутов передвижения модуля ПУ.
В системе также был реализован модуль, отвечающий за вывод статистической информации для ЛПР. В модуле происходит отображение всех выполняемых системой действий, с подробными комментариями (рисунке 10).
Рисунок 10 - Модуль вывода информации.
В информационном окне выводится также подробная информация о каждом из построенных путей: время, которое затратит модуль на преодоление пути; время работы алгоритмов поиска кратчайшего пути; выполняемая текущая операция; последовательность работы системы.
Разработанный программный комплекс имеет хорошие перспективы для применения не только в военной области, но и для решения задач в различных структурах специального назначения, такие как МВД, МЧС и др. После небольших изменений и модернизации основных блоков систему можно применять, например, для задач размещения жилых объектов в потенциально опасных, с точки зрения географии и погодных условий, районах, для построения дорожных магистралей, прокладки трубопроводов и других подобных задач. Достоинство системы, заключается в ее модульном построении, при котором, каждая отдельная подзадача реализуется отдельным модулем. Это не только повышает гибкость, но и позволит со временем нарастить возможности всей системы.
В заключении приведены основные выводы по диссертации, сформулированы полученные научные и практические результаты, состоящие в следующем:
1. Для решения задач управления подвижными организационно-техническими системами специального назначения в условиях динамически меняющейся обстановки и особенно в условиях нештатных ситуаций, необходимо разрабатывать специальные системы поддержки принятия решений на основе интегрированной оценки воздействия внешних и внутренних дестабилизирующих факторов.
2. Одним из эффективных приёмов оценки опасностей для объектов управления в нештатных ситуациях является предложенная в диссертации вероятностная модель, отображающая наиболее существенные внешние дестабилизирующие факторы с точки зрения уязвимости организационно-технических систем специального назначения.
3. Для оценки нештатных ситуаций в условиях ограниченного времени на принятие решений, разработана геометрическая трехмерная модель нештатных ситуаций, совмещенная с геоинформационной системой (электронной картой местности), позволяющая ЛПР оперативно оценивать реальную обстановку и принимать решения на более качественном уровне без проведения компьютерного моделирования в режиме реального времени.
4. В качестве критерия сохранения ресурса подвижных организационно-технических систем специального назначения в нештатных ситуациях использована живучесть - как свойство сохранять во времени в установленных пределах способность выполнять заданные функции, и на основании проведенного анализа способов обеспечения живучести в качестве основного показателя было предложено использовать маневр подвижными объектами управления.
5. Разработаны алгоритм формирования маршрутов передвижения и комплекс временных схем корректировки маршрутов передвижения в безопасный район размещения модуля ПУ в условиях динамически меняющейся обстановки.
6. Разработаны и программно реализованы алгоритмы моделирования нештатных ситуаций на основе анализа данных о состоянии окружающей обстановки в районе возможного размещения модулей ПУ в виде программного комплекса «Анализ ситуации и принятие решений в условиях неопределенности», разработанного в среде Borland Delphi на языке Delphi (Delphi language), что позволило проводить моделирование нештатных ситуаций и формирование на основе результатов моделирования вариантов альтернативных решений.
7. Разработан удобный интерфейс, позволяющий ЛПР значительно повысить эффективность своей работы по принятию решений в условиях ограниченного времени и динамически меняющейся обстановки.
8. Проведено моделирование реальных ситуаций, в том числе нештатных, оценена эффективность вырабатываемых системой маршрутов, наглядность геометрической модели отображения нештатных ситуаций на основе динамического пространства уровней опасности, корректность работы и быстродействие используемых алгоритмов поиска кратчайшего пути.
Список публикаций по теме диссертации
В журналах из списка ВАК
1. Смагин А.А., Мельников Д.А. Об одном подходе к построению автоматизированных систем представления и обработки информации для систем управления военного назначения. - Известия Самарского научного центра Российской академии наук. Специальный выпуск «Технологии, процессы и системы в ходе их эволюционного развития». / под ред. В.П. Шорина. - Самара, Самарский научный центр Российской академии наук. 2007. - с. 159 - 163.
В журналах не из списка ВАК
1. Мельников Д.А. Основные направления применения искусственных нейронных сетей в телекоммуникационных технологиях. - Труды IX военно-научной технической конференции «Актуальные вопросы совершенствования техники и систем военной связи на основе современных телекоммуникационных и информационных технологий». - Ульяновск: 29 ИП МО РФ, 2004, - с. 81 - 82.
2. Мельников Д.А. Анализ проблемы обеспечения живучести сетей связи. - Труды X военно-научной технической конференции «Актуальные вопросы совершенствования техники и систем военной связи на основе современных телекоммуникационных и информационных технологий». - Ульяновск: 29 ИП МО РФ, 2004, - с. 128 - 130.
3. Мельников Д.А. Использование имитационного моделирования в оценке живучести систем управления военного назначения. - Сборник материалов Межвузовской научно-практической конференции «Актуальные вопросы развития техники связи и автоматизации на базе современных технологий. Проблемы подготовки специалистов связи», - Ульяновск: УВВИУС (военный институт), 2004. - с. 10 - 13.
4. Галеев А.Ф., Мельников Д.А. Перспективы развития информационных технологий управленческой деятельности на основе нейрокомпьютеров. - Сборник материалов ХХХ Межвузовской военно-научной конференции курсантов «История развития военной техники связи в послевоенный период», - Ульяновск: УВВИУС (военный институт), 2004. - с. 44- 47.
5. Мельников Д.А. Анализ показателей живучести системы связи военного назначения. - Сборник рефератов депонированных рукописей, серия Б, выпуск № 70, М: ЦВНИ МО РФ, 2005.
6. Мельников Д.А. Интеллектуальная система поддержки принятия решений реального времени как система распределенного интеллекта семиотического типа. - Труды XI военно-научной технической конференции, посвященной 110 годовщине изобретения радио А.С. Поповым. - Ульяновск: 29 ИП МО РФ, 2005. - с. 87 - 89.
7. Гладких А.А., Зелимов Р.Р., Мельников Д.А. Использование математических методов при моделировании обманных систем в условиях конфликта. - Сборник научных трудов Ульяновского высшего военного инженерного училища связи (военного института). Материалы межвузовской научно-практической конференции «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем», - Ульяновск: УВВИУС (военный институт), 2004. - с. 13 - 16.
8. Мельников Д.А., Зелимов Р.Р. Применение геоинформационных технологий в автоматизированных системах управления войсками и связью. - Сборник научных трудов Ульяновского высшего военного инженерного училища связи (военного института). Материалы межвузовской научно-практической конференции «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем», - Ульяновск: УВВИУС (военный институт), 2004. - с. 20 - 23.
9. Зелимов Р.Р., Мельников Д.А., Рагузин С.В. Концепция информационного противоборства в современных войнах. - Сборник научных трудов Ульяновского высшего военного инженерного училища связи (военного института). Материалы межвузовской научно-практической конференции «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем», - Ульяновск: УВВИУС (военный институт), 2004. - с. 30 - 33.
10. Смагин А.А., Мельников Д.А. Модель системы поддержки принятия решений в условиях динамически меняющейся обстановки. - Ученые записки Ульяновского государственного университета. Серия Информационные технологии. Вып.2 / под ред. проф. А.А. Смагина, доц. Ю.С. Нагорнова. - Ульяновск, УлГУ, 2005. - с. 99 - 102.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Задача анализа деловой активности, факторы, влияющие на принятие решений. Современные информационные технологии и нейронные сети: принципы их работы. Исследование применения нейронных сетей в задачах прогнозирования финансовых ситуаций и принятия решений.
дипломная работа [955,3 K], добавлен 06.11.2011Основные возможности системы учета, ее функционал. Структурная схема тракта телесигнализации. Предлагаемые решения по передачи данных. Ручной опрос приборов учета. Уведомление и контроль нештатных ситуаций. Сравнение потребления с договорной нагрузкой.
презентация [14,6 M], добавлен 17.02.2016Разработка алгоритмического и программного обеспечения для решения задачи поддержки принятия решений о выпуске новой продукции. Математическое обеспечение задачи поддержки принятия решений о выпуске новой продукции, основные входные и выходные данные.
дипломная работа [943,0 K], добавлен 08.03.2011Системы поддержки принятия решений. Информационные аспекты процессов химической очистки теплоэнергетического оборудования. Математическое моделирование на основе корреляционно-регрессионного анализа. Построение модели. Подсистема "Дисперсионный анализ".
дипломная работа [4,2 M], добавлен 12.08.2017Классификация систем поддержки принятия решений. Сравнительный анализ методик для оценки рисков розничного кредитования. Структура системы поддержки принятия решений, формирование начальной базы знаний. Проектирование базы данных информационной системы.
дипломная работа [1,9 M], добавлен 10.07.2017Этапы процедуры принятия решений. Разработка математического алгоритма. Блок-схема алгоритма работы программы. Разработка программы на языке программирования С++ в среде разработки MFC. Текст программы определения технического состояния станка с ЧПУ.
курсовая работа [823,0 K], добавлен 18.12.2011Концепция систем поддержки принятия решений. Диапазон применения Analytica 2.0. Программное обеспечение количественного моделирования. Графический интерфейс для разработки модели. Основные способы моделирования. Диаграмма влияния и дерево решений.
контрольная работа [1,1 M], добавлен 08.09.2011Анализ применения нейронных сетей для прогнозирования ситуации и принятия решений на фондовом рынке с помощью программного пакета моделирования нейронных сетей Trajan 3.0. Преобразование первичных данных, таблиц. Эргономическая оценка программы.
дипломная работа [3,8 M], добавлен 27.06.2011Понятие каталогов ресурсов Интернета. Разновидности и средства их использования. Разработка модели в средах программирования BPwin и Erwin. Программное моделирование в среде проектирования Rational Rose. Регистрация незарегистрированного пользователя.
курсовая работа [2,5 M], добавлен 24.11.2014Разработка программного обеспечения для управления базой данных. Место задачи в системе автоматизации. Семантическое моделирование данных. Разработка программного обеспечения и базы данных. Расчет трудоемкости и себестоимости этапов проектирования.
дипломная работа [2,9 M], добавлен 04.02.2016
