Тема 4. Элементы теории интегрированных бортовых автоматических систем.

( 6 часов, СРС – 4,5 часа)

Современное проектирование бортовых автоматических систем (БАС) , отдельных приборов, устройств и подсистем подчинено идее единого (интегрированного) комплекса (ИБАС). Бортовые комплексы автоматических систем ДСА представляют собой системы функционирующие в различных условиях и ситуациях, определяемых состоянием внешней среды, внутренним состоянием систем и аппарата в целом. Представим состав БАС с точки зрения информационных систем. В состав бортовых автоматических комплексов с информационной точки зрения входят объекты управления и управляющие системы. Объектами управления являются рулевые органы, двигатели, средства разгона и торможения, различные исполнительные органы и т.д.

Рис.5

Элементами управляющих систем являются датчики информации о внешней среде, о состоянии бортовых систем и положении аппарата в пространстве, преобразователи информации, каналы связи и бортовые цифровые вычислительные машины (БЦВМ). Отметим, что их может быть несколько – одна центральная и несколько периферийных. Графически состав БАС приведен на рис.

Перечислим основные свойства интегрированных комплексов бортовых автоматических систем (КБАС):

1. КБАС имеют входные параметры и выходные параметры.

2. КБАС обладают состоянием и функциями перехода состояний. Состояние определяется значениями входных переменных в текущий момент и вообще за все предыдущее время сеанса функционирования.

3. КБАС бывают дискретные и непрерывные.

4. КБАС могут иметь как детерминированные, так и случайные параметры.

5. Для КБАС характерна сложная структура.

6. КБАС обладают многокритериальностью оценок.

7. Современные КБАС должны быть способны к реконфигурации в зависимости от режимов и условий движения ДСА.

8. Современные КБАС должны обладать элементами искусственного интеллекта.

Отметим характерные черты процесса создания современных КБАС.

1. Процесс создания комплекса БАС является длительным и итерактивным процессом.

2. Процесс создания комплекса БАС включает ряд последовательных этапов, начиная от предварительного проектирования и кончая эксплуатацией.

3. Каждый из этапов реализует последовательность фаз разработки, таких как: постановка задачи, решение задачи, оценка и принятие решения о результатах выполнения задачи.

4. На этапах разработки КБАС используются различные математические методы и модели. Большая их часть использует для реализации ЦВМ.

5. На этапах технического проектирования и отработки, наряду с математическими методами, используются методы имитационного моделирования, полунатурного моделирования и натурной отработки.

Каждый этап создания КБАС отличается определенным уровнем проработки и познания будущей системы. С каждым этапом этот уровень растет. В чем это заключается: 1) корректируется формулировка задачи, 2) повышается уровень адекватности моделей, 3) снижается степень неопределенности значений параметров, 4) обеспечивается реализуемость системы, 5) исключается несовместимость функций и параметров, 6) устраняется субъективность оценок качества системы.

Такая методика связана со значительными материальными и временными затратами. Для рационального процесса проектирования БАС, повышения качества создаваемых БАС используется процедура, называемая комплексирование БАС.

Комплексирование – это проектная процедура, которая позволяет совмещать и оптимизировать: 1) общесистемные, информационно-алгоритмические и технические ресурсы; 2) физические процессы; 3) эксплуатационные и организационные мероприятия.

Цель комплексирования – создание на базе современной технологии высокоэффективных бортовых автоматических комплексов. Эти комплексы должны удовлетворять требованиям совместимости подсистем, должны быть способными переносить неблагоприятное влияние различных факторов, должны использовать в управлении возможности искусственного интеллекта при реализации различных видов поведения (программируемого, адаптивного, импровизационного). Все это должно выполняться с помощью различных способов энергетического, информационного и механического взаимодействия комплексов с различной внешней средой.

Предметом комплексирования является как комплекс в целом, так и функции, алгоритмы, датчики информации, БЦВМ и программы, каналы связи, конструктивные элементы, физические процессы (электрические, электронные, тепловые, механические, …), а также эксплуатационные и организационные процедуры. Рассмотрим принципы комплексирования (из чего состоит процедура комплексирования). Принципы комплексирования формулируются на предварительных этапах проектирования. Принципы комплексирования определяют функциональные, алгоритмические и технические особенности реализации КБАС.

Принципы комплексирования включают:

1. формирование структуры (структурирование) комплекса;

2. организацию алгоритмического и программного обеспечения;

3. организацию управления и контроля КБАС;

4. организацию информационного взаимодействия элементов комплекса;

5. техническую реализацию;

6. стандартизацию и унификацию элементов КБАС.

Рассмотрим подробнее каждый принцип комплексирования.

1. Формирование структуры (структурирование) комплекса включает в себя два компонента. Первый - определение состава и распределение функций между элементами комплекса. Второй – формирование иерархического характера построения комплекса. Выделяют основные три уровня иерархического построения комплекса: нижний – первичного физического и функционального преобразования информации; средний – комплексной обработки информации и управления; верхний – прогноза, планирования и организации поведения. Трехуровневому характеру построения комплекса соответствует трехуровневая аппаратурно-функциональная организация комплекса.

Первый уровень образуют информационные и исполнительные элементы – например, датчики глубины или высоты, датчики углов ДСА (гироскопы), гидроакустические преобразователи и т.д.; исполнительные элементы – это рулевые машинки, пиропатроны, клапана, запалы.

Второй уровень – информационно-исполнительные системы. Это системы, которые по определенному алгоритму на основе информации с датчиков вырабатывают сигналы на функционирование исполнительных элементов.

Третий уровень – информационно-управляющие системы. Это системы, которые на основе всей или части значений датчиков первичной информации могут менять алгоритмы для второго уровня.

На каждом уровне могут использоваться или не использоваться БЦВМ соответствующей комплектации и производительности.

2. Второй принцип комплексирования - организация алгоритмического и программного обеспечения. Она включает в себя следующие положения:

1. необходима иерархия построения уровней алгоритмической организации в соответствии с организацией общей структуры;

2. необходима управляемость и технологичность алгоритмов, возможность их локальных изменений;

3. необходима модульность алгоритмического и программного обеспечения;

4. необходима минимальная разветвленность и унификация алгоритмов.

3. Третий принцип комплексирования - организация управления и контроля КБАС. К нему относится 1) использование иерархической системы управления режимами работы; 2) централизация средств управления. Реализация этих двух положений возможна на базе разделения функций управления и контроля в соответствии с иерархической организацией структуры КБАС.

На высшем уровне должны решаться задачи распознавания и анализа ситуаций. Далее решаются задачи управления общими режимами работы. Затем задачи контроля, визуализации и документирования (по необходимости). Решение этих задач может осуществляться при участии оператора.

4. Следующий принцип комплексирования – организация информационного взаимодействия элементов комплекса. В соответствии с этим принципом должно быть обеспечено требование по скорости передачи, помехоустойчивости, гибкости и унификации связей. Вес приемо-передающей аппаратуры и кабельных соединений должен быть минимальным. Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяет принцип цифрового обмена с использованием проводных линий связи. Целесообразна не менее чем двухуровневая организация структуры системы информационного обмена.

Канал верхнего уровня – межсистемный. Он осуществляет интеграцию комплекса в целом, т.е. обеспечивает связь информационно-исполнительных систем с системами управления комплексом.

Локальный канал нижнего уровня обеспечивает информационный обмен в информационно-исполнительных системах.

Организация локального канала связи в информационно-исполнительной системе определяется на основе анализа загрузки канала верхнего уровня, на основе анализа размещения подблоков, на основе требований к живучести и автономности систем, а также учитывается целесообразность осуществления информационного обмена в цифровой форме между элементами системы.

И, наконец, последние два принципа комплексирования - техническая реализация, стандартизация и унификация элементов КБАС.

Эти два принципа требуют

- модульности построения систем и конструкций;

- использования стандартных интерфейсов в источниках и приемниках информации;

- универсализации и унификации аппаратуры;

- использования ряда совместных БЦВМ с модульной структурой и конструкцией;

- максимально возможной унификации информационно-исполнительных систем.

Моделирование процессов функционирования КБАС

Изложенные принципы комплексирования представляют не более чем задание на комплексирование бортовой автоматической системы (БАС). Эти принципы состоят из нескольких пунктов (шести), начиная от формирования структуры (п.1) и кончая стандартизацией и унификацией элементов КБАС. Но как реализовать эти принципы, как проследить (проанализировать) взаимное влияние различных параметров КБАС, как устранить противоречия между значениями различных параметров?

Существенную помощь при создании бортовых автоматических систем оказывает проектная процедура, которая называется моделирование.

Под моделированием понимается замещение исследуемого объекта (оригинала) его условным образом или другим объектом (моделью) и изучение свойств оригинала путем исследования свойств модели.

При выполнении моделирования должны выполняться два условия:

1) нужно чтобы модель обеспечивала корректное (адекватное) отображение свойств оригинала, существенных с точки зрения проводимого исследования;

2) нужно чтобы модель обеспечивала проведение измерений исследуемых параметров.

Все модели в зависимости от способа реализации разделяют на два класса: физические и математические.

Физические модели предполагают, как правило, реальное воплощение тех физических свойств оригинала, которые интересуют исследователя. Например, при проектировании подводной или крылатой ракеты создается ее макет, обладающий теми же гидродинамическими или аэродинамическими характеристиками. В связи с этим физическое моделирование называют также макетированием.

Математическая модель представляет собой формализованное описание системы с помощью некоторого абстрактного языка, например в виде совокупности математических соотношений или схемы алгоритма. Вообще любое математическое выражение, в котором фигурируют физические величины, можно рассматривать как математическую модель того или иного процесса или явления. В частности уравнение представляет собой модель прямолинейного равноускоренного движения.

Принципы математического моделирования сводятся к следующим позициям:

• Принцип информационной достаточности. При полном отсутствии информации об исследуемой системе построение ее модели невозможно. При наличии полной информации о системе ее моделирование лишено смысла. Существует некоторый критический уровень априорных сведений о системе (уровень информационной достаточности), при достижении которого может быть построена ее адекватная модель.

• Принцип осуществимости. Создаваемая модель должна обеспечивать достижение поставленной цели исследования за конечное (приемлемое) время. (При статистическом моделировании задается вероятность достижения поставленной цели)

• Принцип множественности моделей. Данный принцип является ключевым. Создаваемая модель должна отражать в первую очередь те свойства реальной системы, которые влияют на исследуемые параметры. При использовании любой конкретной модели познаются лишь некоторые стороны реальности. Для более полного ее исследования необходим ряд моделей, позволяющих с разных сторон и с разной степенью детальности отражать рассматриваемый процесс.

• Принцип агрегирования. В большинстве случаев сложную систему можно представить состоящей из подсистем (агрегатов). Адекватное математическое описание подсистем естественно более простое чем всей системы и часто оказываются пригодными некоторые стандартные математические схемы. Принцип агрегирования позволяет, кроме того, достаточно гибко перестраивать модель в зависимости от задач исследования.

• Принцип параметризации. В ряде случаев моделируемая система имеет в своем составе некоторые относительно изолированные подсистемы, характеризующиеся определенным параметром, в том числе векторным. Такие подсистемы можно заменять в модели соответствующими числовыми величинами, а не описывать процесс их функционирования. При необходимости зависимость значений этих величин от ситуации может задаваться в виде таблицы, графика или аналитического выражения (формулы). Принцип параметризации позволяет сократить объем и продолжительность моделирования. Однако надо иметь ввиду, что параметризация снижает адекватность модели.

Степень реализации перечисленных принципов в каждой конкретной модели может быть различной, причем это зависит не только от желания разработчика, но и от соблюдения им технологии моделирования. А любая технология предполагает наличие определенной последовательности действий.

Остановимся на компьютерном моделировании. Компьютерное моделирование – это математическое моделирование с использованием средств вычислительной техники. Технология компьютерного моделирования предполагает выполнение следующих действий:

1) определение цели моделирования;

2) разработка концептуальной модели;

3) формализация модели;

4) программная реализация модели;

5) планирование модельных экспериментов;

6) реализация плана эксперимента;

7) анализ и интерпретация результатов моделирования.

Различают два подхода к построению математической модели при компьютерном моделировании. Один подход именуется как «аналитическое моделирование», второй именуется как «имитационное моделирование».

Аналитическое моделирование предполагает использование математической модели реального объекта в форме алгебраических, дифференциальных, интегральных и других уравнений, связывающих входные переменные с выходными, дополненных системой ограничений. При этом предполагается наличие однозначной вычислительной процедуры получения точного решения уравнений.

При имитационном моделировании используемая математическая модель воспроизводит логику (алгоритм) функционирования исследуемой системы во времени при различных сочетаниях значений параметров системы и внешней среды.

В одних случаях более предпочтительным является аналитическое моделирование, в других – имитационное (или сочетание того или другого). Для выбора типа моделирования (аналитического или имитационного) нужно выполнить две первые позиции технологии моделирования – определить цель моделирования и разработать концептуальную модель.

Цель моделирования конкретизируется исходя из общей цели исследования.

Концептуальная модель – это абстрактная модель, определяющая структуру моделируемой системы, свойства её элементов и причинно-следственные связи, присущие системе и существенные для достижения цели моделирования.

Построение концептуальной модели включает следующие этапы:

1. определение типа системы;

2. описание совокупности внешних воздействий;

3. декомпозицию системы.

На первом этапе осуществляется сбор фактических данных о моделируемой реальной системе на основе работы с литературой, технической документацией, проведении натурных экспериментов, сбора экспертной информации и т.д. Выдвигаются гипотезы относительно значений параметров и переменных, для которых отсутствует возможность получения фактических данных. Если полученные результаты соответствуют принципам информационной достаточности и осуществимости, то они могут служить основой для отнесения моделируемой системы к одному из известных типов (классов).

Укажем на некоторые классификационные признаки, по которым моделируемую систему можно отнести к тому или иному типу. Начнем с оценки множества состояний моделируемой системы. По этому признаку системы делятся на статические и динамические.

Система называется статической, если множество ее состояний содержит один элемент.

Система называется динамической, если состояний больше одного и они могут изменяться во времени.

Различают два типа динамических систем:

• с дискретными состояниями (множество состояний дискретно или счетно)

• с непрерывным множеством состояний.

Возможны смешанные случаи.

Процесс смены состояний называется движением системы

Смена состояний может происходить либо в фиксированные моменты времени либо непрерывно.

Различают детерминированные системы и стохастические.

В детерминированных системах новое состояние зависит только от текущего состояния, времени и условий перехода из одного состояния в другое, т.е. можно однозначно рассчитать новое состояние.

В стохастической системе можно рассчитать лишь множество возможных состояний, в которое перейдет система в последующий момент времени, и в некоторых случаях вероятности перехода в каждое из этих состояний.

Приведенные классификационные признаки относятся к реальным системам, но могут быть применены к разрабатываемым моделям. При этом исследуемая система и ее модель могут относиться как к одному, так и к разным классам. Принадлежность реальной системы и ее модели к одному классу говорит о корректности модели, однако это является не всегда полезным для исследования, а иногда и невозможным для реализации модели.

На втором этапе рассматривается совокупность внешних воздействий (СВВ), оказывающих влияние на работу реальной системы, ее параметры, критерии качества. Описание СВВ является не только важной, но и достаточно сложной задачей. Иногда вводят понятие модели СВВ, подчеркивая сопоставимость уровня сложности описания собственно системы и ее совокупности внешних воздействий.

Модель совокупности внешних воздействий должна обладать следующими основными свойствами:

• совместимостью с моделью системы;

• представительностью;

• управляемостью;

• системной независимостью.

Свойство совместимости означает, что во-первых степень детализации описания СВВ соответствует детализации описания системы, во- вторых, модель СВВ должна быть сформулирована в тех же категориях предметной области, что и модель системы.

Представительность модели СВВ означает ее способность адекватно представить СВВ в соответствии с целями исследования, т.е . модель совокупности внешних воздействий должна отвечать целям исследования системы.

Под управляемостью СВВ понимается возможность изменения параметров модели СВВ в некотором диапазоне, определяемом целями исследования.

Системная независимость – это возможность переноса модели СВВ с одной системы на другую с сохранением ее представительности. Это свойство наиболее важно при сравнении различных систем или их модификаций.

На третьем этапе построения концептуальной модели выполняется декомпозиция системы. Декомпозиция системы производится исходя из выбранного уровня детализации модели, который, в свою очередь, определяется тремя факторами:

• целями моделирования;

• объемом априорной информации о системе;

• требованиями к точности и достоверности результатов моделирования.

Детализация системы должна производиться до такого уровня, чтобы для каждого элемента были известны или могли быть получены зависимости его выходных параметров от входных, существенные с точки зрения качества моделирования.

Повышение уровня детализации описания системы позволяет получить более точную ее модель, но усложняет процесс моделирования и ведет к росту затрат времени на его проведение. При выборе уровня детализации системы целесообразно руководствоваться следующим правилом: в модель должны войти все параметры, которые обеспечивают определение интересующих исследователя характеристик системы на заданном временном интервале ее функционирования; остальные параметры по возможности следует исключить из модели. Здесь следует иметь ввиду, что перед началом моделирования мы не всегда знаем какие параметры существенно влияют на результат исследования, а какие – нет.

При имитационном моделировании для оценки выбранного уровня детализации можно использовать специальные критерии.

Первый критерий – отношение времени моделирования к времени реального функционирования системы. При одних и тех же подходах к программной реализации модели чем выше это отношение тем глубже степень детализации описания системы.

Второй критерий - разрешающая способность модели. Сюда входит:

разрешающая способность по времени. Она может быть определена как кратчайший интервал модельного времени между изменением состояния системы;

разрешающая способность по информации. Это наименьшая регистрируемая порция информации, представимая в модели.

Третий критерий – число различных моделируемых состояний системы.

Для компонентов модели, относительно которых известно или предполагается, что они сильнее влияют на точность результатов, степень детальности может быть выше других.

С увеличением детальности возрастает устойчивость модели, но возрастают и затраты машинного времени на проведение машинного эксперимента. Под устойчивостью модели понимают ее способность сохранять адекватность моделируемому объекту при всем диапазоне совокупности внешних воздействий. В общем случае можно утверждать, что чем ближе структура модели к структуре системы и чем выше степень детализации, тем устойчивее модель. Совместимость элементов КБАС

Комплексирование КБАС требует совместимости всех элементов структуры КБАС, принадлежащих различным уровням.

Совместимость – это такое свойство элементов целого, при котором элементы могут соединяться, объединяться, сопрягаться при выполнении некоторых условий в целях совместного функционирования частей или целого.

Совместимость элементов предполагает необязательно их физическое объединение. Это может быть их одновременная работа в некотором пространстве ( в одной автоматической системе).

Совместимость является необходимым условием комплексирования, т.е. если комплексирование выполнено, то все входящие в систему элементы совместимы. В зависимости от выполнения объема условий совместимости совместимость может быть частичной или полной. Невыполнение условий совместимости называется несовместностью. Несовместность бывает устранимая и неустранимая. Устранимая несовместность требует и допускает изменения значений параметров элементов. Неустранимая несовместность приводит к принципиальным видоизменениям элементов. Отметим области совместимости. Совместимость элементов КБАС обычно рассматривают в следующих областях:

1. внешняя среда – цель – система;

2. информационная и алгоритмическая совместимость;

3. технические средства (физические процессы, конструкционные элементы, эксплуатационные процессы и др.).

Вообще анализ совместимости и ее обеспечение может рассматриваться как разрешение противоречий. Эти противоречия разрешаются на уровне «заказчик – проектировщик», «проектировщик – модель комплекса», «проектировщик комплекса – проектировщик подсистем».

Обеспечение совместимости элементов и параметров КБАС - важнейшая составляющая процедуры комплексирования КБАС. Виды комплексирования

1. Целевое комплексирование

Целевое комплексирование – это проектная процедура, в которой решается задача достижения ДСА-ом цели в той или иной ситуации. Ситуация определяется состоянием внешней среды, параметрами цели и параметрами ДСА. Фактически рассматриваются различные варианты действия ДСА в различных ситуациях. Большая часть целевого комплексирования выполняется на этапах предварительного проектирования. После отработки схема действия может быть перенесена на структуру и алгоритмы работы КБАС, то есть структура и алгоритмы работы разрабатываются в соответствии со схемой действия. Таким образом, при целевом комплексировании разрабатывается схема действия.

2. Информационно-алгоритмическое комплексирование (интеграция)

Информационно-алгоритмическое комплексирование – это проектная процедура, в которой совмещаются информационные алгоритмы, структуры моделей всех частей комплекса. Информационно-алгоритмическое комплексирование является необходимым условием комплексирования..

Эта совместимость достигается объединением математических моделей ДСА, объектов внешней среды (целей), средств наблюдения в единую динамическую систему.

Объединение моделей движения, наблюдения и внешней среды в единую динамическую систему приводит: к сложным многосвязным системам большой размерности, разномасштабности, использованию различных временных шкал. Требуются исследования причинно-следственных связей и возможностей декомпозиции и реализуемости.

На основе информационно-алгоритмического комплексирования можно перейти к функциональному комплексированию.

3. Функциональное комплексирование – это определение функциональной последовательности работы КБАС. Покажем на примере управления траекторией движения ДСА.

1) Информационная система (система датчиков) на основе физических процессов обеспечивает данными параметров внешней среды, цели и ДСА систему управления комплексом.

2) Система управления комплексом решает задачу анализа ситуаций, осуществляет выбор целей, прогноз и планирование поведения, формирует возможные области достижения фазовых координат. Выдает системе управления движением заданные значения фазовых координат, принадлежащих области достижимости.

3) Система управления движением на основе информации от системы управления комплексом и от информационной системы формирует команды на рулевые привода для обеспечения движения ДСА по требуемой траектории.

Рис.6

4. Техническое комплексирование.

Техническое комплексирование является синтезом реальной структуры технических средств в соответствии с информационно-алгоритмической структурой комплекса.

Если элементами информационно-алгоритмической структуры комплекса являются алгоритмы системы управления комплексом и алгоритмы системы управления движением, а отношениями выступают логические условия связей алгоритмов, то в технической структуре элементами являются реальные блоки (вычислители, преобразователи и др.), а отношениями выступают реальные линии связи.

Особенностью задач формализованного синтеза технических структур является то, что они относятся к задачам дискретной оптимизации и отличаются многокритериальностью, большой размерностью и требуют практически реализуемых решений.

В процессе комплексирования реальной технической структуры требуется решить систему задач распределения алгоритмов по вычислителям, распределения программного обеспечения в структуре БЦВМ, информации по каналам связи и т.д.

Если в задаче синтеза технической структуры присутствуют ограничения по размещению блоков на реальном ДСА, то при формализованном синтезе имеет место задача синтеза топологической структуры комплекса.