автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Помехоустойчивые иерархические ситуационные модели для автоматизированного управления техническими объектами

Уфимский государственный авиационный технический университет

На правах рукописи

Сметанина Ольга Николаевна

ПОМЕХОУСТОЙЧИВЫЕ ИЕРАРХИЧЕСКИЕ СИТУАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ

Специальность 05.13.06 Автоматизированные системы управления

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д-р техн. наук, проф. Юсупова Н.И.

Уфа — 1998

Благодарности

Автор выражает благодарность

научному руководителю, профессору Н. И. Юсуповой, профессору В. В. Миронову за многочисленные консультации по методологическим и концептуальным аспектам процессов функционирования сложных авиационно-космических объектов и управления ими в нормальных и особых ситуациях, за постоянное внимание к работе и ее поддержку;

доцентам кафедры автоматизированные системы управления Б. Ю. Головкину, Л. Е. Гончар, Р. А. Ярцеву за полезное обсуждение вопросов, связанных с иерархическими ситуационными моделями;

аспирантам Г. Р. Шахмаметовой, Д. В. Никифорову за техническую помощь при подготовке иллюстративных и сопроводительных материалов диссертации.

Оглавление

Благодарности 2

Список рисунков 5

Список таблиц 6

Сокращения 7

Введение 8

1. Анализ вопросов обеспечения помехоустойчивости ситуационного управления техническими объектами 15

1.1. Анализ особенностей ситуационного подхода к автоматизированному управлению техническими объектами в условиях устраняемой неопределенности...... 16

1.2. Выбор цели и этапов исследования............ 32

1.3. Выводы............................ 36

2. Разработка подхода и математического обеспечения помехоустойчивого ситуационного управления 38

2.1. Разработка подхода к обеспечению помехоустойчивости ситуационного управления.............. 39

2.2. Разработка иерархической ситуационной модели с использованием трехзначных предикатов......... 45

2.3. Разработка правил помехоустойчивой интерпретации иерархической ситуационной модели........... 60

2.4. Выводы............................ 83

3. Разработка информационного и алгоритмического обеспечения для помехоусточивого ситуационного управления 86

3.1. Разработка объектно-ориентированного представления трехзначных предикатов............... 87

3.2. Разработка структуры объектно-ориентированной помехоустойчивой ситуационной модели.......... 92

3.3. Разработка алгоритмов интерпретации объектно-ориентированной помехоустойчивой ситуационной модели 96

3.4. Выводы............................115

4. Исследование помехоустойчивости ситауционного управления методами моделирования на ЭВМ 118

4.1. Разработка программных средств реализации помехоустойчивых ситуационных моделей в среде компьтер-ного моделирования ....................119

4.2. Разработка методики исследования на ЭВМ эффективности помехоустойчивых ситуационных моделей . . 131

4.3. Исследование показателей эффективности помехоустойчивых ситуационных моделей на ЭВМ........141

4.4. Выводы............................147

Заключение 149

Библиография 152

Общий раздел........................... 152

Труды по иерархическим ситуационным моделям......160

Труды автора по теме диссертации . .............164

Приложение. Сведения о практическом использовании полученных автором научных результатов 168

Список рисунков

2.1. К понятию многошаговой гипотезы переходов..... 43

2.2. Состав иерархической ситуационной модели............47

2.3. Иерархическая модель критической ситуации «сваливание» ........................................................52

2.4. Пример 1: дуга погружения становится пассивной на этапе эпилоговой обработки................................73

2.5. Пример 2: первоначально пассивная дуга погружения становится активной........................................77

2.6. Пример 3: Переходы в подмодели при эпилоговой обработке ........................................................82

3.1. Объектно-ориентированная реализация обнаружителя 89

3.2. Структура объектно-ориентированной ИСМ............94

3.3. Алгоритм интерпретации ИСМ............................98

3.4. Модель для тестирования ИСМ..............107

3.5. Динамика изменения состояния ИСМ..........112

4.1. К понятию обобщенной ситуационной траектории . . 133

4.2. Оценки распределений в эксперименте «Сваливание» . 142

4.3. Оценки распределений в эксперименте «Ложное сваливание» ............................146

Список таблиц

2.1. Ситуации модели сваливания JIA............. 54

2.2. Дуги модели сваливания JIA................ 56

2.3. Внешние акции модели сваливания JIA....................58

2.4. Составляющие среды интерпретации......................64

2.5. Множество действий интерпретатора....................64

2.6. Множество предикатов интерпретации..................66

2.7. Множество правил интерпретации........................67

2.8. Циклограмма интерпретации для примера 1 ............70

2.9. Циклограмма интерпретации для примера 2............74

2.10. Циклограмма интерпретации для примера 3............78

3.1. Фактические параметры вызова.............102

3.2. Тестовая последовательность активности дуг......107

3.3. Последовательность шагов интерпретации.......108

4.1. Функции для задания и отладки ИСМ в среде MATLAB123

4.2. Задание объектов ИСМ в среде MATLAB........124

4.3. Множество экспериментов на модели «Сваливание JIA» 137

4.4. Результаты эксперимента «Сваливание» ........141

4.5. Результаты эксперимента «Ложное сваливание» .... 144

Сокращения

исм иерархическая ситуационная модель

ЛА летательный аппарат

ОБО обнаружитель с временной обработкой

ООП объектно-ориентированное программирование

ПТС память текущего состояния

УОД указатель обрабатываемой дуги

УОМ указатель обрабатываемой модели

УОС указатель обрабатываемой ситуации

УЦО указатель целевого объекта

ФГ флаг гипотезы

ФНД флаг наличия дуги

ФЭ флаг эпилога

Введение

Актуальность темы

В автоматизированных системах управления сложными объектами авиационно-космического назначения в настоящее время широко применяется ситуационный подход, основанный на обнаружении ситуаций из заранее определенного множества и принятии управленческих решений, ассоциированных с ситуациями. Ситуационный подход первоначально разрабатывался для управления сложными организационными и производственными объектами, в отечественной научной литературе (Д. А. Поспелов и др.) его принято относить к методам искусственного интеллекта. Применение ситуационного подхода в системах управления техническими объектами позволяет задавать алгоритмы управления на абстрактном уровне с учетом априорных знаний о ситуациях и может служить основой для применения других методов искусственного интеллекта. Он может применяться в критических, аварийных и нештатных ситуациях различных технических объектов.

В развитие ситуационного подхода внесли вклад отечественные и зарубежные ученые Л. С. Бернштейн, Ю. М. Клыков, С. Я. Коровин, А. Н. Мелихов, Д. А. Поспелов, Ф. Вернадат, Р. Мур и др. В уфимской научной школе автоматического управления ситуационный подход успешно применялся в работах Ю. М. Гусева, Б. Г. Ильясова, И.Ю.Юсупова, В.И.Васильева, Г.Г.Куликова, В.В.Миронова, Н. И. Юсуповой и др.

Управленческие ситуации можно рассматривать на двух уровнях: внутриситуационном, на котором исследуются внутренние про-

цессы развития ситуации в пределах одного качественного состояния, и межситуационном, на котором исследутся переходы ситуаций. В данной работе исследование проводится на межситуационном уровне и базируется на использовании дискретных графовых моделей для описания развития ситуаций и интерпретации этих моделей для реализации ситуационного управления. В качестве дискретных графовых моделей в работе используются иерархические ситуационные модели, разработанные в УГАТУ.

Реальный процесс управления техническими объектами сопровождается помехами, порождающими неопределенность. Действие помех приводит к ошибкам интерпретации ситуационной модели (несвоевременному обнаружению или пропуску перехода одной ситуации в другую или ложному обнаружению смены неизменившейся ситуации) и, соответственно, — к ошибкам принятия управленческих решений, которые могут иметь серьезные последствия для функционирования технического объекта. В данной работе исследуется вопрос о повышении качества ситуационного управления в условиях устраняемой неопределенности, т. е. неопределенности, которая может быть уменьшена в результате последовательного анализа информации в условиях помех. Борьба с неопределенностью требует временных затрат, что обуславливает противоречие между достоверностью и своевременностью управленческих решений. Применительно к управлению техническими объектами на основе дискрет-

и и

ных моделей развития ситуации, вообще, и иерархических ситуационных моделей, в частности, вопросы обеспечения помехоустойчивости не получили достаточного отражения ни в отечественной, ни в зарубежной научной литературе.

Поэтому возникает необходимость исследования и решения актуальной научной задачи разработки и обоснования методики построения помехоустойчивых иерархических ситуационных моделей, а также их информационного и алгоритмического обеспечения

для ситуационного управления техническими объектами в условиях устраняемой неопределенности.

Цель, задачи, методика исследования, результаты, выносимые на защиту

Целью работы является разработка и обоснование методики построения помехоустойчивых иерархических ситуационных моделей, а также их информационного и алгоритмического обеспечения для ситуационного управления техническими объектами в условиях устраняемой неопределенности.

Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи:

1) Разработать подход к обеспечению помехоустойчивости ситуационного управления. При решении этой задачи использовались принципы и методы системного анализа, исскусственного интеллекта, ситуационного управления. На защиту выносится подход к обеспечению помехоустойчивого ситуационного управления на основе последовательного оценивания достоверности многошаговых гипотез о переходе ситуаций по иерархической ситуационной модели с трехзначными предикатами;

2) Разработать математическое обеспечение (модели и правила) помехоустойчивого ситуационного управления на основе иерархических ситуационных моделей. При решении этой задачи использовались принципы построения систем, ориентированных на обработку правил, методы теорий дискретных динамических систем, иерархических систем, многозначной логики. На защиту выносятся: иерархическая ситуационная модель с использованием трехзначных предикатов, ориентированная на применение в базе знаний системы управления, и система формальных правил для помехоустойчивой интерпретации указанной модели;

3) Разработать информационное (структуры данных) и алгоритмическое (алгоритмы обработки данных) обеспечение помехоустойчивого ситуационного управления на основе ИСМ. При решении этой задачи использовались методы объектно-ориентированного проектирования и программирования информационно-управляющих систем, методы имитационного моделирования сложных систем. На защиту выносятся: набор объектов для представления структуры иерархических ситуационных моделей и их динамического состояния, а также алгоритмов помехоустойчивой интерпретации ситуационных моделей в вычислительной системе в процессе управления; комплекс программных средств для имитационного моделирования ситуационного управления в условиях помех; и методика его применения к задачам управления летательными аппаратами.

Научная новизна

Новыми являются разработанные автором:

1) Подход к обеспечению помехоустойчивости ситуационного управления, базирующегося на использовании иерархических ситуационных моделей. Новизна подхода состоит в том, что помимо текущих ситуаций в процессе управления контролируются все гипотетические переходы ситуаций, возможные в условиях неопределенности, что позволяет с упреждением запускать процедуры последовательного обнаружения событий и принятия решений.

2) Иерархическая ситуационная модель с использованием трехзначных предикатов, ориентированная на применение в базе знаний системы управления. Научная новизна предложенной модели, являющейся развитием иерархических ситуационных моделей без учета помех, состоит в учете случайного характера наблюдаемых признаков ситуации и использовании трехзначных предикатов переходов ситуаций.

3) Система формальных правил для помехоустойчивой интерпретации иерархической ситуационной модели с использованием трехзначных предикатов. Новизна метода состоит в том, что известный метод интерпретации (непомехоустойчивой) иерархических ситуационных моделей модернизирован с использованием предложенной идеи многошаговых гипотез для реализации помехоустойчивых свойств.

4) Структуры данных и алгоритмы их обработки для реализации предложенной ситуационной модели и предложенного метода ее помехоустойчивой интерпретации в вычислительном комплексе системы управления. Новизна информационно-алгоритмического обеспечения заключается в применении объектно-ориентированного подхода, объединяющего информационные структуры и алгоритмы их интерпретации для организации управления.

Практическая ценность и внедрение результатов

Практическую ценность имеют полученные в работе:

- объектно-ориентированные помехоустойчивые иерархические модели ситуационного управления, а также алгоритмы их интерпретации, позволяющие реализовать полученные формальные модели и методы в вычислительной системе;

- реализация моделей помехоустойчивого ситуационного управления в компьютерной моделирующей среде, позволяющая проводить исследование процессов ситуационного управления в условиях неопределенности;

- методика компьютерного моделирования ситуационного управления в условиях неопределенности, позволяющая исследовать эффективность управления техническим объектом в конкретных ситуациях.

Внедрение результатов, полученных в работе, осуществлено:

— в научно-производственном объединении автоматики и приборостроения (г. Москва) — в виде алгоритмического и программного обеспечения для реализации моделей ситуационного анализа;

- в научно-производстенной фирме «R&D Технология» (г. Уфа)— в виде моделирующих комплексов для исследования эффективности помехоустойчивого ситуационного управления.

Предложенные технические решения защищены авторским свидетельством на изобретение (а. с. 1642477 ), а программное обеспечение — свидетельством об официальной регистрации программ для ЭВМ (№ 980168).

Связь исследований с научными программами

Исследования в данном направлении ведутся автором в Уфимском государственном авиационном техническом университете с 1986 г. по заказу НПО автоматики и приборостроения (г. Москва) для моделирования процессов испытания бортовых систем космических аппаратов (Гос. per. № 01.86.0047988). В 1994-1998 гг. работа была частично поддержана Российскими грантами по фундаментальным исследованиям в области авиационной и ракетно-космической техники (шифры 94-4.5-44 и 97-4.5 по направлению «Искусственный интеллект в информационных и управляющих комплексах летательных аппаратов»), федеральной целевой программой «Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальных наук на 1997-2000 гг.», программой поддержки научных исследований в области технических наук Академии наук РБ.

Апробация и публикации

Основные положения, представленные в диссертации, были изложены и обсуждены на 11 научных конференциях различного уровня, проводившихся в нашей стране и за рубежом.

Список публикаций по теме диссертации включает 20 научных трудов, в том числе б статей в межвузовских научных сборниках и трудах международной конференции, 11 тезисов докладов в трудах конференций различного уровня, авторское свидетельство на изобретение, свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ, научно-технический отчет.

Глава 1

Анализ вопросов обеспечения помехоустойчивости ситуационного управления техническими объектами

Эта глава посвящена анализу особенностей использования ситуационного подхода при управлении техническими объектами, анализу особенностей ситуационного управления в условиях устраняемой неопределенности, определению цели и задач исследования.

Обсуждаются особенности технических объектов как объектов управления. Подчеркивается актуальность обеспечения помехоустойчивости ситуационного управления в условиях неопределенности. А также, рассматриваются возможности и ограничения в условиях неопределенности известных методов задания алгоритмов ситуационного управления, основанных на интерпретации дискретных ситуационных моделей.

Обосновывается подход к решению задачи обеспечения помехоустойчивости ситуационного управления на основе иерархических ситуационных моделей. В рамках этого подхода формулируется цель исследования и определяются основные задачи, которые необходимо решить для достижени