Zadanie_na_kursovuyu_i_laboratornye_raboty / Заочники весна 2019 / Блок / Блок
.pdf6.Примеры решения задач по оцениванию качества моделей и полимодельных комплексов
3)модели принятия решений в АСУ КА (блок III).
Блок моделей функционирования АСУ КА, ОБО включает в себя:
–модели функционирования КА, системы КА, орбитальной группировки КА, орбитальной системы КА (блоки 1, 2, 3);
–модели функционирования отдельного командно-измерительного комплекса (ОКИК) (блок 4), подсистем наземного комплекса управления(НКУ)(ОКИК,пунктыуправления(ПУ),блок5),НКУ(блок6);
–модели взаимодействия основных элементов и подсистем АСУ КА между собой и ОБО (блок 7);
–модели функционирования ОБО (внешних систем) (блок 8);
–модели воздействия внешней среды на АСУ КА (блок 9);
–моделиимитациирезультатовцелевогопримененияАСУКА(блок10). Напомним, что в общем случае функционирование КА предполагает ин-
формационный, вещественный, энергетический обмен с ОБО, с другими КА, внешней средой, функционирование аппаратуры, расход (пополнение) ресурсов КА, перемещение КА.
Блок моделей оценки и анализа состояния КА, АСУ КА, оценки обста-
новки включает в себя:
●модели и алгоритмы оценки и анализа состояния движения, аппаратуры, ресурсов и обмена КА (блок 11);
●модели и алгоритмы оценки и анализа состояния ОБО (блок 12);
●модели и алгоритмы оценки и анализа ситуаций и обстановки (блок
13).
В блок III входят:
– модели и алгоритмы долгосрочного и оперативного планирования операций ОВ в АСУ КА (блок 14);
– модели и алгоритмы управления структурами АСУ КА (блок 15): топологической (блок 16), технической (блок 17), технологической (блок 18), организационной (блок 19); структурой СПМО (блок 20), информационной структурой (блок 21);
– модели и алгоритмы коррекции долгосрочных и оперативных планов проведения ОВ в АСУ КА (блок 22);
– модели и алгоритмы решения задач координации в АСУ КА на этапах планирования (блок 24), коррекции (блок 25), оперативного управления
(блок 26);
– модели и алгоритмы оперативного управления элементами и подсистемами АСУ КА (блок 23).
На рис. 6.12 приняты следующие условные обозначения: МП1, ..., МПn, МК1,...,МКn,МОУ1,...,МОУn —соответственномоделипланирования,кор- рекции и оперативного управления КА, входящими в АСУ КА (1, ..., n)-го типов. Кроме того, на структурной схеме изображена система управления, сопряжения и интерпретации, в которую входят:
–общая диалоговая система управления СПМО (блок 27);
–локальные системы управления и сопряжения (блок 28);
–блок обработки, анализа и интерпретации результатов планирования, управления, моделирования (блок 30);
–блок формализации сценариев моделирования (блок 31);
231
Квалиметрия моделей и полимодельных комплексов
–блок параметрической и структурной адаптации СПМО (блок 32);
–блок выработки рекомендаций по организации процедур моделирования и принятия решений (блок 29).
Рис. 6.12. Обобщенная структура имитационной системы для решения задач системного моделирования процессов функционирования АСУ КА.
Важную роль в решении задач анализа и синтеза ТАУ АСУ КА играет информационное обеспечение, включающее в себя: базы данных о состоянии КА (блок 33), АСУ КА (блок 35), ОБО (блок 34), в целом по обстановке (блок 35); базы данных об аналитических и имитационных моделях функционирования и принятия решений в АСУ КА (блок 36).
Используя предложенную имитационную систему, можно успешно решить широкий спектр задач расчета, анализа и оптимизации показателей качества и эффективности функционирования основных элементов и подсистем АСУ КА в динамически изменяющихся условиях.
6.5.10. Пример постановки и решения задачи синтеза характеристик моделей, алгоритмов и программ автоматизированного управления космическими аппаратами
Для конструктивного решения задачи синтеза характеристик моделей, алгоритмов и программ системного моделирования процессов автоматизированного управления космическими аппаратами проведем вначале ее формальное описание.
232
6.Примеры решения задач по оцениванию качества моделей и полимодельных комплексов
Сучетом общей постановки проблемы управления структурной динамикой развивающейся ситуации (см. подраздел 4.3), а также приведенного ра- нееполимодельногологико-динамическогоописания(см.пункты6.5.2–6.5.8) можно следующим образом описать интересующую нас задачу синтеза.
Введем в рассмотрение следующие векторы и множества [46]:
x(t) = ||x (д)т, x(о)т, x(k)т, x(р)т, x(п)т, x(е)т, x(с)т, x(в)т||т; |
|
(6.19) |
у(t) = ||у(д)т, у(о)т, у(k)т, у(р)т, у(п)т, у(е)т, у(с)т, у(в)т||т; |
|
(6.20) |
uпр(t) = || |
u(в)т||т; |
(6.21) |
v(x(t),t) = ||v(д)т(x(t),t), v(о)т(x(t),t), v(k)т(x(t),t), v(р)т(x(t),t), v(п)т(x(t),t), |
||
v(e)т(x(t),t), v(с)т(x(t),t), v(в)т(x(t),t)||т; |
|
(6.22) |
ξ(t) = ||ξ(д)т(t), ξ(о)т(t), ξ(k)т(t), ξ(р)т(t), ξ(п)т(t), ξ(е)т(t), ξ(с)т(t), ξ(в)т(t)||т; |
(6.23) |
|
β = ||β(д)т, β(о)т, β(k)т, β(р)т, β(п)т, β(е)т, β(с)т, β(в)т||т, |
(6.24) |
где x(t), у(t) – соответственно обобщенный вектор состояния и выходных характеристикдинамическойсистемы,описывающейпроцессыуправления структурной динамикой АСУ КА;
uпр(t), v(x(t), t) – обобщенные векторы программных управлений АСУ КА (которые есть, по сути, планы функционирования основных элементов и подсистем,входящихвАСУКА)иуправлений,реализующихпланынаэтапе применения (в условиях возмущающих воздействий ξ(t));
ξ(t) – вектор возмущающих воздействий, имеющих как целенаправленный, так и нецеленаправленный характер; β – вектор структурных параметров (характеристик) АСУ КА, определяющих ее облик.
При этом компоненты (тоже являющиеся векторами) всех вышеперечис-
ленных векторов x(t), у(t), uпр(t), v(x(t), t), ξ(t), β соответствуют элементам концептуальной модели АСУ КА, о которой речь шла ранее, а индексы ис-
пользуемые в обозначениях данных векторов: «д», «о», «κ», «р», «п», «е», «с», «в», – соответствуют моделям подсистем управления движением, операциями взаимодействия, каналами, ресурсами, потоками, параметрами операции, структурами и вспомогательными операциями в АСУ КА, входящими в обобщенную концептуальную модель функционирования указанной системы.
Все указанные векторы, исходя из ранее описанной концептуальной модели функционирования АСУ КА, должны удовлетворять заданной системе пространственно-временных, технических и технологических ограничений, или, другими словами, должны принадлежать заданным областям:
u |
(t) Q(пр)(x(t), t), v(x(t), t) V(x(t), t); |
(6.25) |
пр |
|
|
|
ξ(t) Ξ(x(t), t), β B; |
(6.26) |
233
Квалиметрия моделей и полимодельных комплексов
x(t) X(тр)(t), |
(6.27) |
где Q(пр)(x(t)) – заданная область допустимых программных управлений; V(x(t), t) – заданная область допустимых управляющих воздействий, реализуемых в РМВ;
Ξ(x(t), t) – область допустимых возмущающих воздействий; B – область допустимых значений структурных параметров;
X(тр)(t) – область допустимых текущих значений вектора состояния структурной динамики АСУ КА.
Динамика изменения векторов состояния и выходных характеристик АСУ КА может быть задана с помощью следующих переходных и выходных функций, которые, в общем случае, могут задаваться как в аналитическом, так и в алгоритмическом виде (возможен комбинированный вариант):
x(t) = ϕ(x(t), uпр(t), v(x(t), t), ξ(t), β, t); |
(6.28) |
у(t) = ψ(x(t), uпр(t), v(x(t), t), ξ(t), β, t). |
(6.29) |
Кроме перечисленных ограничений, при формальной постановке проблемы управления структурной динамикой АСУ КА необходимо задать ограничения, накладываемые на вектор x(t) в начальный – Т0 и конечный – Tf моменты времени, соответствующие временному интервалу, на котором рассматривается управляемая структурная динамика АСУ КА и объектов, входящих в ее состав:
x(Т0) Х0(β), x(Тf ) Хf (β). |
(6.30) |
Для оценивания эффективности процессов управления структурной динамикой АСУ КА на этапе применения введем в рассмотрение следующий вектор показателей эффективности ее функционирования:
J(x(t), u(t), ξ(t),t) = ||J(д)т, J(о)т, J(k)т, J(р)т, J(п)т, J(е)т, J(с)т, J(в)т||т, |
(6.31) |
где J(д), J(о), J(k), J(р), J(п), J(е), J(с), J(в) – соответственно векторы показателей эффективности управления движением, операциями взаимодействия, каналами, ресурсами, потоками, параметрами операций, структурами, вспомогательными операциями в АСУ КА.
С учетом вышеизложенного проблема управления структурной динамикой АСУ КА, в том числе и управления качеством используемых при этом моделей, методов, алгоритмов и программ, на этапе ее применения по целевомуназначениюпредполагаетформулировкуирешениеосновныхклассов задач.
ЗадачиклассаА(задачиструктурногоанализа,анализаструктурнойдинамики АСУ КА, задачи расчета, многокритериального оценивания и анализапоказателейкачествафункционированияАСУКА,атакжепоказателей качества и эффективности используемых моделей, методов, алгоритмов и программ при наличии и отсутствии входных воздействий).
234
6. Примеры решения задач по оцениванию качества моделей и полимодельных комплексов
Дано: (6.25)-(6.31), t (T0, Tf].
Необходимо найти: x(t), у(t), Jоб(t) для t (T0, Tf].
Задачи класса С (задачи выбора управляющих воздействий и структурных параметров, обеспечивающих многокритериальный структурно-функ- циональный синтез текущего облика АСУ КА и его модельно-алгоритми- ческого и программного обеспечения, а также оптимальное управление ее структурами).
Дано: (6.25)–(6.31), t (T0, Tf].
Необходимо найти: uпр(t), v(x(t), t), β, при которых выполняются (6.25)– (6.27), (6.29), (6.30)-(6.31), а обобщенный показатель эффективности
Jоб=Jоб(J(x(t), uпр(t), v(x(t), t), ξ(t))) принимает экстремальное значение. Исходные данные для решения задачи А (прямая задачи квалиметрии
моделей и полимодельных комлексов, состоящая в расчете и сравнительном анализе характеристик модельно-алгоритмического и программного обеспечения АСУ КА).
Дано: известны следующие множества: A = {Ai, i N = {1, ..., n}} – множество функций управления, которые необходимо реализовать в АСУ КА на заданном интервале времени T = (t0, tf]. Будем предполагать, что каждая функция управления реализуется соответствующим программным модулем (ПМ), в который заложена определенная функциональная избыточность (гибкость), позволяющая ему быть реализованным как в БКУ КА, так и НКУ КА.
Реализация функций управления КА в рамках соответствующих технологических циклов управления (ТЦУ) гарантирует успешное достижение целей, поставленных на интервале времени Т. Говоря о функциях управления,будем,преждевсего,различатьфункциюцелеполагания,планирования (долгосрочного, оперативного), оперативного управления, контроля, учета, оценивания и анализа состояния АСУ КА, складывающейся обстановки, функцию координации. С множеством A = {Ai, i N} непосредственно связано множество технологических операций , выполнение которых гарантирует успешную реализациюфункции Ai,i = 1,
..., n; множество основных элементов и подсистем АСУ КА (КА, ретрансляторы (РТР), пункты обслуживания и управления (ОКИК), (ПУ)), обозначим его через В = {Bj, j M = {1, ..., m}}; также введем в рассмотрение множество технических комплексов (ТК) (с соответствующими ПМО и ИО), входящих в состав Bj подсистемы: С(j) = {Cλ(1), λ L = {1,..., l}}. На данных ТК в Bj может быть реализована та или иная функция (функции) управления.
Будем считать известной матричную функцию E(t) = ||εi j(t)||, элементы которой представляют из себя функции Хевисайта. При этом пусть εi j(t) = 1, если пространственно-временные и технические ограничения позволяют в момент времени t реализовать в подсистеме Bj функцию Aj; εij(t) = 0 – в противоположном случае. Пусть информационное взаимодействие ТК в АСУ КА осуществляется по дуплексным каналам связи (телефонным, телеграфным, радиоканалам).
На рис. 6.13 для примера представлены семь возможных структурных состояний АСУ КА, в которых может находиться данная система и ее элементы в процессе применения по целевому назначению. Данным структурным со-
235
Квалиметрия моделей и полимодельных комплексов
стояниям соответствуют семь возможных сценариев изменения структурной динамики АСУ КА, в рамках которых заданы варианты возмущающих воздействийкаквинтервальномвиде,такиввидеимпульсныхпотоковсизвестными вероятностно-статистическими характеристиками. На данном рисунке стрелками показаны варианты информационного взаимодействия этих элементов между собой. Указанные варианты соответствуют различным способам применения АСУ КА, различному пространственному расположению ее элементов и подсистем (в том числе ПМ) друг относительно друга.
Рис. 6.13. Примеры сравниваемых структурных состояний элементов и подсистем АСУ КА.
Содержательная постановка задачи расчета показателей качества и эффективности распределения функции управления (и соответствующих ПМ) между ТК в АСУ КА сводится к следующему: необходимо (с учетом перечисленных исходных данных известных пространственно-временных, технических и технологических ограничений) для каждого из заданных структурных состояний R1, R2, ..., Rχ АСУ КА найти наилучшие варианты закрепления функций управления (ПМ) за ее элементами и подсистемами, варианты планов выполнения технологических операций, обеспечивающих реализацию функций управления, а также произвести упорядочение перечисленных структурных состояний АСУ КА в порядке их предпочтительности. Задание отношения предпочтения будет осуществляться с помощью системы показателей, характеризующей целевые и информационно-техно- логические возможности АСУ КА, ее структурно-технологические характеристики.
236
6. Примеры решения задач по оцениванию качества моделей и полимодельных комплексов
Сформулированная задача относится к классу задач многокритериального оценивания, анализа и упорядочивания конечного множества альтернатив (в качестве которых рассматриваются структурные состояния АСУ КА). Для ее решения воспользуемся двухэтапной процедурой сужения множества альтернативных решений. На I этапе для детерминированных внешних условий проводится расчет показателей качества, характеризующих целевые и информационно-технологические возможности АСУ КА, ее структурно-технологические характеристики, характеристики ПМ. При разработке соответствующего алгоритма воспользуемся основными идеями, заложенными в основу метода вычисления приоритетов на основе пар-
ных сравнений (Pairwise prioritization) (см. подраздел 5.2).
Алгоритм решения поставленной задачи на I этапе реализации указанной процедуры включает в себя следующие шаги.
Шаг 1.1. На аналитических моделях (статических и динамических) для каждой из заданных структурных состояний R1, R2, ..., Rχ проводится оптимальное распределение функции управления (и соответствующих ПМ) между различными подсистемами АСУ КА, планирование выполнения технологических операций и расчет показателей возможностей АСУ КА, в качестве которых могут быть выбраны:
–общее число функций управлений, реализованных в ее подсистемах на интервале Т;
–общее число КА, находящихся в заданных макросостояниях;
–общеечислотехнологическихопераций,выполненныхнаинтервалеТ;
–общая продолжительность реализации всех заданных функций управления на интервале Т;
–затраты ресурсов АСУ КА при реализации данного варианта распределения ПМ.
При этом учет факторов неопределенности при расчете данных показателей будет производится на II этапе реализации предложенной общей процедуры [5].
Для количественного оценивания перечисленных показателей рассмотрим следующую модель, в основу которой положена динамическая интерпретация процессов перераспределения функций управления в АСУ КА и процессов выполнения соответствующих технологических операций. Данная модель сформирована на базе ранее представленных в пунктах 6.5.2– 6.5.6 логико-динамических моделей [6]:
; |
(6.32) |
; |
(6.33) |
; |
(6.34) |
237