GOS for Iphone / mobile / Управление роботами и РТС

31

несколько активизированных правил. В этом случае машина логического вывода должна выбрать одно из правил для запуска.

действия, которые должны быть выполнены после запуска правила называются консеквентом Главной особенностью экспертной системы является предусмотренное в ней средство объяснения,

которое дает возможность пользователю задавать вопросы о том, как система пришла к определенному заключению и для чего ей требуется определенная информация. Система, основанная на правилах, способна легко ответить на вопрос о том, как было получено определенное заключение, поскольку хронология активизации правил и содержимое рабочей памяти можно сохранять в стеке. Но такая возможность не столь легко достижима при использовании искусственных нейронных сетей, генетических алгоритмов или других систем, разработка которых еще продолжается.

Системы поддержки принятия решения (СППР или DSS) возникли как естественное развитие и обобщение управленческих информационных систем и систем управления базами данных (СУБД) в направлении их большей пригодности и приспособленности к задачам повседневной управленческой деятельности. Термин "система поддержки принятия решения" появился в начале 70-х годов, однако, до сегодняшних дней не нашел общепризнанного определения ни у ученых ни у разработчиков.

Использованию СППР и определению их функционального предназначения, посвящено достаточное число трудов отечественных и зарубежных специалистов в различных предметных областях. Где то СППР описывается как средство для "вычисления решений", основанное "на использовании моделей ряда процедур по обработке данных и суждений, помогающих ЛПР в принятии решения". В других работах было предложено рассматривать СППР в качестве "интерактивных автоматизированных систем, которые помогают ЛПР использовать данные и модели, чтобы решать неструктурированные проблемы". СППР определяется как "компьютерная информационная система, использующаяся для поддержки различных видов деятельности при принятии решения в ситуациях, где невозможно или нежелательно иметь автоматические системы, которые полностью выполняют весь процесс принятия решения". СППР не заменяет ЛПР, автоматизируя процесс принятия решения, а оказывает ему помощь в ходе решения поставленной задачи.

С самых первых определений СППР определился круг решаемых с их помощью задач: неструктурированные и слабоструктурированные. Существенное влияние на такую направленность СППР оказала классификация проблем, согласно которой, неструктурированные задачи имеют лишь качественное описание, основанное на суждениях ЛПР, а количественные зависимости между основными характеристиками задачи не известны. В хорошо структурированных задачах существенные зависимости могут быть выражены количественно. Промежуточное положение занимают слабоструктурированные задачи, "сочетающие количественные и качественные зависимости, причём малоизвестные и неопределённые стороны задачи имеют тенденцию доминировать". Существует точка зрения на СППР, как управленческую информационную систему. Такой подход близок к представлению СППР в виде традиционной автоматизированной информационной системы, но ориентированной на решение задач управления.

Ряд исследователей рассматривают СППР как средство для "выполнения решений", и определяют как систему, "основанную на использовании моделей ряда процедур по обработке данных и суждений, помогающих руководителю в принятии решения".

В одной из научных трудов СППР автор представляет как "функционально-интегрированный комплекс средств автоматизации, математического, программного и информационного обеспечений …, предназначенный для автоматизации процессов выбора и обоснования решений при управлении …". В данном случае СППР реализуется в виде совокупности связанных между собой информационно-расчетных и оптимизационных задач и библиотек моделей.

Все рассмотренные системы из-за программно-аппаратных ограничений изначально не ориентированы на решение слабоструктурированных задач, к которым относятся задачи, связанные с принятием решений на всех уровнях иерархии управления.

Таким образом, рассмотрение СППР как интегрированной автоматизированной системы, ориентированной на решение слабоструктурированных задач, сегодня наиболее актуально.

Среди факторов, определяющих качество принимаемых решений, одним из основных является интеллект ЛПР (начальника, руководителя, пользователя). Под интеллектом следует понимать весь интеллектуальный потенциал ЛПР в целом: данные природой способности творческого мышления, знания, приобретенные в ходе обучения, практики, жизненного опыта и др. В связи с этим, необходимо рассматривать задачи повышения интеллектуального уровня ЛПР не путем применения традиционных методов обучения, а на основе использования методов и средств (систем) искусственного интеллекта (СИИ), базирующихся на технологиях аналитической обработки данных. Данное направление ориентируется на создание комплекса соответствующих программно-аппаратных средств, позволяющих ЛПР решать задачи интеллектуального характера, требующие смысловой обработки больших объемов информации, хранящейся в базах данных.

32

10. Групповое управление роботами, синхронность, асинхронность, параллельность, обход препятствий; методы распределенного управления в реальном масштабе времени; систолическое программирование; методы навигации и управления уклонением роботов, синтез траекторных движений с динамическим уклонением от столкновений.

Сформулируем основные принципы групповой организации и управления, выработанные в живом мире и обществе, которые могут быть полезны в робототехнике.

1.В самом общем случае такие структуры являются иерархическими с функциональной специализацией по уровням и выработанными оптимальными значениями численности на каждом уровне.

2.Одни и те же объекты управления могут входить в состав двух и более структур, преследующих разные, но не антагонистические цели (такие параллельные структуры могут целиком состоять из одних и тех же объектов).

3.Управление этими структурами является иерархическим и комбинированным, сочетая принципы централизованного (вертикального) и децентрализованного (горизонтального) управления. Первый реализует общесистемные цели, а второй осуществляет координацию действий членов своей группы и адаптацию к местным условиям.

4.Эволюция развития технических систем группового управления идет в направлении увеличения децентрализации (управления на местах) с сохранением за центром только обеспечения общесистемных (пока не поддающихся декомпозиции) функций группы.

5.Группы нижнего уровня могут иметь децентрализованное управление с централизованным параллельным управлением объектами группы с верхнего уровня или с выделением в группе централизованно управляемого ведущего объекта.

6.Структура групп объектов и управление ими определяются общими целями и при изменении последних соответственно изменяются. (Цели эти могут быть одиночными терминальными, дискретными циклическими и непрерывно меняющимися (траекторными).)

Какие рекомендации можно сделать из изложенного для организации и управления группами робо-

тов?

1.Общее решение этой задачи — иерархическая централизованно-децентрализованная система группового управления.

2.Ее основа — нижний уровень децентрализованного управления с распределением общей цели между роботами. Поэтому ключевая проблема группового управления роботами — создание методики оптимизации состава роботов этого уровня, включая их число, специализацию, способы распределения общей цели и координации действий отдельных роботов.

3.Для решения последней задачи необходимо выработать соответствующие конкретным типовым целям критерии оптимизации, такие как время достижения цели (быстродействие), общие энергозатраты, стоимость и т. п., а также комбинация подобных критериев при заданных ограничениях других показателей (надежности, ресурса, возмущающих воздействий и т. п.). Основные варьируемые параметры (при заданной общей цели (целях)) — это число роботов, распределение между ними общей цели, соответствующая их специализация, объем информационного обмена между роботами.

4.Следующая задача — разработка принципов и методики синтеза всей иерархической системы управления группой роботов, вплоть до верхнего уровня целеполагания и планирования, а также технической диагностики и восстановления функционирования группы при отдельных отказах и т. д. применительно к конкретным типовым назначениям и целям группы.

5.Наконец, последняя задача — разработка алгоритмов обработки информации и управления для таким образом синтезированных систем управления. Во временном аспекте эта задача подразделяется на две

—задачу оценки ситуации, принятия решений к действию и планирования этих действий и задачу непосредственного управления этими действиями в динамике.

Первая задача реализуется в основном до начала самих действий, правда, с возможностью оперативной корректировки уже в их ходе, а вторая — непосредственно в процессе управления в реальном масштабе времени. Этим эти задачи принципиально различаются. Наиболее сложными эти задачи оказываются в условиях организованного противодействия со стороны другой группы роботов (или объектов другого типа), когда условием успеха становится быстрота и неординарность реакций на действия противника.

Простейший случай группового управления в робототехнике — это управление системой приводов одного манипулятора. Почти всегда это централизованное параллельное управление приводами. Простота такого управления достигается за счет завышенных требований к точности управления отдельными приводами по сравнению с требуемой точностью позиционирования рабочего органа манипулятора, которая при таком управлении определяется совокупностью погрешностей всех приводов. С ростом требований к точности управления абсолютными координатами рабочего органа необходимо переходить к управлению непосредственно по этим координатам, т. е. оснащать манипулятор соответствующей сенсорикой. Управляющие воздействия на отдельные приводы рассчитываются при этом решением обратной задачи кинематики или динамики в зависимости от требуемого быстродействия манипулятора.

33

Врезультате происходит переход к управлению с ведущим, где роль последнего играет рабочий орган манипулятора. С развитием адаптивного и интеллектуального управления роботами в них также развивается тенденция децентрализации, путем распределения между отдельными его системами задач обработки сенсорной информации, формирования моделей среды, знаний и т. д. Первоначальной аппаратной базой этого стали транспьютеры, а затем технические нейронные сети. Однако основная область группового управления в робототехнике — это управление несколькими роботами, выполняющими общую задачу. Простейшая задача такого управления — синхронизация выполняемых отдельными роботами или другими средствами робототехники операций, т. е. согласование их действий во времени. Это требуется при выполнении группой роботов общей работы, которая распадается на последовательно выполняемые отдельными роботами технологические операции. При этом рабочие зоны этих роботов не пересекаются и, следовательно, опасность столкновения их манипуляторов отсутствует. Пример — управление группой роботов на сборочной линии, где роботы последовательно выполняют пооперационную сборку какого-либо изделия.

Следующая по сложности задача группового управления роботами — это координация их движения

впространстве. Простейший пример — предотвращение столкновений манипуляторов или мобильных роботов. Для манипуляторов это может иметь место при одновременной работе, когда их рабочие зоны перекрываются. Предельный случай — это работа манипуляторов на общем рабочем месте, например, в составе сборочного центра. Основное решение здесь — это применение системы децентрализованного управления как системы безопасности от столкновений. Однако, если можно программно обеспечить с достаточным запасом несоприкосновение манипуляторов, возможно применение и централизованного управления без контроля относительных координат или с их контролем, но уже в качестве дополнительной системы аварийной блокировки.

Наконец, более сложная задача — это обеспечение совместной работы манипуляторов с координацией движений одновременно и в пространстве и во времени, т. е. координация траекторий движения в реальном масштабе времени. Примером может быть операция сборки путем механического соединения деталей, перемещаемых манипуляторами. Перемещение деталей в зону сборки может осуществляться путем централизованного управления. Однако сама операция сборки требует перехода к децентрализованному управлению по относительным координатам.

Следующая по сложности задача группового управления — это управление гибкими производственными системами, где промышленные роботы функционируют совместно с различным технологическим оборудованием, транспортной и складской системами. Общая тенденция развития систем управления такими комплексами заключается в прогрессивном ослаблении централизованного начала и переходе к распределенным гибким производственным системам, состоящим из объединенных локальной сетью технологических модулей и функциональных модулей, выполняющих общесистемные функции. В пределе в таких системах может отсутствовать единое планирование и диспетчеризация, а последовательность изготовления каждого очередного изделия определяется спонтанно в ходе производственного процесса. Такая структура отличается предельно высокой надежностью. Сфера ее применения — выполнение случайного потока заявок.

Наиболее сложная задача группового управления — это управление группой мобильных роботов на местности или в других средах (вода, воздух, космос), особенно в условиях тоже организованного группового противодействия (борьба двух групп).

Вцелом возможны следующие варианты задач такого группового управления [1]:

роботы одинаковые и выполняют одинаковые функции или разные функции; роботы разные и выполняют разные функции;

роботы совместно выполняют одну общую задачу или свои различные несвязанные задачи, но могут мешать друг другу, что требует их координации.

В рамках этих вариантов наряду с применением программного, адаптивного и интеллектуального управлений, используемых и в отдельных роботах, возникают указанные выше специфические задачи, связанные со специализацией роботов в группе и их кооперированием.

С точки зрения координации действий роботов в группе можно предложить следующую классификацию задач, возникающих при организации группового применения роботов:

декомпозиция целей (разбивка их на подцели и распределение последних среди членов группы); декомпозиция определенных этими целями задач (разбиение их на подзадачи и распределение по-

следних); это, например, относится к распределению сбора сенсорной информации с последующим обменом ею, к построению на этой основе моделей среды и т. д.;

совместное скоординированное в пространстве и во времени выполнение общих операций; взаимопомощь (временная передача отдельных функций и задач, помощь в их восстановлении), в

том числе при достижении своих частных целей (гомеостазис и т. п.). Необходимо иметь в виду три особенности перечисленных задач: разные уровни в иерархии управления; распределение во времени (параллельно);

34

распределение в пространстве (последовательно). Исходя из изложенного, решение рассматриваемой проблемы, по-видимому, будет осуществляться в такой последовательности:

выработка технико-экономически обоснованных методик проектирования групп роботов, обеспечивающих выполнение конкретных технических заданий;

разработка методов оптимизации таких проектных решений применительно к определенным критериям и в рамках определенных ограничений.

Наибольшую актуальность, равно как и сложность, имеет рассматриваемая проблема для группового применения автономных мобильных объектов (не обязательно робототехнических) различного базирования, особенно в конфликтных ситуациях, характерных для вооруженных сил.

Продемонстрируем возможный подход к синтезу структуры группового управления на уровне планирования по критерию обеспечения заданного времени выполнения этой задачи.

Рисунок 3. Зависимость времени группового решения от типа стратегии управления и числа объектов в группе.

На рисунке приведены качественные зависимости времени принятия решения в системах группового управления, использующих различные стратегии управления, от числа объектов (членов) в группе. При централизованной стратегии управления центр принимает решение о действиях всех подчиненных ему объектов группы. При этом сложность задачи возрастает экспоненциально от числа объектов в группе и соответственно экспоненциально возрастает время ее решения. При использовании же стратегии децентрализованного группового управления каждый объект группы принимает решения только за себя, обмениваясь информацией с другими членами группы с целью оптимизации группового решения. Поэтому время группового решения в такой группе возрастает линейно при увеличении числа ее членов. График времени решения при использовании смешанной стратегии будет находиться где-то между этими двумя графиками.

Из графика на рисунке, зная число объектов в группе и требуемое время группового решения Треш, можно выбрать тип стратегии, который более приемлем в данном случае. Например, если число объектов меньше N1, то предпочтительнее использование централизованной стратегии, поскольку она обеспечивает более оптимальное групповое решение. Если число объектов в группе лежит в пределах от N1 до N2, целесообразна смешанная стратегия. Если число объектов от N2 до N3, то следует использовать децентрализованную стратегию как наименее трудоемкую с точки зрения временных затрат на принятие решения. Если же число объектов в группе больше N3 , то следует переходить к иерархическому разбиению группы на подгруппы и, используя децентрализованную стратегию, сначала обеспечивать распределение задания между подгруппами, а затем, используя ту же стратегию, принимать решения о действиях объектов внутри каждой подгруппы. При дальнейшем увеличении числа объектов в группе необходимо соответственно увеличивать число уровней иерархии, чтобы "вписаться" в требуемое время принятия группового решения.

35

Значение требуемого времени решения Треш зависит от условий, в которых должна функционировать группа. Например, если это группа промышленных роботов, функционирующих в стационарных условиях, то ограничения на время решения задачи их группового управления практически не накладываются, поскольку эта задача может быть решена заранее, а результаты решения могут быть заложены в программы. Если же роботы должны функционировать в условиях заранее неизвестной ситуации, то такой подход уже не применим. В этом случае необходимо принимать групповое решение в темпе изменения ситуации в среде. Если ситуация меняется медленно, например, если роботы используются просто для исследования некоторой местности, можно использовать смешанную стратегию группового управления, когда из центра поступают задания для каждой подгруппы роботов, а внутри подгруппы используется децентрализованное управление. Если же ситуация меняется очень быстро, как, например, в боевой ситуации, то и решение о групповых действиях надо принимать быстро, вплоть до отказа от поиска оптимального решения. В этом случае необходимо использовать децентрализованную стратегию.

Планирование крупномасштабных боевых действий осуществляется, как правило, до их начала, что позволяет центру оптимизировать действия всех подчиненных ему крупных подразделений, используя стратегию централизованного управления. В процессе боевых действий центр крупного подразделения уже не имеет достаточно времени на принятие решения и поэтому вынужден использовать смешанную стратегию управления, отдавая приказы для подразделений, но оставляя за ними возможность действовать самостоятельно внутри подразделения для выполнения этих приказов. Как только некоторая боевая группа ввязывается в контактный бой, командовать членами группы уже бесполезно, поскольку у них нет времени на "прием" этих команд. Группа должна предельно быстро принимать решения, как уничтожить противника и минимизировать свои потери. Поэтому здесь приемлема только стратегия децентрализованного управления.