Текст книги "Групповое движение интеллектуальных летательных аппаратов в антaгонистической среде"

В. К. Абросимов
Групповое движение интеллектуальных летательных аппаратов в антaгонистической среде
Монография

Рецензенты:

А. Н. Райков – доктор технических наук, профессор (Институт проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН);

С. В. Беневольский – доктор технических наук, доцент (ОАО МАК «Вымпел» – ОАО Концерн ПВО «Алмаз-Антей»)

От автора

Ищите и обрящите.

Матф., 7:7

Все течет, все изменяется. Движение – это жизнь. Остановка движения – смерть. Движение – это счастье. Остановка движения – страдание, несчастье.

С юных лет у автора эти истины связаны с некоторым сначала обыденным, а позже философским осмыслением понятия «движение». И по своему образованию, и по опыту работы в прикладной науке ему длительное время приходилось заниматься созданием моделей движения различных объектов управления – ракет, космических аппаратов, интеллектуальных роботов, а также расчетом траекторий движения таких объектов в различных средах. Постепенно складывалось понимание ясности в этом вопросе для одиночных объектов. Действительно, существуют достаточно стройные теории, включающие разнообразные методы определения параметров движения летательных аппаратов в гравитационном поле Земли и атмосфере, в том числе с учетом возмущений. Есть много публикаций по управлению движением самолетов, беспилотных и аэробаллистических летательных аппаратов. Описаны методы синтеза управления для формирования движения роботов-манипуляторов.

Однако со временем возникали новые вопросы при определении и расчете траекторий движения, которые тем или иным образом оказывались связанными с движением летательных аппаратов в составе группы, а в более общем случае – с движением групп людей как единой общности. Интересно, что на практике как описательная постановка таких задач, так и методы их решения оказались весьма близкими. Иными словами и группировка летательных аппаратов, стремящаяся, например, преодолеть противоракетную оборону противника, и поток людей, движущийся на спортивное соревнование, представляют собой некоторые потоки одушевленных и/или неодушевленных объектов (субъектов), стремящихся к разнообразным целям и встречающих разнообразные ограничения. Эти ограничения могут обладать самыми различными свойствами: быть фиксированными и динамическими, «мягкими» и «жесткими», постоянными и временными и т. д. В задачах, например, противовоздушной и противоракетной обороны ограничения являются динамическими, явно враждебными, они могут появляться и исчезать. В задачах же прохождения толпы людей к месту массового мероприятия – среда пассивна, а ограничения статичны.

Наиболее интересными оказались такие задачи, когда среда, в которой осуществляется движение, является антагонистической, т. е. противодействующей выполнению группой своих целевых задач. Именно в такой ситуации проблемы принятия решений становятся наиболее сложными, а критерии выполнения задач – самыми жесткими, так как цена потенциальных потерь слишком велика.

Недостаточное исследование этих вопросов и определило тематику настоящей монографии.

В антaгонистической среде невозможно двигаться по четко определенным программам, во всяком случае в ситуациях, когда по отношению к движущемуся объекту предпринимаются недружественные действия. Необходимо уклоняться от возможных действий противника, создавая для него своего рода «нечеткость» и затрудняя тем самым принятие им соответствующих решений. Это привело к формулированию понятия о «нечеткой» траектории для отдельного объекта и области («ансамбле») возможного движения для группировки объектов[1]1
  В рамках настоящей работы понятия «группа» и «группировка» предлагается считать синонимами, так как входящие в них объекты управления обладают одинаковыми группировочными признаками.


[Закрыть].

В ряде предыдущих работ автора было показано, что в условиях группового движения при сравнительно большом количестве объектов расчеты отдельных траекторий движения теряют смысл. Отметим также, что при значительной области допустимого маневрирования летательных аппаратов оперативность расчетов существенно нелинейно снижается. Это потребовало принципиально нового подхода к представлению параметров движения группы объектов в антaгонистических средах; подходящей и адекватной математической основой для такого исследования оказались нейронные сети.

Существует достаточно много примеров, когда «подсмотренное» поведение в живой природе становится основой для создания технических систем. В настоящей работе также оказалось интересным проанализировать принципы коллективного поведения, наблюдаемого у стаек рыб, муравьев (так называемые природные алгоритмы принятия решений), идеи которых, возможно, было бы интересно положить в основу построения базы знаний летательных аппаратов, реализующих коллективное поведение в процессе движения группировки.

В последнее время получает значительное развитие и теория многоагентных систем. Ее можно рассматривать как некоторое развитие системного подхода к описанию моделей и явлений в условиях, когда взаимосвязи между элементами системы, с одной стороны, могут быть достаточно сильными, чтобы влиять (порой существенно) на поведение друг друга, а с другой – оставляют возможность для самостоятельного принятия решений при общем коллективном поведении. Моделирование сложных процессов методами многоагентных систем предоставляет уникальную возможность для использования всего спектра математических и прикладных методов решения разнообразных задач, так как позволяет выбирать наиболее приемлемый метод непосредственно в процессе осмысления постановки задачи, пробовать разные подходы к ее решению. При таком подходе свойства одушевленных объектов (ответственность, взаимопомощь, самопожертвование и др.) могут быть спроецированы на поведение неодушевленных объектов, в частности летательных аппаратов, что приводит к совершенно новому взгляду на организацию движения. Этим, пока еще очень спорным, вопросам в монографии также уделено определенное внимание.

На современном этапе акценты вооруженного противостояния различных государств все более смещаются в воздушно-космическую сферу. Развитие за рубежом концепции «молниеносного глобального удара» с применением межконтинентальных ракет в ядерном и неядерном оснащении, баллистических ракет подводных лодок, гиперзвуковых и воздушно-космических средств лишь подтверждает сказанное. На прошедшей в 2012 г. в Москве международной конференции по противоракетной обороне «Фактор противоракетной обороны в формировании нового пространства безопасности» были систематизированы направления сотрудничества различных стран в сфере противоракетной обороны и предупреждения ракетного нападения. В качестве основных выделялись вопросы варьирования ударами баллистических ракет по интенсивности, направлениям и типам траекторий, исследования различных вариантов информационного обеспечения на основе алгоритмов совместной обработки информации, исследования влияния различных правил пусков на эффективность совместных группировок и др. Заметим, что все эти направления требуют тщательного моделирования движения, но не отдельных объектов, а группировок средств. Так, например, в задаче варьирования ударами баллистическими ракетами и другими средствами поражения по интенсивности, направлениям и типам траекторий имитационное моделирование становится определяющим.

Можно полагать, что в ведущих мировых державах основным приоритетом на ближайшую и даже среднесрочную перспективу будет наращивание характеристик создаваемых оборонительных систем и средств. Инновационная составляющая такого рода оборонительных систем должна состоять в том, что не нее будет возлагаться задача анализа опасности со всех направлений и всех возможных средств – от боеголовок стратегических ракет до беспилотных летательных аппаратов. Именно здесь в полной мере станет проявляться неопределенность как в исходных данных по конструкциям перспективных средств атаки, так и в способах их боевого применения. Очевидно, что за счет коллективных действий группы летательных аппаратов можно реализовать разнообразные способы ведения борьбы с системами обороны. Рациональное использование информационных возможностей играет при этом ведущую роль.

В настоящей монографии представлено много теоретических построений. Конечно, в целом обсуждаемые вопросы объективно далеки от завершения. Их слишком мало, чтобы осознать все особенности группового движения как вновь формирующейся области теории движения динамических систем и слишком много, чтобы довести даже предложенные подходы до конкретных математических алгоритмов и программ. Кроме того, требуется, чтобы представленные в монографии идеи были бы восприняты и другими участниками научного сообщества. Вместе с тем автор надеется, что к материалам монографии нельзя будет применить знаменитое высказывание выдающегося физика Нильса Бора «…эта идея недостаточно сумасшедшая, чтобы быть верной». В допущениях высокой интеллектуальности современных летательных аппаратов, коллективности поведения группировки таких движущихся объектов, есть, конечно, известная доля фантастичности, однако, как представляется автору, это присутствует лишь на современном этапе.

Автор осознает, что реальное содержание книги может не до конца соответствовать его основному замыслу. Поэтому он был бы признателен потенциальным читателям за замеченные недостатки, недоработки и пожелания, высказанные в любой форме по электронному адресу [email protected].

Публикация монографии в своей основе поддержана грантом РФФИ № 13-08-00721. Но частично она осуществлена с использованием известной западной модели финансирования FFF (Friends, Family, Fools). В связи с этим автор благодарит своих друзей и отдельных энтузиастов, проявивших интерес к изданию.

Автор благодарен доктору физико-математических наук профессору С.В. Ульянову и доктору технических наук, доценту В.И. Гончаренко за проявленный интерес к теме монографии и активное обсуждение.

Автор благодарен также своей жене Марине, которая ненавязчиво, но уверенно подталкивала его к написанию этой книги, оказывая при этом значительную моральную помощь.

Итак, наша группировка начинает свой полет или, по меткому выражению первого космонавта Земли, «Поехали!».

Введение

Главное в этом мире не то, где мы стоим, а то, в каком направлении мы движемся.

Оливер Уэнделл Холмс,

американский физиолог, поэт и писатель

Человечество давно осознало, что движение есть важнейшая, можно даже сказать универсальная функция. При этом процессы движения всегда связывались с некоторой целью. Известный в XVIII в. немецкий поэт и основоположник немецкой классической литературы Готхольд Эфраим Лессинг говорил: «…самый медлительный человек, если он только не теряет из виду цели, идет быстрее, чем тот, кто блуждает бесцельно».

Формы движения – исключительно разнообразны. Так, в человеческом организме могут проявляться такие формы, как механическое, химическое, энергоинформационное, ментальное (эмоции, мысли) движения. Эти формы движения обладают взаимовлиянием и взаимопереходом одного в другое. Известно также, что человек находится с окружающим пространством в состоянии постоянного обмена веществом, энергией и информацией. При этом мы часто наделяем неодушевленнные предметы в некоторой мере такими же свойствами, как и человека. И так же, как надо лечить не болезнь, а человека, целесообразно исследовать не последствия движения, а то, в интересах чего и зачем оно осуществляется.

Давно замечено и доказано экспериментально: в живой природе в конфликтных ситуациях «хищник – жертва» коллективное поведение (стратегии движения к ближайшему соседу, движения в ту же сторону, что и ближайший сосед, и др.) защищает от нападения. И что интересно: в группе, где выделяются элементы с так называемым асоциальным поведением (случайное, хаотическое), при движении эти элементы подвергаются большей вероятности гибели [1].

Динамика движения летательных аппаратов (ЛА), в отличие от движения в живой природе, более бедна обобщениями, но не менее интересна. Методология полета одиночных летательных аппаратов в целом уже детально разработана (см. достижения былых и последних лет, например [2–4]). Однако практика решения различных задач, в том числе и оборонного значения, требует изучения принципиально нового объекта управления – совокупности (группы, группировки) летательных аппаратов, осуществляющих совместное движение либо по сравнительно близким траекториям, либо образующих сложную пространственно-временную структуру взаимного положения объектов. В задачах наблюдения за такими объектами часто также приходится иметь дело с обстановкой (фоно-целевой, космической), состоящей не из одного, а из совокупности объектов сопровождения. Многие из объектов сопровождения могут в процессе своего движения разделяться, образуя так называемую «сложную цель». Актуальность осознания методов построения таких сложных целей и прогноза их движения в современных условиях не только остается, но даже возрастает.

Одним из важных факторов достижения успеха при ведении вооруженной борьбы в современных условиях является комплексное применение имеющихся боевых средств и возможностей. Это позволяет прийти к заключению, что основной современной формой использования боевого потенциала следует считать групповые действия. Исключительное значение групповых действий подтверждается также анализом тенденций развития авиационной техники и способов боевого применения. Действительно, практически все выполняемые в настоящее время и в перспективе действия истребительной авиации являются групповыми. Они, в частности, подразумевают совместный полет двух и более самолетов, направленный на достижение единой цели по общему плану. Опыт ведения боевых операций свидетельствует о том, что организованно действующие истребители и группы истребителей способны достичь превосходных качественных результатов и создать такую степень воздействия на противника, которую нельзя обеспечить разрозненными действиями даже при одинаковых условиях, количественном составе и вооружении.

Изучение движения группировки ЛА и требование слежения за ними, прогнозирование одновременного полета группы разнотипных ЛА заставляют разрабатывать новые алгоритмы и методы, как правило, аналитические, так как даже очень мощные вычислительные ресурсы оказываются неспособными обеспечить решение таких многомерных задач.

Обратим внимание на терминологические особенности. Когда мы говорим о групповом движении, нас не интересует движение каждого объекта из группы, а интересуют характеристики движения всей совокупности объектов, всей группы. Когда говорится о движении в группе (или в составе группы), то, напротив, представляет интерес движение отдельного объекта и его поведение относительно других объектов этой группы, возможно, сходных с исследуемым.

Анализ результатов современных исследований [5, 27, 42, 60 и др.] показывает, что в настоящее время нет какого-либо общего подхода к проблеме группового управления сложными техническими системами. Однако в рамках современной теории движения динамических систем уже неявно формируется новое научное направление, которое можно назвать как «теория группового полета летательных аппаратов», в которой исследуется движение как отдельного ЛА из группы, так и совокупности ЛА, выполняющих общие цели.

Основной проблемой в таких задачах является неопределенность. Запись дифференциальных уравнений движения для недоопределенных объектов или нахождение решений по движению групп при их значительных масштабах в аналитической постановке вряд ли возможна (к этому выводу независимо от автора приходят и другие исследователи, см., например, работу [6]). Методы теории вероятностей требуют законов распределения различных исходных данных по объектам, которые объективно часто невозможно получить в силу недоступности и неполноты информации. Теория нечетких множеств может привести к значительным ошибкам за счет своей субъективности. Отметим, что в последнее время среди разнообразных подходов к решению задач анализа движения в условиях неопределенности, различающихся используемым математическим аппаратом (описательные, оптимизационные и др.) выделяется класс имитационных моделей, а в данном классе – методы распределенного искусственного интеллекта (так называемые мультиагентные системы [40, 41, 43, 44] и др.).

Представляет интерес также движение в условиях агрессивной, противодействующей среды. Изучение движения в таких условиях всегда интересно в плане решения конфликтных задач [9]. В конфликте всегда как минимум есть две стороны с противоположными интересами. Действительно, наблюдение, например, за групповым полетом метеоритов (метеоритный «дождь») дает стороннему наблюдателю исключительно эмоции и ничего более. Но если такой «дождь» образован крупными метеоритами и прогнозируемая область их падения – атомная электростанция, то задача становится совершенно иной. Поэтому собственно групповое движение интересно, как правило, в контексте двух действующих сущностей – тех, кто организует и обеспечивает движение (активная роль), и, в противоположность этому, тех, кто наблюдает за ним с целью оценки движения и последующих действий в зависимости от поведения группы (сначала пассивная, далее также возможно, активная роль при необходимости противодействия). В процессе работы над настоящей монографией удалось осознать, что результаты исследований в области группового движения зачастую обладают свойством инверсионности, в смысле возможности их перестановки относительно сторон, действующих в конфликте. Поэтому для установления необходимых различий сторону потенциального конфликта, организующую групповое движение, будем называть «Противником», а другую сторону – «Защитником». Тогда группировка движущихся к некоторым целям (а бесцельного движения неодушевленных объектов на практике не бывает) летательных аппаратов будет называться группировкой ЛА Противника, а все обеспечивающие это движение организационные и технические системы – системами и средствами Противника. Системы же и средства наблюдения и противодействия такой группировке – средствами Защитника. На практике Противник и Защитник, в частности, при моделировании могут поменяться местами и тогда использование свойства инверсионности результатов может оказаться весьма полезным.

Как же логически построить исследование движения группировок ЛА?

Очевидно, сначала нужно установить, что представляет собой объект исследования, кто и в каких направлениях уже занимался этими вопросами и какие достигнуты результаты. Далее целесообразно понять, чем групповое движение отличается от одиночного, каковы его характеристики, по которым его можно было бы идентифицировать. Любое движение осуществляется в некоторой среде; в связи с этим целесообразно рассмотреть такую среду в ее разных проявлениях – т. е. среду как дружественную, нейтральную и враждебную. Отдельным этапом должна стать разработка способов расчета областей возможного движения группы с течением времени в таких средах.

Описание движения группы было бы неполным без разработки способов управления такой группой. Здесь необходимо рассмотреть различные подходы, отвечая главным образом на вопросы кто? когда? чем? и зачем? управляет, и, что, возможно, самое главное, каким образом осуществляется управление, то есть нужен ли управляющий орган, либо объекты могут принимать решения самостоятельно. И наконец, необходимо представить, какие составляющие должны быть в модели описания движения группы и на каких принципах такая модель должна разрабатываться.

Указанные вопросы положены в основу разработанных материалов.

Глава 1. Групповое движение как объект исследования

1.1. Сетецентрические войны и новые задачи оборонительных систем

Каждый шаг действительного движения важнее дюжины программ.

Карл Маркс

Уже более десятилетия США развивают и реализуют в вооруженных конфликтах концепцию «сетецентрической» войны (Network-Centric Warfare). Эта концепция ориентирована на повышение боевых возможностей войск в современных войнах за счет достижения информационного превосходства и, что самое главное, объединения участников боевых действий в единую сеть. К основным теоретическим принципам такой войны относятся положения о том, что боевые элементы, объединенные надежными сетями, имеют возможность улучшенного обмена информацией, что устраняет неопределенность, обеспечивает коллективные действия, резко повышает общую ситуационную информированность, устойчивость, скорость реализации команд и эффективность выполнения задач. Основной компонентой в сетецентрической инфраструктуре является так называемая «информационная решетка» – соединенная в единую сеть интеллектуальных боевых элементов со специально организованной системой управления.

Термин «сетецентрическая война» стал использоваться сравнительно недавно (менее двадцати лет тому назад), но он уже зарекомендовал себя как один из основных принципов будущих военных столкновений. Более того, он уже активно используется на практике [8]. В принципе он не изменяет сути и задач вооруженной борьбы и конфликтов; просто развитие современных, главным образом информационных, технологий привело к эффективности применения именно сетевого подхода к организации и ведению военных действий. Более того, в будущем такой подход становится аксиомой принципов боевого применения войск и оружия; концепция «сетецентрической войны» легла в основу действующих программ развития и совершенствования вооруженных сил ряда государств, а все военные действия, даже в малых конфликтах, как ожидается, будут неизменно основываться на принципе сетецентричности [10] (рис. 1).

Рис. 1. Хаос сетецентрической войны с точки зрения систем обороны (рисунок создан по материалам сайта www.moskva-kniga.ru)

Представление «сетецентрической войны» как системы, состоящей из трех «подсистем-решеток» – информационной, разведывательной и боевой, слишком популярно, чтобы на нем можно было бы строить конкретные приложения. Понятно, что связи и отношения между такими подсистемами и их элементами достаточно сложные и многоплановые. Вместе с тем осмысление истоков термина, необходимые и достаточные условия его появления позволяют заключить, что основное положение сетецентрической войны – необходимость создания разветвленной сети хорошо информированных и пространственно распределенных сил. Как выясняется, математической основой такого применения вооружений являются принципы самоорганизации, активно используемые в теории сложных систем.

С технической точки зрения в основу концепции «сетецентрической войны» положено создание единых информационно-коммуникационных пространств на основе комплексного внедрения новейших информационных технологий. Так, концепция NATO Network Enabled Capability предполагает «…создание глобальной информационной среды, обеспечивающей комплексную обработку сведений в реальном масштабе времени о Противнике, своих войсках и окружающей местности в интересах поддержки принятия решений по созданию группировок войск (сил) оптимального (для достижения поставленных целей) состава и их эффективного применения в различных условиях обстановки. Наличие такой информационной среды должно обеспечить эффективное взаимодействие всех участвующих в операции органов управления и войск (сил) альянса, которые условно можно разделить на три основные группы элементов: добывающие, информационно-управляющие и исполнительные» [10].

В результате создается единая сеть средств разведки, связи и органов управления, интегрированная с сетью средств поражения. И основную роль в этом будут играть группировки разведывательных, коммуникационных и навигационных космических летательных аппаратов на околоземной орбите.

Представляется особо опасным недооценка сущности сетецентрических войн, что может привести к тяжелым последствиям. Противодействие принципам сетецентричности в чем-то объективно[2]2
  Как справедливо заметил в свое время Уинстон Черчилль, «генералы всегда готовятся к прошедшей войне».


[Закрыть], ибо эта концепция разрушает сегодняшние представления о вооружениях будущего и требует пересмотра технических заданий на новые оборонительные системы. Однако подчеркнем совершенно правильную мысль, неоднократно описанную в средствах массовой информации и состоящую в том, что концепция сетецентрической войны, несмотря на ее «очаровывающий трансформационный блеск», не способна адекватно реализовать потенциал, который представляют информационные технологии. Это связано с тем, что развитие информационных технологий значительно опережает концепции построения наступательных и оборонительных систем. Указанное может быть продемонстрировано и на мирной практике – многие операторы телекоммуникационных систем, создав мощные средства проводных и беспроводных телекоммуникаций, испытывают существенные затруднения с их наполнением интеллектуальным и даже развлекательным контентом, что существенно снижает возможность возврата соответствующих инвестиций [12].

Как представляется автору, нельзя не учитывать и то, что с развитием современных информационно-коммуникационных технологий объекты управления могут приобретать способности согласовывать свое поведение с поведением других объектов, и даже активно общаться между собой по определенным «протоколам взаимодействия» (термин из сферы телекоммуникаций). Указанное подтверждает, что для моделирования группового движения, тем более в новых условиях и на перспективу, целесообразно использовать принципиально новые парадигмы.