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

2.2. Основные отличия одиночного и группового движения

В настоящее время количество публикаций, посвященных моделированию одиночного движения, во много раз превышает количество публикаций по движению группы ЛА и/или ЛА в составе группы. Это неудивительно, так как буквально до последнего времени считалось, что отдельной проблемы определения группового движения не существует. Действительно, казалось, что всегда можно рассчитать совокупность траекторий перемещения одиночных объектов, чтобы представить себе область, где будет двигаться и вся группа.

Ситуация существенно изменилась, когда отдельные объекты моделирования стали обладать свойствами интеллектуальности. Если ранее предполагалось (например, в авиации) что в процессе группового движения группой управляет ведущий, а остальные объекты подчиняются его командам, то в последнее время в соответствии с принципами коллективного поведения объекты управления имеют возможность действовать самостоятельно, получая текущую информацию об ограничениях и учитывая движение друг друга[6]6
  Пониманию проблем группового перемещения в пространстве способствовали активное развитие робототехники и разработка методов движения групп роботов [25–27 и др.].


[Закрыть].

Основные отличия группового движения от одиночного зависят прежде всего от того, в какой среде осуществляется движение. Важное место занимает наличие препятствий.

Отличие 1. В группе возможно разделение ЛА по степени иерархии. Исходя из решаемых задач и степени допустимой коллегиальности в принятии решений, в группе может быть своего рода «Руководитель», распределяющий задачи и ответственный за движение и целераспределение других ЛА и своего рода «подчиненные» ЛА, имеющие тем не менее собственное представление о эффективных решениях и способные информировать (при необходимости) об этом Руководителя.

Отличие 2. Скорость движения группы ЛА как обобщенная характеристика – величина нечеткая и вряд ли показательная. Наблюдение и идентификация отдельно движущегося ЛА позволяют разнообразными методами определить скорость его движения. Однако для группы это сделать затруднительно.

Отличие 3. Отдельные ЛА внутри группы ЛА могут перемещаться в рамках общей области движения, образуя сложные траектории и фигуры.

Отличие 4. Объемные характеристики в процессе движения группы ЛА есть характеристики нечеткие. В силу разнообразия скоростей движения, возможности активного маневрирования внутри области движения, разнообразия возможных направлений, в которых могут двигаться объекты, достаточно трудно не только определить, но и даже описать области пространства движения групп.

Отличие 5. Внутри группы ЛА возможен разнообразный уровень групповой интеграции. Иными словами, с точки зрения стороннего наблюдателя в области движения группы можно видеть определенные «сгустки» и «разряжения», т. е. области, в которых плотность нахождения ЛА в пространстве различна.

Выше рассмотрены основные отличия группового движения от одиночного для неодушевленных предметов – летательных аппаратов. Однако можно выделить такие же характеристики и для социальных объединений, состоящих из людей.

Отличие 1. В группе людей может быть заранее выделен, установлен или может образоваться (взять на себя функции) своего рода «Лидер», управляющий поведением группы. Социальная структура организованной, непаникующей толпы обычно очень проста, она делится на лидеров и всех остальных и только в редких случаях бывает более сложной.

Отличие 2. Скорость движения группы людей как обобщенная характеристика есть величина нечеткая. Однако ядро этой нечеткой величины (в моделях часто нечеткие числа описываются числами R-L-типа [7]) есть некоторая осредненная скорость, причем закон ее изменения может варьироваться в зависимости от удаления от центра толпы.

Отличие 3. Объемные характеристики в процессе движения группы людей – характеристики нечеткие. Нетрудно показать, что при моделировании движения групп людей можно выделить так называемое «ядро» – основную толпу и своего рода «бахрому» (здесь используется термин теории нейронных сетей). При этом движение группы людей может быть организованным (демонстрация), частично организованным (толпа) и дезорганизованным (толпа в состоянии паники). Во всех этих случаях «ядро» и «бахрома» различны.

Отличие 4. Отдельные люди внутри группы могут перемещаться в рамках общей области движения. Указанное не требует пояснений.

Отличие 5. Внутри группы людей возможны разнообразный уровень групповой интеграции, возникновение «сгустков», «разряжений» и других неравномерностей.

Интересный пример образования и движения скоплений групп людей предложен в работе [34].

2.3. Характеристики, параметры, возможности и признаки движения группы летательных аппаратов

Традиционно задачи динамики движения летательных аппаратов решались для единственного ЛА. Исключением были задачи сближения и стыковки космических аппаратов, где изучалось движение космических аппаратов относительно друг друга.

Целесообразно в этой связи вспомнить понятие «сложная баллистическая цель» [4]. По сути оно появилось достаточно давно, с введением в состав боевого оснащения ракет ложных целей, которые совместно с боевыми элементами и составляли сложную баллистическую цель. Но сложная баллистическая цель в настоящее время рассматривается как пассивная группировка, что подчеркивается словом «баллистическая». В ближайшей же перспективе, как представляется, в ее составе могут появиться и активные объекты, что придаст такой цели новые свойства. Это приводит к необходимости рассматривать такую цель с новых позиций – то есть как сложную групповую цель.

Определение. Сложной групповой целью или группой летательных аппаратов мы называем совокупность движущихся ЛА, каждый из которых характеризуется собственными параметрами, признаками, энергетическими и маневренными возможностями, цели движения которых определяются непосредственно в процессе движения в зависимости от окружающей обстановки.

Будем различать характеристики, параметры, возможности и признаки группового движения.

Такими характеристиками будем называть совокупность свойств группового движения, отличающих его от других видов движений. Характеристики группового движения представлены в табл. 1.

Таблица 1. Общие характеристики различных состояний движения группы

Окончание таблицы 1

Форма группы. В зависимости от количества аппаратов и совокупности выполняемых ими задач группа объектов в пространстве может иметь различные формы, объективно отражающие характеристики некоторой пространственной геометрической фигуры. Соединим «крайние» ЛА (значения по любой координате которых максимальны среди всех элементов группы) условными прямыми линиями или сегментами окружностей. Тогда наиболее распространенными такими фигурами будут неправильные пространственные трехмерные многоугольники, шары с вогнутыми внутрь или выпуклыми наружу областями, конусы с небольшими углами полураствора, вытянутые цилиндры (примеры см. на рис. 7) и другие пространственные фигуры со сложной топологией.

В дальнейшем образуемую группой пространственную геометрическую фигуру будем называть пространственной областью группы ЛА.

Структура группы. В зависимости от решаемых задач группа может быть сформирована в виде различных структур. Структура группы характеризует ее внутреннюю составляющую. Действительно, группа может состоять из однородных объектов, но может быть и неоднородной, когда входящие в нее объекты управления разнотипны, обладают различными функциями и призваны решать различные задачи. Поэтому структура определяется прежде всего составом группы, т. е. типом летательных аппаратов, входящих в группу, рассматриваемую как единое целое.

Рис. 7. Иллюстрация разнообразия возможных геометрических форм областей движения группы (I – вытянутый цилиндр; II – неправильный трехмерный многоугольник; III – выпуклая сфера; IV – шар, вогнутый внутрь)

Вопросы анализа структуры группировки тесно связаны с осознанием понятия «координаты группировки». В отличие от одиночных ЛА для группировки достаточно сложно определить понятие «расположение в пространстве». При правильной форме области, в которой движется группа ЛА, при близких направлениях движения еще можно каким-либо образом осреднить различные характеристики перемещения группировки в пространстве в целом. Однако такие условия следует признать слишком «тепличными». При различных направлениях движения ЛА и их существенной разнотипности это нельзя сделать.

В таком контексте одной из важных характеристик могло бы стать распределение в пространстве движущихся ЛА. Такие распределения P_xy, P_yz, P_xz целесообразно строить в трех взаимно перпендикулярных плоскостях на заданное время t_зад. Совместная обработка таких распределений позволяет представить структуру самой группировки.

Иерархичность и соподчиненность. Эта характеристика выделяет в рамках движущейся группы объекты, которым дано право управлять процессом движения, и подчиненные им, т. е. управляемые. Таким образом, в рамках группы устанавливается определенная иерархия. Если такая подчиненность не устанавливается, то группа рассматривается как неорганизованная либо самоорганизующаяся. В рамках такой иерархии целесообразно также указать направление, в котором осуществляется управление, и разделять все ЛА на группы, управляемые одним ЛА.

Коммуникативность группы. Под этим следует понимать наличие соответствующих связей между членами группы, главным образом информационных. Действительно, ЛА в процессе своего движения могут обмениваться информацией друг с другом в соответствии с различными представлениями о связи, например «каждый с каждым», «все со всеми», «звезда», «солнце» и др. Понятно, что для описания коммуникативности возможно использовать многомерные матрицы, хотя при большой размерности работа с ними часто проблематична.

Интеллектуальность. Наличие свойства интеллектуальности является принципиальным во всей тематике настоящей монографии. Под интеллектуальностью в дальнейшем будем понимать три главных отличительных признака:

• ЛА воспринимают и используют информацию, получаемую по различным каналам в данной точке пространства;

• ЛА могут самостоятельно оценивать ситуацию своего движения в антогонистической среде;

• ЛА могут принимать решения самостоятельно, действуя при этом в рамках правил коллективного поведения.

Тогда группой интеллектуальных летательных аппаратов (ИЛА) будем называть совокупность движущихся ЛА, обладающих интеллектуальными свойствами, обменивающихся в процессе движения информацией с другими объектами управления, оценивающими среду и принимающими решения в режиме реального времени.

Стиль управления движением группы. Как известно, ЛА – это управляемая подсистема в некоторой кибернетической системе, состояние которой в каждый данный момент времени зависит от его предшествующих состояний, управляющих воздействий и воздействий среды. Так как состояние группы (т. е. совокупность ее характеристик) в каждый момент времени зависит от ее состояния в предыдущий момент, то группу, действительно, можно рассматривать как некий единый летательный аппарат. Управляющими воздействиями на группу могут быть цели, поставленные отдельным ЛА, целевая установка группе в целом, целевой функционал, описывающий эффективность движения группы. Входными параметрами управления группировкой являются параметры группового движения на некоторый момент времени t; выходными параметрами – также параметры движения на момент t+τ.

Различие приведенных выше характеристик дает четыре качественно различных состояния движения группы.

Свободное движение группы – это неорганизованный поток объектов с индивидуально определенными целями и отсутствием обмена информацией, по траекториям, необходимым для достижения целей каждым объектом. Условно говоря, при свободном движении «каждый погибает в одиночку». Структура ближе к хаотической, соподчиненность не задается.

С точки зрения стороннего наблюдателя – это хаотическое движение.

Стайное движение группы. Объекты управления движутся с реализацией стайной концепции управления. Они имеют общую цель, но не имеют общей иерархической структуры подчиненности. При этом каждый объект стремится избежать столкновения с другими, ориентируясь на поведение соседних объектов.

С точки зрения стороннего наблюдателя – это движение стаи.

Стесненное движение группы. Реализуется в условиях, когда при движении используется только априорная информация о средствах обороны. Объекты могут маневрировать, чтобы не допускать нарушения траекторных ограничений. При реализации стайной концепции маневр является коллективным.

С точки зрения стороннего наблюдателя – это различные маневры при общем тренде направленного движения целей в заданную область.

Целенаправленное движение группы – это специально организованная, обладающая изменяющейся формой и размерами область движущихся ЛА, причем с возможностью обмена информацией между ними и перераспределением целей. При этом используется как априорная, так и получаемая в процессе движения информация.

Таким образом, если отдельный летательный аппарат в момент времени t может быть определен тремя координатами в декартовой системе координат в фазовом пространстве, то говорить о траектории движения группировки некорректно. Более правильно говорить о том, что в момент времени t группировка ЛА находится в состоянии свободного (стайного, стесненного, целенаправленного) движения Ω, описываемого формой F, структурой S, степенью иерархичности E, степенью коммуникативности K, уровнем интеллектуальности I и стилем движения Z.

Параметрами группового движения будем называть совокупность свойств движения, которые могут быть измерены количественно или качественно и описывать его характеристики с необходимой степенью полноты.

К параметрам группового движения отнесем следующие.

Количество ЛА в группе. С математической точки зрения количество ЛА в группе целесообразно определять по приближенной логарифмической шкале. В этом контексте количество ЛА более двух единиц уже образует группу. Следующая градация – несколько десятков ЛА[7]7
  Российская система ПВО/ПРО «Триумф», например, одновременно обстреливает 36 целей 72 ракетами.


[Закрыть]. И наконец, когда количество ЛА превышает цифру «200 (300)», то последующие градации становятся бессмысленными – летательных аппаратов просто «очень много». Теоретически количество объектов может быть и больше, но для практики это количество уже является едва осмысливаемым пределом.

При анализе количественных характеристик целесообразно одновременно вводить числовые параметры, характеризующие подгруппы различного типа, входящих в состав.

Размеры группы. Размеры группы могут численно описывать ее разнообразные формы и протяженность в пространстве. Сфера может описываться радиусом в трехмерном пространстве; вытянутый цилиндр – направлением оси и перпендикулярным радиусом относительно оси; конус – высотой и углом полураствора конуса. Но наиболее часто на практике встречаются группировки неправильной формы.

Плотность группы связана с распределением летательных аппаратов по поверхности или внутри некоторой пространственной фигуры, характеризующей группу В момент обнаружения группы в зависимости от имеющейся информации могут быть сделаны различные предположения о параметрах таких распределений: аналог равномерного распределения ЛА в пространстве области группы; аналог нормального распределения, когда можно указать местоположение наибольшей плотности ЛА в пространстве области, занимаемой группой, и распределение ЛА по границам области группы; иные распределения вероятности или возможности нахождения ЛА в пространстве области группы.

Эшелонированность. Группа может двигаться эшелонированным образом. В этом случае одной из характеристик могут являться интервалы в потоке, т. е. промежутки времени между эшелонами.

В эшелонированной группе можно ввести еще и понятие очередности следования эшелонов. Очередность может организовываться за счет времени задержки прихода ЛА на заданные рубежи.

Интенсивность движения группы. Интенсивность есть показатель, которым измеряются потоки, переносящие энергию. Под интенсивностью мы будем понимать количество летательных аппаратов, обнаруженных и/или прошедших через заданный рубеж обороны в единицу времени. Высокая интенсивность движущихся по направлению к области обороны летательных аппаратов означает высокую опасность.

С точки зрения средств обнаружения, ответственных за некоторую область обороны, интенсивность движения группы показывает, насколько увеличивается опасность Q атаки группы ЛА за единицу времени t при прохождении ею через единицу площади W/S поверхности, перпендикулярной к направлению ее движения.

Q = (W/S)×t (1)

Понятно, что интенсивность в представленном понимании увеличивается по мере приближения к защищаемому объекту.

Информационная связность ЛА. Под информационной связностью ЛА в группе мы понимаем условие, при котором произвольный ЛА из группы обладает способностью обмениваться информацией с каждым членом этой группы. Эта характеристика отражает степень коммуникативности группы ЛА. Характеристику связности можно ввести, используя теорию графов. Тогда для связности ЛА необходимо и достаточно, чтобы произвольный ЛА из группы имел возможность бесперебойной связи с каждым из других аппаратов.

Возможностями группового движения будем называть способность группы одновременно или с течением времени изменять параметры группового движения.

К возможностям группового движения относятся следующие.

Инерционность. Инерционность является фундаментальным свойством динамических объектов. Суть инерционности заключается в противодействии летательного аппарата внешним воздействиям, их попыткам изменить его состояние и поведение. Только постепенно с течением времени динамический объект реагирует на воздействие.

В задачах движения групп ЛА возникают два аспекта инерционности.

Информационная инерционность связана с задержкой получения информации и принятия решения по реагированию на возникающую угрозу.

Техническая инерционность связана с ограниченными техническими возможностями по реагированию после принятия решения. Так, на отработку маневра по обходу опасных зон требуется время.

Достижимость целей движения группы. Особенностями предлагаемой постановки задачи является задание общей цели движения группы и целей для каждого ЛА из группы. При этом цели могут существенно различаться по важности; часть ЛА может выполнять основные задачи, в то время как остальные – выполняют вспомогательные функции по обеспечению решения основных задач, маскировки, дезориентации другой стороны и др. Могут быть и отдельные случаи нецелевого полета группы (космический «мусор», непреднамеренное разделение крупного ЛА на ряд более мелких фрагментов), но они являются частными по отношению к случаю целевого использования.

Для группы, как правило, трудно, а в ряде случаев и нецелесообразно, задавать единственную целевую поверхность. Это связано прежде всего с широкими возможностями по заданию разнообразных структур движения и целей группы. Цели, которые ставятся перед отдельными ЛА из группы, как правило, подчиняются (т. е. являются подцелями) общей цели или совокупной задаче, поставленной перед группой объектов.

Маневренные возможности группировки. Под маневренными возможностями группировки здесь будем понимать свойство группировки ЛА, характеризующее степень его способности оперативно изменять параметры и скорость движения, преодолевая при этом зоны возможного поражения средств обороны.

Понятно, что маневренные возможности группировки зависят от маневренных возможностей отдельных входящих в него летательных аппаратов и ограничиваются сверху и снизу наилучшими и наихудшими такими характеристиками. Однако в целом это понятие оказывается довольно размытым и имеет смысл лишь при групповом (одновременном) маневре ЛА. По аналогии с пониманием, что маневренные возможности отдельных ЛА характеризуют способность изменения траектории движения, маневренные возможности группировки также должны описывать изменение, но целых областей параметров движения.

Признаками группового движения будем называть наблюдаемые факты или события, позволяющие сделать заключение о типе, характеристиках и структуре движущейся группировки. Уже этом подходе заключается важная особенность – признаки должны быть наблюдаемы и предназначены для решения задачи распознавания, т. е. отнесения движущейся группировки к некоторому классу.

Понятно, что класс группировки важен не сам по себе, важно понимание, какие свойства присущи этому классу. В этом смысле класс определяется проявлением указанных в подразделе 2.3.1. свойств/характеристик движения группировки, которые могут быть измерены соответствующими параметрами и выражаться соответствующими возможностями.

Можно расширить понятие сложной баллистической цели на целый класс таких групповых целей (табл. 2.)

Таблица 2. Примеры сложных групповых целей, образуемых при групповом полете летательных аппаратов

Окончание таблицы 2