67859
Методы проектирования авиационных геоинформационных комплексов на основе информационно-структурного подхода
Лекция
Астрономия и авиация
Системный подход В.М.Глушкова является достаточно хорошей основой для создания компонентов ИГК РВ, работающих в статике. Однако основной чертой таких комплексов, какими являются ИГК РВ, является их работа в динамике. Они должны успевать отображать в реальном времени быстротечные процессы...
Русский
2014-09-15
203 KB
3 чел.
Лекція 1.4. Методи проектування авіаційних геоінформаційних комплексів на основі інформаційно-структурного підходу.
План
1.4.1. Проектирование ИГК РВ как сложной человеко-машинной системы.
1.4.2. Этапы проектирования ИГК РВ.
1.4.3.Оптимизация структуры комплекса.
1.4.1. Проектирование ИГК РВ как сложной человеко-машинной системы.
Системный подход В.М.Глушкова является достаточно хорошей основой для создания компонентов ИГК РВ, работающих в статике. Однако основной чертой таких комплексов, какими являются ИГК РВ, является их работа в динамике. Они должны успевать отображать в реальном времени быстротечные процессы, присущие, например, навигационным системам, системам тушения пожаров, ПВО, ПРО и т.д. Проблема построения таких систем рассмотрена в работах М.Д. Месаровича, Б.П.Балашова, А.Д.Цвиркуна, в которых показаны пути построения подобных сложных динамических систем на основе функционально-структурного подхода.
Процесс проектирования комплексов оперативного взаимодействия представляет собой последовательность этапов анализа и синтеза, сложным образом связанных между собой. При создании сложных комплексов для их синтеза используется сочетание содержательных (интуитивных) и формальных (алгоритмических) методов. Синтез такого рода систем состоит в определении структуры синтезируемой системы и процессов ее функционирования, реализующих заданное множество функций системы и совокупность элементов ее будущей структуры.
Формально задачу проектирования комплекса можно представить в виде процессов принятия решений, в результате которых нужно получить комплекс, удовлетворяющий заданным условиям. Как следует из работ Б.П.Балашева и А.Д.Цвиркуна в обобщенном виде это можно представить следующим образом:
ZS = {Smf(p) ; Ц(р)} , (1.4.1)
где: Smf(p) - условия, определяющие модель системы; Ц(р) – цель, определяющая желаемое состояние ИГК РВ, р - состояние комплекса. Процесс решения этой задачи состоит в поиске операторов преобразования Рі, выражающимися трансляцией вида:
Smf(p) → Smf(p')/Ц(р), (1.4.2)
т.е. нужно найти такое преобразование Р, чтобы выполнялось условие Ц(р) при переходе от состояния р к р'.
В результате конечного числа преобразований получается система – конечный продукт синтеза, т.е. ИГК РВ:
S=Pn (Рn-1 (…(P2(Sm(P1)…), (1.4.3)
описываемая пятеркой S={E1, E2, R1, R2, Ц},при которой обеспечивается extr F(x) c некоторыми ограничениями:
, ,
где: Е1 – множество элементов комплекса; Е2 – множество подсистем комплекса;
R1 – множество связей между элементами; R2 – множество связей между подсистемами; Ц - множество целей системы; F(x) – функция обобщенного критерия эффективности комплекса; І - множество индексов ограничений.
Специфичность назначения диктует целесообразность дополнительного включения задач, характерных для ИГК РВ: учет субъективного фактора - коллектива пользователей; определение характеристик ИГК РВ, удовлетворяющих целям и задачам отображения информации и оперативного управления; необходимость создания пользовательского интерфейса.
1.4.2. Этапы проектирования ИГК РВ.
Введение новых компонентов в задачи проектирования указывает на необходимость создания или модернизации методологии проектирования ИГК РВ как сложных человеко-машинных систем. Особенностью подхода является то, что при проектировании ИГК РВ рассматривается в целом: система (программные, информационные и аппаратные средства) и пользователь. Задача проектирования ИГК РВ на основе информационно-структурного подхода состоит в следующем. Необходимо определить:
при этом должно быть обеспечено при ограничениях , ,
где - множество возможных уровней параллелизма создания подсистем -компонентов ИГК РВ , которые могут быть выделены при проектировании;
- множество возможных отдельных частных задач и алгоритмов , которые могут быть выделены на отдельных уровнях проектирования;
- множество возможных взаимосвязанных элементов ИГК РВ ;
- множество возможных подсистем ;
- множество возможных принципов и алгоритмов управления , используемых для построения ИГК РВ;
- множество функций, выполняемых системой. Каждому набору принципов и алгоритмов соответствует множество функций , из которого в процессе проектирования выбирается подмножество для реализации выбранных принципов и алгоритмов управления;
& - операция отображения элементов множества на элементы множества , обеспечивающая заданные показатели функционирования ИГК РВ.
Структурная схема основных элементов подхода представлена на рис.1.4.1. Это последовательная декомпозиция функций и структур (выделенных составляющих, уровней параллелизма, элементов детализации, выделение задач на выделенных уровнях и элементах детализации и объединение элементов детализации для построения вариантов ИГК РВ).
Наш подход включает в себя принятие решений и оценку эффективности принимаемых решений с учетом уровня параллелизма, детализации, класса решаемых и отображаемых задач, элементной базы и обеспечение качества оперативного управления. В схеме приняты следующие обозначения: F={F1, F2, …, Ff} - множество информационных моделей (форматов отображаемых данных); A={A1, A2, …, Ai} - множество алгоритмов обработки данных и формирование форматов отображаемых данных; G={G1, G2, …, Gq} - множество устройств ИГК РВ. Данный подход также позволяет решить вопросы автоматизации ранних этапов проектирования, связанных с выбором архитектуры и формированием крупноблочной функциональной структуры ИГК РВ. Подход основан на декомпозиции функций и структур, сочетании методов системного анализа отдельных компонентов и моделирования процессов функционирования системы.
Проектирование ведется как сверху вниз, от общего к частному, так и параллельно.
На каждом этапе и уровне параллелизма осуществляется целенаправленное встречное преобразование форматов хранения в отображаемые данные, алгоритмов и структур данных, с одной стороны, и структуры технических средств ИГК РВ, реализующих заданные форматы хранения и алгоритмы, с другой стороны, с целью установления соответствия между форматами отображения, возможностью видоизменения форматов, алгоритмами, структурой данных и структурой ИГК РВ, позволяющей получать динамическую сцену в реальном времени и оптимизировать целевой критерий. Процесс проектирования
ИГК РВ является направленным процессом переработки исходной информации в необходимую с помощью оптимального состава программно-аппаратных средств. Функция проектирования ИГК РВ - F(x) может рассматриваться в результате декомпозиции как макрофункция.
Процесс декомпозиции макрофункции F(x) представляет собой формирование дерева функций. Дерево функций может быть представлено в виде развернутого графа, таблиц, схем и т.п. При декомпозиции производится выделение основных составляющих и уровней параллелизма. Функцию сложности для технических систем можно считать аддитивной, тогда сложность ИГК РВ определяется:
где: - сложность i-й подсистемы. Процесс декомпозиции может быть представлен как решение минимизационной задачи:
L→min→D*;
D є {D};
Di ∩ Dj =0;
i ≠j
где: D - операция декомпозиции; {D} - множество семейств декомпозиции;
D* - оптимальная декомпозиция.
Если S0 - декомпозируемая система, то после применения к S0 декомпозиции D0 получим множество подсистем S1, S2, …, Sm. Из всего множества семейств подсистем выбираются те, которые применены к данной системе S0, т.е.
{D} є {{D}}.
Полученные подсистемы могут быть расчленены на подсистемы более нижнего уровня, т.е. Si может быть разбито на Si1, Si2, …, Sim и т.д.
Укрупненно подход может быть представлен в виде следующей последовательности технических требований технического задания. Требования к системе могут быть заданы в виде некоторого набора функций-требований:
MF={MF1, MF2, …, MFi,…, MFl},
где: MFі - исходные требования к системе.
Система допускает декомпозицию 1-го уровня на подсистемы, требования к которым могут быть связаны с исходными требованиями. Каждая подсистема в виде требований к ней представляется как вектор:
MFi = {MFi1, MFi2, …, MFil} ,
где: MFіl - требования, отраженные в функциях к подсистеме; l - количество подсистем.
Каждая подсистема допускает декомпозицию на процессы, которые могут быть однозначно связаны с исходными требованиями 1-го уровня, допускающими уточнение требований и детализацию, соответствующую уровню процессов, т.е. каждый процесс представляется как вектор:
MFij = {MFij1, MFij2, …, MFijm} ,
где: MFijm - i-я функция j-го процесса; m - число процессов.
Дальнейшая декомпозиция состоит в разбиении процессов на более мелкие компоненты. Будем иметь следующий вектор для каждой компоненты:
MFijq={MFijq1, MFijq2, …, MFijqn},
где: MFijqn - n-й компонент, q-й алгоритм, j-го процесса i-й подсистемы.
Здесь процессы ассоциируются с техническими средствами и объектами.
Для F(x) на первом этапе, на основании технического задания, экспертным путем задается совокупность функций {F(α)} . Устанавливается разбиение макрофункции α на составляющие - микрофункции. Решение задачи проектирования ИГК РВ экспертным путем было разделено на 5 уровней: декомпозиция системы, проектирование процессов, средств ввода, проектирование процессов и средств обработки, проектирование процессов, средств отображения и системы в целом. Соответственно математическая модель задачи проектирования имеет вид:
MF0= {F1(α1), F2(α2), F3(α3), F4(α4), F5(α5)}; (1.4.4)
αi є Ai : i=1..5,
где: F1(α1), F2(α2), F3(α3), F4(α4), F5(α5) критерии эффективности. Они определяются на этапах декомпозиции, проектирования средств ввода-вывода, проектирования структуры средств обработки, проектирования структуры средств отображения соответственно, Ai - допустимая область альтернатив, определяемая ограничениями i-го этапа решения задач проектирования (3); αі – альтернатива, отражающая вариант решения задачи (3) на і-м этапе.
- Оптимизация структуры комплекса.
Задача оптимизации структуры комплекса представляет собой многоуровневую динамическую задачу многопараметрической оптимизации. Процесс проектирования ИГК РВ разбит экспертным путем на 3 уровня параллелизма: уровень процессов и средств ввода; уровень системы обработки; уровень устройств и процессов отображения.
Соответственно выделенным уровням формируется ряд требований: ТТ1, ТТ2, ТТ3. Требования ТТ1 определяют направленность идеологии построения средств ввода-вывода. Требования ТТ2 определяют в основном принципы организации и построения системы обработки в целом. Требования ТТ3 - требования к отдельным устройствам отображения информации. В них учитываются принципы построения устройств отображения, удобство общения пользователя с этими устройствами.
Сущность проектирования специфична, она проявляется в том, что создание моделей и устройств осуществляется исходя из учета пользователя - лица, принимающего решение (ЛПР). Взаимодействие пользователя с ИГК РВ, обмен информацией между ними понимается как интерфейс «Пользователь - комплекс». В функционально-структурном подходе организация такого интерфейса реализуется на основе моторных, психофизиологических, информационных характеристик пользователя-оператора и особенностей программных и аппаратных средств.
Структура ИГК РВ в целом и отдельных ее компонентов определяются большим числом параметров Mk:
Mk = {pBk, nFi, Aj, nGi, TTk, Пм, N, nG'э},
где: pBk - множество методов ввода информации в систему; nFi={nFi1, nFi2, …, nFi} - множество методов отображения информационных моделей комплекса; Aj = {Aj1, Aj2, …, Ajj} - множество алоритмов преобразования информации; nGi = {nGi1, nGi2, …, nGii} - множество признаков структур комплекса; TTk = {TTk1, TTk2,…, TTkk} - множество параметров технических требований; Пм={Пм1, Пм2, …, Пмм} - множество ограничений на структуру комплекса; N={N1, N2, …, Nn} - множество пользователй в системе; nG'э ={nG'э1, nG'э2, …, nG'ээ} - множество признаков структур средств отображения.
Определение: параметрами ИГК РВ назовем независимые друг от друга первичные свойства комплекса с сопоставимыми им определенными областями значений, текущие значения которых определяют остальные свойства комплекса.
Параметры являются управляемыми переменными в задачах проектирования комплекса. Ограничения на их значения можно записать в виде соотношений:
, , ,
- дискретности изменения значений параметров
.
Общую функционально-структурную модель проектирования ИГК РВ можно представить в общем виде:
P={FMi, Aj, Gl, TTn, Gэ, G0},
где: FMi = {FM1, FM2,…, FMi} – множество информационных моделей ИГК РВ; Aj={A1, A2,…, Aj} - множество алгоритмов переработки и преобразования информации в необходимое изображение; Gl={Gl1, Gl2,…, Gll} - множество структур устройств ввода; Gэ={Gэ1, Gl2,…,Gээ} - множество структур устройств отображения; G0={G01, G02,…, G0k} - множество структур средств обработки.
Критерий эффективности на данном этапе включает предпочтения экспертов (ЛПР) Fli по разбиению процесса проектирования на уровни параллелизма. Предпочтения ЛПР определяются экспертным методом, а при оптимизации принимаемого решения обеспечивается максимизация Fli . Подход реализуется в виде стратегии, которая детализируется и схематично изображается в виде, представленном на рис.1.4.2, где Fi - исходные форматы отображаемых данных; A0 - исходные представления алгоритмов переработки информации; G0 - исходный набор существующих систем - компоненты комплекса; П0 - исходные основные принципы построения ИГК РВ; TT0 - исходные технические требования; К0 - исходные ограничения на структуру, элементную базу и т.п.; F(x)- критерии (множество критериев) оптимальности.
Стратегия определяет сущность излагаемого подхода к проектированию ИГК РВ. Она включает в себя систему параллельно-последовательных взаимосвязанных алгоритмов решения частных задач разного уровня детализации.
Принимаемые решения должны приводить к достижению оптимальных соотношений целевых критериев. В результате получаются оптимальные форматы отображаемых данных Fд, структура систем ИГК РВ - А0, структуры устройств - А3, рис.1.4.2. Стратегия может быть представлена в виде следующих наборов процедур. Для уровня систем:
↓
→
↓
→
Для уровня устройств:
↓
→
↓
→
F2(х)=F2(x)extr.
W – символ отображения алгоритмического описания модели в структурное; , - процедуры анализа алгоритмов и отдельных их компонентов ИГК РВ для систем - (А0) и более нижнего уровня устройств - (А2); - процедуры анализа и преобразования показателей множества наборов, для системы - G0 и устройств - G2; tp(TT) - процедуры установления взаимосвязей между требованиями и структурами (систем и устройств); hp(H) - процедуры преобразований оптимального соответствия структур устройств и систем.
Предлагаемая методология построения интерактивных геоинформационных комплексов оперативного взаимодействия представляет собой интеграцию, системного (В.М. Глушкова) и функционально-структурного подходов. Важнейшей особенностью функционально-структурного подхода является то, что при синтезе комплекс рассматривается как целое: система и пользователь.
Оптимизация взаимодействия пользователя с техническими звеньями ИГК РВ осуществляется путем согласования их характеристик. При этом адаптация пользователя и системы осуществляется исходя, с одной стороны, из пластичности антропометрических, моторных, психофизиологических, информационных и динамических качеств пользователя в условиях его работы в среде ИГК РВ, а, с другой, - из достаточно большой пластичности средств ввода, хранения, преобразования на всех уровнях и отображения динамических сцен на экраны дисплеев и экран коллективного пользования, а также средств, позволяющих выполнить широкие функции управления, вытекающие из требований прикладной задачи.
Предложен информационно-структурный способ построения интерактивных видеотерминальных комплексов оперативного взаимодействия, представляющий собой синтез системного (В.М.Глушкова) и функционально-структурного подходов. В основу такого построения положены: иерархическая древовидная модель ИГК РВ, алгоритмические и программно-аппаратные методы организации динамических сцен, представляющих быстродвижущиеся объекты на фоне карты в реальном времени, методы и средства построения баз картографических данных, методы и средства оперативного ввода и вывода алфавитно-цифровых и графических данных, налагаемых на картографический фон, оценка психофизиологического состояния оператора и методы его коррекции.
PAGE 1
