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

0 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:

LminD*;

D є {D};

DiDj =0;

ij

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 іэтапе.

  1.   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


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

51574. Конструирование диагностико-проектировочной и ценностно-ориентировочной деятельности педагога 183 KB
  Конструирование диагностико проектировочной и ценностноориентировочной деятельности педагога. Ведущие задачи диагностикопроектировочного этапа педагогической деятельности. Задачный характер педагогической деятельности. Коллективное планирование как обязательное условие жизнедеятельности детского коллектива.
51575. Пути повышения рентабельности предприятия (на примере ООО «Телепласт») 1.34 MB
  Рентабельность - это важнейший показатель в экономике. Понимание ее сути, механизмов работы и практического применения в экономической деятельности дает возможность решения многих задач в работе компании.
51577. ПРИМЕРНАЯ СХЕМА ПОСТРОЕНИЯ УРОКА РУССКОГО ЯЗЫКА 78.5 KB
  ПРИМЕРНАЯ СХЕМА ПОСТРОЕНИЯ УРОКА РУССКОГО ЯЗЫКА Урок русского языка достигнет своей цели если он вызовет у учащихся интерес к изучаемому предмету заставит их не только слушать учителя но и активно самостоятельно работать. Нужно исходить из реальных Возможностей всего класса в целом и индивидуальных особенностей отдельных учащихся. Разрабатывая систему уроков особенно важно выделить в ней так называемые трудные случаи на которые должно быть вовремя обращено внимание учащихся. У некоторых учащихся трудности могут встретиться при...
51581. Властивості степеня з натуральним показником 48.5 KB
  Тип уроку: урок засвоєння нових знань формування вмінь і навичок інтерактивний урок Інтерактивні технології: вирішення проблеми займи позицію оцінювальна дискусія Обладнання: підручники збірники задач таблиці інтерактивна дошка диференційовані завдання роздатковий матеріал завдання на картках контрольні запитання Зміст урок Організаційний момент. Перевірка домашнього...