Предлагаемая работа направлена на решение актуальной проблемы, связанной с разработкой программно-аппаратного комплекса поддержки принятия решений на базе бортовой интеллектуальной системы оперативного контроля динамики судов в экстремальных ситуациях. Концептуальная модель сформулирована на основе современной теории катастроф в соответствии с тенденциями развития современных интеллектуальных технологий. Реализация динамической модели катастроф осуществляется в бортовых интеллектуальных системах новых поколений на основе фундаментальных принципов управления обработкой информации А.Н.Колмогорова, Н.Н.Моисеева, А.Н.Тихонова и теории сложности. Геометрическая интерпретация эволюции динамической системы осуществляется на основе когнитивной парадигмы, поддерживаемой фрактальной геометрией и спиральной структурой. Функционирование средств интеллектуальной поддержки оператора осуществляется на основе интерактивного взаимодействия с программной системой. Алгоритмы и программное обеспечение интегрированной вычислительной среды ориентированы на решение задач анализа и прогноза развития экстремальных ситуаций в режиме реального времени для различных условий эксплуатации.
Ключевые слова: Динамическая теория катастроф, бортовая интеллектуальная система, поддержка принятия решений, фрактальная геометрия, экстремальные ситуации
Интеллектуальные системы и технологии
УДК 004.942:004.031.043
Нечаев Ю. И., засл. деятель науки, д-р техн. наук, проф.
ФГБОУ ВО Санкт-Петербургский государственный морской технический университет
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ БОРТОВОЙ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ СИТУАЦИЙ НА ОСНОВЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ КАТАСТРОФ
Предлагаемая работа направлена на решение актуальной проблемы, связанной с созданием программно-аппаратного комплекса поддержки принятия решений (ППР) на основе бортовой интеллектуальной системы (ИС) оперативного контроля динамики судов в экстремальных ситуациях.
Обсуждение концептуальных решений и теоретических проблем создания ИС новых поколений на базе современной теории катастроф проводилось автором как Международным (независимым) экспертом в области высокопроизводительных технологий и ИС на Международных Форумах: США – в Вашингтоне (2009), Сан Франциско (2011) и Кэмбридже (2013), Великобритании – Кэмбридже (2010, 2014), Оксфорде (2012), Эдинбурге (2015). Публикация материалов дискуссии произведена в монографиях [3] – [5]
Концептуальная модель интегрированного программного комплекса (рис.1) сформулирована на основе современной теории катастроф в соответствии с тенденциями развития современных интеллектуальных технологий и высокопроизводительных средств обработки информации. Интегрированная платформа знаний включает адаптивные методы и модели генерации альтернативных сценариев взаимодействия судна с внешней средой при реализации процедур ППР в рамках принципа конкуренции. Совершенствование концептуального базиса ИС на основе современной теории катастроф связано с расширением и углублением анализа и синтеза сложных структур данных в нелинейной нестационарной динамической среде в условиях неопределенности и неполноты исходной информации. Реализация динамической модели катастроф осуществляется в бортовых ИС новых поколений [3] – [5] на основе фундаментальных принципов управления обработкой информации А.Н.Колмогорова [1], Н.Н.Моисеева [2], А.Н.Тихонова [7] и теории сложности [6].
Рис.1. Структура вычислительного комплекса ИС
Современная теория катастроф предоставляет универсальный аппарат контроля динамики сложных систем в различных научно-технических приложениях, включая системы обеспечения безопасности мореплавания и посадки летательных аппаратов морского базирования, а также транспортные и социальные системы. Функциональная модель динамической теории катастроф реализует интеграцию интеллектуальных технологий и высокопроизводительных средств обработки информации и предусматривает генерацию управляющих воздействий в двух критических режимах состояния системы: движение системы к целевому аттрактору (стабильное состояние) – в случае эффективности системы интеллектуальной поддержки оператора, и при потере устойчивости движения (возникновение катастрофы) – в случае недостаточной эффективности вырабатываемых решений [3] – [5]. Отображения критических режимов ведется с помощью фрактальной геометрии (эллиптическая конфигурация) и аттракторных множеств. Типичными аттракторами являются устойчивый и неустойчивый предельные циклы с особенностями реализации в виде картины «рождения и смерти цикла» (по интерпретации А.А.Андронова [3].
Алгоритмы управления ППР формируются в режиме реального времени в зависимости от уровня неопределенности ситуации: в алгоритмическом контуре управления, адаптивной системе, построенной на основе принципа адаптивного резонанса [3] – [5], и контуре самоорганизации. Распределенная вычислительная среда разработана в рамках концепции «облачных вычислений» и Грид-технологий [5]. В зависимости от особенностей динамики системы используются методы коллективного распределенного интеллекта в рамках технологии мультиагентного моделирования.
Геометрическая интерпретация эволюции динамической системы осуществляется на основе когнитивной парадигмы, поддерживаемой фрактальной геометрией и спиральной структурой (рис. 2). Спиральная структура представляет собой модель когнитивного образа в виде сжатой пружины или развернутой во временной последовательности эллиптической структуры в соответствии с динамической теорией катастроф или модифицированной системы итерированных функций (СИФ). Типичной интерпретацией является формальная модель преобразования информации, интегрирующая взаимодействие возмущающей и восстанавливающей компонент динамической системы в зависимости от существенных факторов, а в условиях значительной неопределенности – в виде топологической энтропии или энтропийного потенциала [5].
а) б)
Рис. 2. Спиральная модель, отображающая динамику системы в условиях стабилизации (а) и потери устойчивости (возникновение катастрофы (б))
Спиральная модель позволяет осуществлять фазы «сжатия» и «растяжения» в рамках синергетической парадигмы на интервале реализации [t0, tk] с помощью интерпретации пространства поведения fi (i = 1, … ,n) и пространства управления Fj (j =1, … ,m) динамической теории катастроф [3].
Функционирование средств интеллектуальной поддержки оператора осуществляется на основе интерактивного взаимодействия с программной системой. Методологические основы и формальный аппарат используемых методов и моделей разработаны на уровне изобретения и поддержаны патентами РФ. Теоретический аппарат динамической базы знаний формируется на накопленных знаниях в области создания бортовых ИС обеспечения безопасности мореплавания и посадки летательных аппаратов морского базирования. Программно-аппаратный комплекс определяет интеллектуальную поддержку задач использования перспективной техники измерений и технологий высокопроизводительной обработки данных на основе методов математического моделирования и анализа информации в сложных динамических средах. Развиваемая методология позволяет синтезировать оптимальную стратегию управления при оценке состояния и прогнозирования процессов взаимодействия судна с внешней средой. Реализация задач интеллектуальной поддержки оператора осуществляется в виде встроенного программного модуля, пригодного для использования совместно со средствами интеллектуальной поддержки в бортовых ИС новых поколений.
Разрабатываемая интеллектуальная технология ППР позволяет создать информационное превосходство функционирования сложной системы, которое заключаются в использовании нового подхода к обработке информации, основанного на развитии методов и моделей современной теории катастроф в рамках концепции «мягких вычислений». Теоретический базис этой технологии сформулирован в монографиях [3] – [5], а также в работах по совершенствованию задач повышения надежности контроля поведения сложных нелинейных систем в нестационарной динамической среде. Перспективы моделирования динамики судов связаны с развитием ключевых направлений науки и технологий – экстренные вычисления, распределенные системы мультиагентного моделирования, комплексные компьютерные сети с открытой архитектурой, виртуальные среды мультимодельного описания и обработки больших объемов данных. Совершенствование систем компьютерного моделирования обеспечивается путем реализации синергетической теории управления, когнитивной парадигмы и методов интерпретации информации при непрерывном изменении динамики судна и параметров внешней среды в условиях неопределенности и неполноты исходных данных. Разработанные алгоритмы и программное обеспечение интегрированной вычислительной среды ориентированы на решение задач анализа и прогноза развития экстремальных ситуаций в режиме реального времени для различных условий эксплуатации.
Реализация концепции бортовой ИС и принципов обработки информации в мультипроцессорной вычислительной среде дает возможность повысить надежность принятия решений при контроле поведения судов на волнении за счет повышения эффективности управления и интерпретации текущих ситуаций на основе формализованной системы знаний и динамической модели современной теории катастроф.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Колмогоров А.Н. Теория информации и теория алгоритмов. М.: Наука, 1987.
2. Моисеев Н.Н. Избранные труды, М. Тайрекс Ко, 2003.
3. Нечаев Ю.И. Теория катастроф: современный подход при принятии решений. Санкт-Петербург: Арт-Экспресс, 2011, 392 с.
4. Нечаев Ю.И., Петров О.Н. Непотопляемость судов: подход на основе современной теории катастроф. Санкт-Петербург: Арт-Экспресс, 2014, 368 с.
5. Нечаев Ю.И. Топология нелинейных нестационарных систем: Теория и приложения. Санкт-Петербург: Арт-Экспресс, 2015.
6. Солодовников В.В., Тумаркин В.И. Теория сложности и проектирование систем управления. М.: Наука, 1990.
7. ТихоновА.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1986.
Аннотация. Предлагаемая работа направлена на решение актуальной проблемы, связанной с разработкой программно-аппаратного комплекса поддержки принятия решенийна базе бортовой интеллектуальной системы оперативного контроля динамики судов в экстремальных ситуациях. Концептуальная модель сформулирована на основе современной теории катастроф в соответствии с тенденциями развития современных интеллектуальных технологий. Реализация динамической модели катастроф осуществляется в бортовых интеллектуальных системах новых поколений на основе фундаментальных принципов управления обработкой информации А.Н.Колмогорова, Н.Н.Моисеева, А.Н.Тихонова и теории сложности. Геометрическая интерпретация эволюции динамической системы осуществляется на основе когнитивной парадигмы, поддерживаемой фрактальной геометрией и спиральной структурой. Функционирование средств интеллектуальной поддержки оператора осуществляется на основе интерактивного взаимодействия с программной системой. Алгоритмы и программное обеспечение интегрированной вычислительной среды ориентированы на решение задач анализа и прогноза развития экстремальных ситуаций в режиме реального времени для различных условий эксплуатации.
Ключевые слова: динамическая теория катастроф, бортовая интеллектуальная система, поддержка принятия решений, фрактальная геометрия, экстремальные ситуации.
Abstract. The work under discussion is carried out to solve an actual problem of hardware-software complex development for decision-making support in onboard intellectual systems in extreme situations. Conceptual model is formulated on the basis of modern catastrophe theory according to modern trends in intellectual technologies evolution. Dynamic catastrophe model is realized in onboard intellectual systems of new generations using fundamental information handling control principles of Kolmogorov, Moiseev, Tihonov and complexity theory. Geometrical interpretation of dynamic system evolution is carried out on the basis of cognitive paradigm of fractal geometry and spiral structures. Decision-support functioning is realized by interaction with program system. Algorithms and software of integrated computing environment are designed for analysis and forecast of extreme situations evolution in real time for different external environment.
Нечаев Юрий Иванович ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ БОРТОВОЙ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ СИТУАЦИЙ НА ОСНОВЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ КАТАСТРОФ // . – . – № ;
URL: istmu2016.csrae.ru/ru/0-13 (дата обращения:
04.05.2024).
