Національна академія наук України

Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова

ПИСАРЕНКО Юлія Валеріївна

УДК 004.896

ВІРТУАЛЬНЕ ПРОЕКТУВАННЯ ІНТЕЛЕКТУАЛІЗОВАНИХ

РОБОТІВ ДЛЯ РОЗВІДКИ І НЕЙТРАЛІЗАЦІЇ

НЕБЕЗПЕЧНИХ ЕКОЛОГІЧНИХ ПОДІЙ

05.13.06 автоматизовані системи управління

та прогресивні інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України.

Науковий керівник: | доктор технічних наук,

член-кореспондент НАН України

БОЮН Віталій Петрович,

Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук

Биченок Микола Миколайович,

завідувач відділу, страший науковий співробітник,

Інститут проблем національної безпеки

при Раді національної безпеки та оборони України,

кандидат технічних наук, доцент

Рибак Любомир Петрович,

Інститут механіки та інформатики

Хмельницького національного університету,

Міністерство освіти і науки України.

Провідна організація: | Інститут космічних досліджень Національної академії наук

та Національної космічної агенції України, м. Київ.

Захист відбудеться “23” травня 2007 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.194.03 при Інституті кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України за адресою: 03187, МСП, Київ-187, проспект Академіка Глушкова, 40.

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічному архіві інституту.

Автореферат розісланий “ 6 ” грудня 2006 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради РОМАНОВ В.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. За останні десятиріччя в усіх технічно розвинених країнах світу збільшився інтерес до проблеми прогнозування природних і техногенних катастроф великих масштабів. Одна з причин пов’язана із збільшенням масштабів техногенного впливу господарської діяльності людини на зовнішне природнє середовище.

Серед найбільш значних техногенних катастроф варто виділити такі: великі повені, розливи нафти, аварії на підприємствах хімічної промисловості з потраплянням великої кількості високотоксичних речовин у ріки і водойми, аварії на підприємствах ядерного циклу. Значну небезпеку представляють аварії надводних і підводних суден, а також літальних апаратів у різних акваторіях океану, особливо в ситуаціях, коли аварія відбувається в зоні великих глибин океану і важких штормових умов, для яких украй складно вирішити проблеми швидкого виявлення точного місця катастрофи, де відбулося затоплення потерпілого аварію транспортного засобу.

Названі небезпечні екологічні події (ЕП) у природно-технічних комплексах (об'єктах техносфери) можуть у процесі розвитку привести до надзвичайних ситуацій (НС), а тому в роботі використовується загальний термін: ЕП/НС.

У цих умовах значно підвищилась актуальність розробки технологій створення інтелектуалізованих мобільних пристроїв для дорозвідки і нейтралізації небезпечних подій, якщо доступ до аварійного об'єкту людей-експертів обтяжений, дуже небезпечний або принципово неможливий через високий рівень ризику аварії, через екстремальні термобарічні або радіаційні умови навколишнього середовища, в якому розвивається дана ЕП. Суттєвою обставиною в розробці даної задачі (створення інтелектуализованих мобільних пристроїв для дорозвідки і нейтралізації ЕП/НС), є те, що вона входить як складова частина до більш загальної актуальної проблеми, що може бути позначена як створення комплексних інтелектуальних технологій підтримки прийняття рішень за ідентифікацією виниклої ЕП/НС й оптимальному виборі послідовності доступних заходів щодо скорочення життєвого циклу даної ЕП/НС із метою мінімізації матеріального збитку (створення системи УПРАВЛІННЯ_ЕП).

У зв'язку з поставленою в дисертації основною метою розробки комплексу методів і засобів (включаючи інформаційне, математичне, алгоритмічне, програмне, технічне, організаційне забезпечення) інформаційної технології для проектування спеціального технопарку інтелектуалізованих роботів (ТІР) проаналізована доступна література. Проведений аналіз показав, що в литературі можна знайти опис окремих випадків застосування інтелектуалізованих автономних мобільних носіїв апаратури дистанційного зондування для забезпечення оперативного моніторингу зон ЕП/НС. Практична ефективність використання описаних у літературі засобів і методів низька через рівень штучного інтелекту (ШІ), або повну відсутність ШІ у більшості так званих дистанційно керованих напівавтономних мобільних роботів. В усіх цих випадках украй важлива для робота наявність функцій адаптації до швидкозмінних умов зовнішнього середовища в процесі виконання програми обстеження. Тоді як у більшості випадків поставлені задачі виконуються роботом часто на незадовільному для практики рівні адекватності й оперативності.

У галузі створення інтелектуалізованих мобільних засобів інформатики подвійного призначення за останні два десятиріччя надзвичайно збільшилася увага технічно розвинених країн до нових принципів створення автономних мобільних носіїв апаратури.

У цій області досліджень можна виділити роботи таких дослідників: М.М. Биченок, В.П. Боюн, С.Ф. Бурдаков, В.А. Веселов, Р.Т. Газимов, О.А. Гудаєв, О.В. Даринцев, С.Г. Золкін, П.В. Какатович, С.Г. Капустян, П.П. Клименко, Є.І. Коваленко, В.Н. Котов, Ю.В. Крак, Ю.Г. Кривонос, В.М. Лохин, В.І. Ляшин, В.П. Макаричев, І.М. Макаров, С.В. Манько, І.І. Маркевич, Н.Ю. Миронова, І.Л. Нещадим, В.Є. Павловській, О.В. Палагін, В.Г. Писаренко, І.О. Писаренко, Д.Н. Покровській, С.А. Поливцев, М.Ю. Рачков, Л.П. Рибак, М.П. Романов, Є.Н. Смаглюков, В.І. Смарчков, Л.А. Станкевич, О.А. Осквітіна, А.І. Шевченко, В.А. Шуригін, Ж. Шуттер, І.В. Юдин, Є.І. Юревич, М. Армада, Є. Гарсія, Гонзалес де Сантес, Г. Ван Де Страет, A.T. de Almeida, Fr.-W. Bach, M. Hahn, L. Marcues, J. Seevers та інші.

Аналіз доступних літературних джерел показує, що відомі розробки роботів для пошуку і нейтралізації ЕП/НС мають такі характерні ознаки:

1) недостатня структурованість досліджень по класах ЕП/НС і типах інтелектуалізованих роботів-розвідників (ІРР) для дорозвідки і нейтралізації ЕП/НС;

2) практична відсутність комплексних технологій підтримки оперативного фор-мування й експлуатації в реальному часі інформаційно-аналітичних систем (ІАС) підтримки прийняття рішень по ідентифікації й оптимальному вибору заходів нейтралізації ЕП/НС (на базі оптимальної системи структурування множини НС за відповідними типами і класами);

3) відсутність у нашій країні і за кордоном технологічних парків інтелектуалі-зованих роботів і навіть концепції їх створення, для потреб оперативної дорозвідки і нейтралізації основних груп надзвичайних подій, включаючи швидкоплинні ЕП/НС.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати, вклю-чені в дисертаційну роботу, отримано при виконанні планових науково-дослідних робіт.

Теми, фінансовані за постановами НАН України:

- ВФ.265.02. "Розробка програмно-апаратних засобів інтелектуальної підтримки систем спеціального призначення" (20002002 р.р.) (постанова № 6-а від 10.02.2000 р., № держреєстрації 0100U002660);

- ВФ.265.03. "Розробити основи комплексних інформаційно-аналітичних технологій інтегрування знань і генерація ієрархічних моделей керованих складних систем спеціального призначення" (20032007 р.р.) (постанова № 3 від 20.12.02 р., № держреєстрації 103U003267 );

- ВФ.210.03. "Розробити комплекс інформаційної підтримки знання-орієнтованих технологій організації і проведення наукових досліджень" (20032007 р.) (постанова № 3 від 20.12.2002 р., № держреєстрації 0103U003265).

Розробки, що виконувалися на замовлення державних підприємств:

- для Донецького металургійного заводу тема: "Створення концепції на розробку і створення першої черги автоматизованих методик контролю й управління якістю процесу виплавки сталі в мартенівській печі та доведення її на установку піч-ковш (УПК)";

- для ДП "Селідіввугілля" тема: "Програма рекультивації території вугледобувних підприємств (породних відвалів), включаючи відновлення рослин, кущів і дерев, що буде сприяти поліпшенню екологічного стану";

- для Укрзалізниці тема: "Аналіз обґрунтованості сучасних математичних методів оптимального керування складними системами на основі багатокритеріальних алгоритмів оптимізації щодо проблем найкращого вибору стратегії інвестування проектів ресурсозберігаючих залізничних технологій".

На кафедрі комп’ютерного еколого-економічного моніторингу Відкритого міжнародного університету розвитку людини “Україна” в курсах лекцій “Компютерний моніторинг та захист довкілля”, “Природні катастрофи та захист навколишнього середовища”, “Випадкові процеси в екологічних системах” використано методологію віртуального проектування інформаційно-аналітичної системи підтримки інтелектуалізованих роботів для забезпечення розвідки та нейтралізації небезпечних екологічних подій.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є теоретична розробка, дослідження і практична реалізація методів і засобів, що складають інформаційну технологію (ІТ) дослідницького проектування (включаючи інформаційне, математичне, алгоритмічне, програмне, технічне, організаційне забезпечення) інтелектуалізованих роботів, призначених для розвідки і нейтралізації небезпечних екологічних подій.

Для досягнення названої мети необхідно вирішити такі задачі:

1) провести огляд існуючої літератури з метою виявлення робіт за принципами структурування проблеми створення системи УПРАВЛІННЯ_ЕП у цілому, включаючи створення всієї системи ІАС_tir та ТІР, а також реалізацію концепції і безпосередньо ТІР для конкретних предметних галузей;

2) розробити компоненти ІТ для цілей створення технопарку ТІР, включаючи роз-

робку універсальних принципів структурування як класів ЕП/НС, так і оптимального синтезу типів ІРР як по середовищах функціонування, так і за рівнем штучного інтелекту;

3) розробити засоби і методи оптимального проектування компонентів ІАС_tіr з урахуванням темпорально-вартісного критерію;

4) сформувати компоненти нових інформаційних технологій, спрямованих на розширення функціональних можливостей наявних типів мобільних ІРР для включення їх у розроблювальний ТІР для задач дорозвідки і нейтралізації ЕП/НС;

5) спроектувати компоненти інформаційних технологій для імітаційного моделювання функціонування варіантів спроектованих ІРР;

6) виконати апробацію розроблених принципів віртуального проектування ІРР для задач обстеження об'єктів техносфери в позаштатних ситуаціях, ускладнених нестаціонарністю зовнішнього середовища.

Об'єкт дослідження інформаційні технології віртуального проектування інтелектуалізованих роботів, орієнтованих на розвідку і нейтралізацію ЕП/НС основних типів, а також інформаційні технології імітаційного моделювання функціонування створюваного типу ІРР у його специфічному зовнішньому екстремальному середовищі.

Предмет дослідження окремі базові компоненти інформаційних технологій віртуального проектування інтелектуалізованих роботів, орієнтованих на дорозвідку і нейтралізацію ЕП/ЧС, включаючи формування баз знань і баз даних, розробка математичних моделей, алгоритмів і методів багатосценарного аналізу, розпізнавання образів у нечітких середовищах, створення компонентів людино-машинного інтерфейсу для цілей формування керуючих команд роботів на природніх мовах обраної предметної області.

Методи досліджень: системний аналіз складних природно-технічних комплексів, об’єктно-орієнтоване програмування, технології data mіnіng і статистична обробка великих вихідних масивів із забезпеченням формування нових фактографічних даних більш високих ієрархічних рівнів при створенні і використанні оновлюваних інформаційних сховищ, БД і БЗ, математичне моделювання детермінованих та стохастичних складних систем з подальшим використанням результатів моделювання для проведення імітаційного моделювання, алгоритмічне програмування дій ІРР в режимі адаптації до мінливих умов середовища, програмно-алгоритмічні засоби побудови БД і БЗ як компонентів інформаційно-аналітичної системи підтримки управлінських рішень.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1) на підставі проведеного огляду існуючої літератури виявлена висока актуальність проблеми створення системи УПРАВЛІННЯ_ЕП у цілому, включаючи створення концепції всієї системи ІАС_tir та ТІР, генерацію принципів стуктурування ЕП/НС з позиції формування технопарку ІРР, прив’язаних до структури усієї множини ЕП /НС;

2) на основі принципів структурування класів ЕП/НС розроблено елементи теорії формування базових компонентів ІТ для цілей оптимального синтезу типів ІРР, що входять в ТІР, як по середовищам функціонування, так і за рівнем штучного інтелекту;

3) вперше розроблено засоби і методи оптимального проектування компонент ІАС_tіr на основі темпорально-вартісного критерію при проектуванні ІРР, що дозво-

ляє знизити економічно-темпоральні витрати на дорозвідку і нейтралізацію ЕП/НС;

4) сформовано покращені базові компоненти нових інформаційних технологій на основі алгоритмів, що підвищують рівень ШІ, для розширення функціональних можливостей існуючих типів мобільних ІРР, які входять до розроблюваного ТІР для задач дорозвідки і нейтралізації ЕП/НС;

5) розроблено компоненти ІТ для імітаційного моделювання функціонування варіантів спроектованих ІРР, включаючи математичну модель, алгоритмічне і програмне забезпечення, що відрізняються можливістю оптимально сформувати комплект компонентів ІРР;

6) розроблені принципи віртуального проектування ІРР для задач обстеження екстремальних об'єктів техносфери в позаштатних ситуаціях апробовано на ряді задач функціонування ІРР у нестаціонарних зовнішніх середовищах, включаючи обстеження радіаційного приміщення, затонулого об'єкта, предкритичного снігозапасу в горах, що демонструє доцільність використання розроблюваної ІТ для скорочення життевого циклу ЕП/НС та відповідно зменьшення збитків.

Практичне значення отриманих результатів. Запропоновані в дисертації технології віртуального проектування дозволяють знизити економічні збитки для народного господарства, зберегти здоров'я і життя людей за рахунок реалізації інформаційної технології скорочення життєвого циклу ЕП/НС при використанні інтелектуалізованих мобільних роботів як технічних засобів оперативної дорозвідки і нейтралізації ЕП/НС, що розвивається. Особливо важливим для практики є те, що запропоновані ІТ можна застосовувати не тільки для скорочення життєвого циклу ЕП/НС відомих типів, але також для тих типів ЕП/НС, що не зустрічалися.

Розроблені в дисертації загальні принципи створення ІТ як елементів ІАС підтримки прийняття рішень у складній природно-технічній системі одержали практичну апробацію у ряді задач адаптивного керування виробничими процесами господарств Укрзалізниці, на підприємствах металургійного комплексу і гірничодобувної промисловості, розв’язаних за замовленнями державних підприємств.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримано автором самостійно на базі конкретизації і поглиблення розроблених в Інституті кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України базових принципів формування сучасних інтелектуалізованих комплексних технологій керування складними природо-технічними комплексами в екстремальних і передаварійних станах.

У роботах, написаних у співавторстві, автору належать такі результати: розроблено і протестовано на прикладах програмний модуль геоінформаційної системи (ГІС) з елементами системи керування базами данних (алгоритми та програми розрахунку процесу танення снігозапасу, формування паводку повені з урахуванням змінних метеоданих) [1, 3, 4]; розроблено алгоритми для оптимального вибору проекту ресурсозберігаючих технологій для інвестування в "Укрзалізниці" з використанням створених родових баз даних (БД) і інформаційного сховища (ІС); вибір оптимальних об'єктів з БД та ІС здійснюється за ранжованими критеріями і цільовими функціями, що задаються користувачем [2, 5, 6, 7, 12]; на базі інформаційних моделей реалізовано алгоритм руху інтелектуального роботу в агресивному середовищі, пошуку і транспортування заданих предметів з урахуванням показань сенсорів, алгоритм протестовано у віртуальному просторі [9, 11, 14]; реалізовано ідеологію родових баз даних і інформаційних сховищ для створення робототехнічних засобів, що відповідають БД за предметними областями (на основі багатоспектральних сенсорів, носіїв сенсорної апаратури, двигунів, джерел енергії) і ідеологію фільтрації БД для вибору кращих прототипів з метою подальшого створення інтелектуалізованих робототехнічних засобів за модульним принципом для цілей дорозвідки і ліквідації екстремальних ситуацій об'єктів техносфери [11, 13, 14]; реалізовано алгоритми імітаційного моделювання адаптивного керування і самоорганізації робота в умовах функціонування в агресивних середовищах, створення вторинних баз даних за оптимальними режимами адаптивного керування [8, 10, 11, 13 16].

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень доповідалися й обговорювалися на:

Міжнародній науковій конференції студентів і молодих вчених "Політ 2003" в Київському національному авіаційному університеті, 2003 р.; ІІ-му конкурсі науково-технічних проектів молодих учених під девізом "Інтелектуальний потенціал молодих учених місту Києву", за результатами якого (грудень 2003 р.) робота "Комплексні інформаційні технології обстеження й експертизи передаварійного стану складних технічних систем міського господарства, включаючи діагностику міських підземних комунікацій і водозаборів, опор мостів" одержала призове місце за розділом "Нові комп'ютерні засоби та технології інформатизації суспільства"; Міжнародній конференції "Інтелектуальні і багатопроцесорні технології 2003", Геленджик (Росія); І-ій Міжнародній науковій конференції "СВЧ і оптичні інформаційні технології 2004", (Київ, 26-27 квітня 2004 р.); Міжнародній науково-технічній конференції "Керування у великих системах", присвяченій 90-річчю видатного вченого в області механіки і технічної кібернетики академіка НАН України О.І. Кухтенка, (25-27 жовтня 2004 р., Київ); Міжнародній конференції "Штучний інтелект 2004", (с. Кацивелі, Україна); Міжнародній конференції "Інтелектуальні і багатопроцесорні технології 2005", (Геленджик, Росія); Міжнародній конференції "УЗ - 2005" (Київ); Міжнародній конференції "Штучний інтелект 2006", (с. Кацивелі, Україна);

Публікації. Основні результати роботи опубліковано в 16 працях, дев’ять з них у фахових виданнях ВАК України [3, 7, 9, 10, 12 16], п’ять тези та доклади на науково-технічних конференціях [1, 2, 7, 8, 11], одна монографія в співавторстві [4], два відомчі видання [5, 6], шість статей у співавторстві [3, 9, 10, 13, 14, 16], дві cтатті без співавторів [12, 15].

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації становить 165 сторінок, в тому числі 15 таблиць, 26 рисунків. Список використаних джерел складається з 140 найменувань.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі до роботи обґрунтовано актуальність теми дисертації, зазначено зв'язок з науковими програмами, сформульовано мету досліджень. Також охарактеризовано наукову новизну та практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі проведено огляд літератури з питань віртуального проектування інтелектуалізованих роботів для дорозвідки і нейтралізації небезпечних екологічних подій.

За результатами огляду не вдалося знайти робіт, що на системному рівні формулюють задачу створення спеціалізованих ІРР, прив'язаних до визначеного класу ЕП/НС. Є окремі розрізнені фрагменти подібного структурування пар: "конкретний клас ЕП/НС" - "конкретний тип ІРР". У цілому задача проектування компонент інформаційних технологій для віртуального моделювання функціонування ІРР із використанням методів ШІ представляється далекою від вирішення. Можна зазначити лише роботи, що торкаються окремих фрагментів як сформульованої структури в цілому, так і окремих компонентів інформаційних технологій для віртуального (імітаційного) моделювання функціонування ІРР із використанням методів ШІ.

У зв'язку з актуальністю розробки такої системи особлива увага в дисертації приділялася створенню наукових основ необхідних інформаційних технологій усієї проблеми, включаючи:

· структурування ЕП/НС з точки зору створення відповідних інтелектуалізованих роботів-розвідників (ІРР);

· розробку необхідної ІТ для створення ТІР та ситуаційного центру (СЦ) регіону;

· розробку засобів і методів оптимального проектування компонент ІАС підтримки технопарку інтелектуалізованих роботів (ІАС_tіr), як складової ІАС_top, з урахуванням темпорально-вартісного критерію;

· методи і засоби оптимального синтезу ІРР з метою формування ТІР як компоненти актуальної проблеми створення системи УПРАВЛІННЯ_ЕП;

· розвиток існуючих і розробка нових методів розширення функціональних можливостей мобільних роботів для цілей включення в розроблюваний ТІР (для дорозвідки і нейтралізації ЕП/НС);

· розробку необхідних компонентів ІТ таких як: БД, БЗ, інформаційні сховища (ІС), ІАС_tіr як складової ІАС_top, інтелектуальний людино-машинний нтерфес (ІЛМІ), математичне, алгоритмічне і програмне забезпечення для імітаційного моделювання ЕП/НС, організаційне забезпечення, розробка програмного забезпечення для підтримки прийняття рішень за обраними критеріями оптимізації (функцій вибору), інформаційні компоненти технічного завдання на системно-логічну частину основної технології УПРАВЛІННЯ_ЕП для віртуального (імітаційного) моделювання функціонування створюваного конкретного типу ІРР.

В другому розділі розроблені елементи теорії базових компонентів інформаційної технології дослідницького проектування інтелектуалізованих роботів для дорозвідки і керування ЕП/НС.

На основі проведеного аналізу була сформульована задача створення інформаційних компонентів ТЗ на систему підтримки прийняття управлінських рішень по ідентифікації і нейтралізації ЕП/НС (система УПРАВЛІННЯ_ЕП). При цьому були сформульовані задача комплексної розробки методів і засобів інформаційних технологій для дослідницького проектування інтелектуальних робототехнічних засобів, призначених для дорозвідки та нейтралізації ЕП/НС. У зв'язку з цим дисертація містить технології проектування інформаційної підтримки таких взаємопов’язаних стадій:

1) максимально оперативна ідентифікація раптово виниклого ЕП/НС з використанням наявних первинних даних (як правило, недостатніх, нерідко суперечливих);

2) оцінка існуючих ризиків (матеріальних збитків господарської діяльності, здоров'ю людей і навколишньому природному середовищу) з урахуванням найбільш ймовірних сценаріїв подальшого розвитку ЕП/НС, що спостерігається;

3) ухвалення рішення про ступінь небезпеки очікуваних наслідків, у залежності від чого спланувати й оперативно реалізувати квартет мір: "дорозвідка" - "уточнення ризиків" - "вибір оптимальних мір нейтралізації ЕП/НС, що розвивається " - "реалізація оптимальних мір нейтралізації ЕП/НС, що розвивається ";

4) прийняття рішень про дорозвідку, нейтралізацію ЕП/НС і завершення всіх заходів.

Зазначені пункти 1, 2 і 3 потребують наявності й оперативного використання спеціалізованої інформаційно-аналітичної системи (ІАС_top), призначеної для виконання задач розпізнавання нечітких образів (основних груп ЕП/НС, що трактуються як відповідні кластери в багатомірному просторі атрибутів, зв'язаних з безліччю відомих і/чи очікуваних ЕП/НС), оцінки сценаріїв їхнього подальшого розвитку (за допомогою імітаційного моделювання, з використанням сучасної інформаційно-обчислювальної техніки), і оцінки матеріальних збитків, що відповідає кожному сценарію розвитку.

У дисертації сформульовано задачі розробки наступних інформаційних компонентів ТЗ на систему УПРАВЛІННЯ_ЕП, що стосуються переліку чотирьох основних режимів її роботи (рис. 1), які подано детально в розділі 2:

Ч режим-1: Функціонування головного ситуаційного центру (ГСЦ);

Ч режим-2: Формування інформаційно-аналітичної системи верхнього рівня (ІАС_top);

Ч режим-3: Функціонування інформаційно-аналітичної системи верхнього рівня (ІАС_top, включаючи ІАС_tіr);

Ч режим-4: Функціонування технопарку інтелектуалізованих роботів (ТІР), призначених для дорозвідки ЕП/НС (під керуванням ГСЦ з використанням засобів ІАС_tіr).

ЕП/НС являє собою складну, природно-технічну систему, що еволюціонує в просторі і часі та складається з компонентів: "ЕП/НС" + "зовнішнє середовище" + "засоби розвідки"+ "інструмент прийняття рішень СЦ". Дані про еволюцію ЕП/НС можна охарактеризувати атрибутами деякого допоміжного 12-ти мірного простору G12. У дисертації цей допоміжний простір G12 визначається наступними дванадцятьма характеристичними осями (далі "осі") з використанням понять і атрибутів усієї предметної області: клас ЕП/НС; регіон; середовище; змінні гідрометеогеофізфактори; розташування коштовних ІС; сенсори; функції ІРР і бортова ІАС_tіr підтримки прийняття рішень; БД і БЗ, з якими працює ІРР, технології роботи з БД; технічні засоби: фізико-хімічні компоненти нейтралізації та ін.; сценарії нейтралізації ЕП/НС; технічні засоби: носії апаратури для реалізації нейтралізації; головний і регіональні СЦ.

Запропоновано наступні основні принципи та особливості віртуального проектування компонентів ІТ:

1) для структурування даного ЕП/НС потрібно використовувати характеристичний простір G12;

2) технічне завдання на клас ІРР, асоційований з відповідним типом ЕП/НС, слід формувати, виходячи з конкретної структури даного типу ЕП/НС;

3) предметну область ПОіjk, утворену даним типом ЕП/НС (індекс і), регіоном (індекс j), його очікуваним ступенем небезпеки (індекс k), треба розглядати як складну систему з точки зору системного аналізу з усіма властивими складній системі атрибутами, включаючи багатокомпонентний характер системи, її унікальність, різнорідність вхідних підсистем, випадковість і невизначеність ряду факторів, що діють у системі, велику розмірність системи;

4) необхідно удосконалити первісні БД та БЗ з урахуванням недостатньої структурованості й неповноти інформаційних моделей в області ПОіjk;

5) потрібно врахувати унікальність задачі реалізації у фізичному просторі ПОіjk автономного мобільного ІРР з елементами ШІ і сенсорним блоком, здатного функціонувати в даному агресивному середовищі і забезпечувати моніторинг ІС для даної ПОіjk; і як наслідок виділити нові технічні проблеми, які необхідно вирішувати для даного ПОіjk0;

6) слід проаналізувати основні ситуації, коли необхідно забезпечити on-lіne зв'язок з Базою для функціонування ІРР (під Базою розуміємо пункт розташування оператора, що коректує режим роботи ІРР за результатами обміну інформацією між ІРР і оператором) і для цього сформулювати ТЗ на розробку відповідного програмного забезпечення і технічних засобів зв'язку;

7) у зв'язку з чисельним моделюванням розміру і форми зони впливу ЕП/НС, що розвивається (саме усередині зони впливу вибирається просторово-часова область функціонування проектованого ІРР), слід користуватися ключовою лемою для прийняття обгрунтованих рішень щодо оптимальної стратегії дорозвідки, ідентифікації ЕП/НС та прийняття мінімально достатніх адекватних заходів нейтралізації ЕП/НС. Лема розглянута в диссертації. Для подальшого застосування базової леми необхідно оцінити мажоранти, що фігурують у лемі, для наступного обчислення оптимальних темпорально-вартісних границь, усередині яких доцільно завершити міри дорозвідки і нейтралізації ЕП/НС.

Розроблено математичне забезпечення підтримки віртуального проектування ІРР для дорозвідки та нейтралізації ЕП/НС.

РИС. 1. Структурно-функціональна граф-схема основних режимів функціонування інтелектуальної системи УПРАВЛІННЯ_ЕП підтримки прийняття управлінських рішень по ідентифікації і нейтралізації ЕП/НС. На рисунку прийняті такі позначення: ДР дорозвідка; УР уточнення ризиків; ВОМН вибір оптимальних мір нейтралізації; РОМН реалізація оптимальних мір нейтралізації

У зв'язку з чисельним моделюванням розміру і форми зони впливу техногенної катастрофи, що розвивається, наводиться авторська лема, у якій знайдені достатні умови існування при деякому t= t* мінімуму суми матеріального збитку Sу(t) від впливу ЕП/НС разом з витратами на нейтралізацію ЕП/НС та з витратами Sи(t) на дорозвідку ЕП. Ця лема може розглядатися в дисертації як ключова для прийняття обґрунтованих рішень щодо оптимальної стратегії дорозвідки, ідентифікації ЕП/НС і прийняття мінімально достатніх адекватних мір нейтралізації ЕП/НС.

Розглянуто принципи і результати розробки ІТ (інформаційне, математичне, алгоритмічне і програмне забезпечення) для задач імітаційного моделювання ІРР у зовнішньому середовищі.

Розглянуто клас V управляючих впливів, для якого існує рішення задачі (початкової або крайової або початково-крайової):

М: t, x Ф(t, x) Н, t, x є D (1)

рівняння еволюції вектора-функції Ф(t, x):

QU Ф(t, x) = W(t, x), (2)

де W(t, x)F, F – функціональний простір, якому належить математична модель W(t, x) постійно діючого джерела; оператор QU – нелінійний, залежний від часу t, необмежений і залежний від нестаціонарного керування U(t)V.

Для всіх U(t)V при t(0, Т) можна ставити задачу синтезу такого управління U*(t)V, для якого рішення рівняння:

QU * Ф(t, x) = W(t, x) (3)

задовольняє необхідному критерію керованості:

Ф1(t, x) < Ф(t, x) < Ф2(t, x), t (0,Т) (4)

з деякими заданими мажоруючими функціями Ф1 і Ф2 з простору V.

Критерій керованості (4) у різних розділах дисертації вибирається індивідуально.

Для ІРР затонулого підводного об'єкта двосторонні обмеження можливих траєкторій випливають з вимоги проїхати роботу поблизу необхідної ділянки поверхні обстежуваного об'єкта за умови мінімізації ризику бути захопленим потоком вихрових придонних течій за корпусом цього затонулого об'єкта. Для ІРР радіоактивного приміщення двосторонні обмеження випливають з вимоги знайти деяке число найбільш радіоактивних ділянок у сполученні з необхідністю виконати достатню кількість вимірів сенсором числа радіоактивних часток без утрати працездатності та точності вимірів через одержання заграничних доз радіації.

При проведенні з авіаносія стереозйомки засніженого рельєфу (для цілей обчислення снігозапасу) двосторонні обмеження випливають з необхідності одержати достатню кількість вимірів рельєфу з різних ракурсів за умови забезпечення максимальної точності отриманих вимірів у серії стереознимків місцевості.

Відповідно до названих обмежень, що узагальнюються в двосторонніх нерівностях (4), керуюча функція U закладається при роботі з конкретною предметною областю у початкові, крайові умови задачі (для рішення рівняння (2), обраного індивідуально для кожної предметної області, – розділи 3 – 5), а також (у разі потреби) в еволюційний оператор QU. При цьому постійно діюче джерело W(t, x) у правій частині рівняння (2) може мати вид джерела тепла і/чи джерела радіації (при розрахунку розподілу радіоактивних джерел у приміщенні ядерного циклу).

Окремі приклади вибору рівнянь еволюції вектор-функції Ф(t, x) типу ((2) в залежності від фізичної природи зовнішнього середовища конкретизуються в дисертації для певної предметної області. Так у розділі 3 рівняння (2) приймає вигляд рівнянь Навьє-Стокса і рівнянь неперервності:

-v/ t +(v/x) v = grad (p/) + v , (5)

/ t =-/x ( v), (6)

де – щільність середовища; v – швидкість; р – тиск.

Для опису гідродинамічних явищ в околиці робота-розвідника використовуються інтегродиференційні рівняння гідравліки (розділ 3). При описанні ядерно-фізичної взаємодії з речовиною корпускулярних потоків використовуються рівняння переносу і вирішується обернена задача теорії переносу проникаючої радіації, що зводиться до побудови рішень системи інтегральних рівнянь Фредгольма І-го роду (розділ 4). При рішенні роботом задач оптимальної навігації у стиснутому приміщенні використовуються методи розпізнавання образів, що зводяться до використання законів геометричної оптики (розділ 4). При моделюванні формування стереозображень 3D-сцени з засніженим рельєфом (розділ 5) також використовуються моделі геометричної оптики. При формулюванні імітаційної моделі руху поверхневих забруднень в акваторії океану як еволюційні рівняння (2) використовуються рівняння турбулентної дифузії в океані.

Виконання в СЦ імітаційного моделювання здійснюється за допомогою рішення системи рівнянь (1) – (4), конкретна математична форма яких обирається у залежності від предметної області.

Далі в розділі 2 наведено результати розробки компоненти ІТ – технічне забезпечення.

З урахуванням запропонованих у дисертації принципів проектування необхідно проаналізувати зустрічальність тих чи інших реалізацій кожної підсистеми проектування ІРР (сенсори, система життєзабезпечення, рушії, навігаційна система і пристрої, рівень ШІ, типові ситуації, де буде необхідно для ІРР вийти на зв'язок з Базою для консультації; зустрічальність відповідних систем зв'язку з Базою).

ТІР рекомендується, з огляду на досвід минулого, заздалегідь дати замовлення на заповнення всіх "полиць" сховища модулів роботів. Для цього необхідно правильно структурувати свої вимоги з урахуванням вартісно-ваго-габаритних якостей, сенсорів, систем керування і контролю, складу бортових БД і БЗ, набору інтелектуальних

функцій робота, включаючи функції розпізнавання образів за умов невизначеності, зв'язаних з поточною діагностикою бортових систем і діагностикою зовнішнього середовища. У термінах 12-мірного характеристичного простору G12 до заповнення сховища відносяться вісь № 6 (Сенсори), вісь № 7 (Функції ШІ роботів і бортова ІАС підтримки прийняття рішень), вісь № 8 (БД і БЗ, з якими працює ШІ робот, технології роботи з БД) та вісь № 9 (Технічні засоби, фізико-хімічні компоненти нейтралізації та ін.).

У роботі за даними досвіду минулого на основі аналізу складу бортової апаратури створених раніше підводних апаратів (було розглянуто 32 представника ПА), що застосовувалися для рішення різних задач розвідки і нейтралізації ЕП/НС з’ясовано зустрічальність 28 видів апаратури (назви апаратів приведено в розділі 2 дисертації) на 32 підвідних апаратах. З цього випливає, що тієї бортової апаратури, яка зустрічається найчастіше (номери 1, 3, 4, 6, 11) у цеху збірки ІРР цих елементів, повинно бути більше ніж елементів 2 та 12 – 25.

СЦ різних регіонів повинні наповняти свої сховища під такі ЕП/НС, що характерні саме для цього регіону, і з урахуванням їх сезонності, повинні провести аналіз зустрічальності різних сенсорів, засобів навігації, систем життєзабезпечення близьких прототипів.

Далі в розділі 2 наведено розробки в області оптимального інтелектуального людино-машинного інтерфейсу.

У зв'язку з необхідністю при виконанні дій, регламентованих лемою, кількаразових переходів між природною мовою для даної предметної області й мовами, адаптованими для забезпечення інтелектуалізованого людино-машинного інтерфейсу (ІЛМІ) задіяні наступні принципи використання фреймообразних знань (ФЗ). ІЛМІ необхідний при переході від природної мови до задачно-орієнтованих інструкцій (ЗОІ) і далі до типових сценаріїв (ТС) виконання дій робота і потім до єдиної послідовності команд управління роботом (ЄПКУ).

Виходячи з огляду елементів ІЛМІ, які є у літературі, в тому числі елементи ФЗ, пропонується для рішення її основних задач керуватися наступними принципами (як модифікація деяких існуючих у літературі інструментальних засобів, адаптованих для задач дисертації):

Ч при використанні ФЗ ЄПКУ роботом-розвідником при обстеженні ЕП/НС виникає як заключна ланка ієрархічного ланцюжка дій, що починається з ЗОІ за схемою:

ЗОІТССТОПiЄПКУ, (7)

де СТОПi – i-ий сценарій технологічних операцій з ТС;

Ч в загальному випадку імена слотів, що входять до складу фрейма, можуть відповідати множині таких понять, як діячі й учасники сценарія, цілі і мотиви їхніх дій, час, місце і засоби реалізації сценарія, причини і виникаючі наслідки, побічні дії і т.д.;

Ч для ІРР, що виконують обстеження затонулого об'єкта за умов придонних течій або здійснюють пошук високорадіоактивних ділянок у забрудненому радіоактивними речовинами приміщенні варто зкористатися ФЗ для представлення знань про події, дії і процедури, ФЗ слугують зручним засобом опису сценаріїв, що оперують з ім'ям фрейму, його типом і атрибутами окремого фрейму, які називають слотами.

У дисертації наведені принципи використання онтологій для формування фреймообразних знань (ФЗ) для розв’язання поставлених у роботі задач. Зокрема, використовувані в даній дисертації БЗ передбачають активне використання ІЛМІ (і як наслідок, використовують ФЗ), то для наших задач доцільно використовувати техніку онтологій як ефективну сучасну технологію адаптації у ФЗ, сформульованих здавна на природних мовах предметної області. При цьому маємо на увазі відносно універсальну застосовність ФЗ як для користувача, що працює з природними мовами, так і для формування всіх чотирьох елементів ланцюжка (7).

Таким чином у другому розділі:

· розроблено компоненти ІТ для цілей створення ТІР, включаючи розробку універсальних принципів структурування як класів ЕП/НС, так і оптимального синтезу типів ІРР як по середовищах функціонування, так і за рівнем штучного інтелекту;

· створено елементи теорії засобів та методів оптимального проектування компонент ІАС_tіr з урахуванням темпорально-вартісного критерію;

· сформовано компоненти ІТ, спрямованої на розширення функціональних можливостей наявних типів мобільних ІРР з метою включення їх у розроблюваний ТІР для задач дорозвідки і нейтралізації ЕП/НС;

· розроблено компоненти ІТ для імітаційного моделювання функціонування варіантів спроектованих ІРР.

У третьому розділі розглядається задача віртуального проектування інтелектуалізованого підводного робота-розвідника (ІРР) для обстеження затонулого судна або іншого техногенного об'єкта в аварійному стані на морському дні. У термінах 12-вимірного простору G12, згаданого в другому розділі, це означає, що робиться вибір для 1-ої координати (вісь "Клас ЕП/НС") значення "Аварія і затоплення судна", а для 3-ої координати (вісь " Середовище") її значення "Гідросфера".

Отримано алгоритм і базову конструкцію підводного ІРР, що дозволяють направляти ІРР на центр вихру, який формується за підводним об'єктом обстеження за рахунок впливу придонної течії. Ця проблема вирішується в дисертації за допомогою інтелектуалізованої обробки синхронних вимірів швидкостей середовища в чотирьох крапках в околиці ІРР, що рухається, за допомогою спеціальних сенсорів швидкості (анемометрів) відносно миттєвого центру мас ІРР. Ці синхронні виміри в чотирьох точках з заданим часовим кроком виконуються чотирма сенсорами-анемометрами, закріпленими на кінцях висувних з корпуса ІРР допоміжних штанг.

Описується інформаційна модель та інтелектуалізоване алгоритмічне забезпечення формування оптимальної траєкторії підводного ІРР при обстеженні затонулого об'єкта в режимі адаптивного управління. Ця задача зв'язана з задачею обстеження (ЗОkl), що відповідає екстремальному стану інженерного спорудження ІСk = "затонуле судно" і поставленій задачі на обстеження Зl = "обстеження для встановлення причин аварії".

Для інтелектуалізованого робота-розвідника затонулого підводного об'єкта двосторонні обмеження можливих траєкторій випливають з вимоги проїхати роботу поблизу необхідної ділянки поверхні обстежуваного об'єкта за умови мінімізації ризику бути захопленим потоком вихрових придонних плинів (відривні плини циліндричного вихру за уступом) за корпусом цього затонулого об'єкта.

Відповідна блок-схема прийняття рішень ІРР при виконанні обстеження затонулого судна в режимі адаптивного керування в багатосценарній ситуації вихрових плинів поблизу судна показана на рис. 2.

Відзначені деякі специфічні інструментальні інформаційні засоби, що стосуються окремих стадій проектування БД. Зокрема, відзначається, що на початковій стадії проектування БД дані по предметній області, як правило, виявляються представленими в неструктурованому, розрізненому виді і, поки ще не є БД, з якою може працювати СКБД. Необхідно забезпечити їхню однаковість, інтегрованість, взаємозв'язок, привести до вигляду таблиць відносин з атрибутами для незалежності працюючих з цими даними програм від вигляду їхнього представлення.

Дані про предметні області, що пройшли етап data clearnіng і структуризації, представляються у вигляді таблиць, рядки яких заповнені не по всіх атрибутах, через відому проблему індивідуальності, "неуніверсальності" форми доступних даних для БД. Часто з усієї таблиці спочатку отриманих даних можна знайти лише кілька записів, у яких будуть заповнені всі поля атрибутів.

Наведено приклади компоненти БД ІАС_tir по 3D-полю течій за підводною перешкодою та результати розрахунку вихру, який утворюється в околиці затонулого об’єкта та результати імітаційного моделювання розрахунку оптимальної траєкторії ІРР, що обслідує затонулий об’єкт.

При формуванні структурно-функціональних характеристик підводного робота-розвідника три зазначених у розділі 2 вимоги пропонується виконати з використанням технологій формування фреймообразних знань на ЗОІ.

Для даної ситуації три вищезазначених вимоги пропонується виконати шляхом завантаження в бортову ІАС декількох ТС поводження зовнішнього середовища й обстежуваного об'єкта в ньому (i-ий сценарій позначимо СЦi):

- СЦ1 – відсутність придонних течій у зоні об'єкта і стаціонарність самого об'єкта обстеження (трубопроводу або затонулого підводного човна);

- СЦ2 – наявність нестаціонарної придонної течії в зоні стаціонарного об'єкта обстеження;

- СЦ3 – урахування складної квазістаціонарної 3D-структури безпосередньої околиці затонулого об'єкта при стаціонарності придонної течії у далекій зоні і стаціонарності об'єкта;

- СЦ4 – виникнення ефекту відриву вихру як варіант нестаціонарності 3D-структури полю течій безпосередньої околиці затонулого об'єкта при стаціонарності самого об'єкта;

- СЦ5 – урахування складної квазістаціонарної 3D-структури безпосередньої околиці затонулого об'єкта в аварійному русі об'єкта обстеження.

Відповідно для кожного з названих п'яти сценаріїв у бортову ІАС задається єдина (для кожного заданого сценарію) послідовність команд керування доцільними діями робота.

Виконана апробація розроблених принципів віртуального проектування ІРР для задач обстеження затонулого об'єкта, ускладненого наявністю вихрової зони.

Використання модифікації ФЗ спрощує ІЛМІ і робить його більш універсальним на всіх стадіях ланцюжка: ЗОІТССТОПiЄПКУ. Крім того, зазначений ІЛМІ дуже корисний не тільки на стадії використання, але і формування ІАС_tir, що значно підвищує оперативність і адекватність реакції на швидку зміну зовнішнього середовища ШІ проектованого робота.

Таким чином, у третьому розділі:

· уперше поставлено та на рівні віртуального проектування (ВП-рівень) вирішено задачу обстеження затонулого судна з використанням мобільного інтелектуалізованого робота-розвідника, що реалізує інтелектуальні функції вибору квазіоптимальної траєкторії обстеження за умов нестаціонарності вихрових течій у зоні обстеження;

· на прикладі реалізації роботом інтелектуальних функцій вибору квазіоптимальної траєкторії уперше запропоновано і на ВП-рівні реалізовано принцип інтегрування (для людино-машинного інтерфейсу) багатосценарних інструкцій природною мовою предметної області та єдиної системи доцільних дій робота;

· уперше запропонований і реалізований на ВП-рівні принцип формування бортової бази знань з інтелектуальним інструментарієм вибору найкращих 3D-образів при заданій багатопараметричній функції вибору на основі результатів імітаційного моделювання рівнянь динаміки континуальних середовищ;

· для цілей формування структурованих у техніку data clearnіng БД і БЗ підтримки проектування й реалізації інтелектуальних функцій підводних ІРР з доступних вихідних реальних