Групповое движение интеллектуальных летательных аппаратов в антaгонистической среде - Вячеслав Абросимов

Автор осознает, что реальное содержание книги может не до конца соответствовать его основному замыслу. Поэтому он был бы признателен потенциальным читателям за замеченные недостатки, недоработки и пожелания, высказанные в любой форме по электронному адресу [email protected]

Публикация монографии в своей основе поддержана грантом РФФИ № 13-08-00721. Но частично она осуществлена с использованием известной западной модели финансирования FFF (Friends, Family, Fools). В связи с этим автор благодарит своих друзей и отдельных энтузиастов, проявивших интерес к изданию.

Автор благодарен доктору физико-математических наук профессору С.В. Ульянову и доктору технических наук, доценту В.И. Гончаренко за проявленный интерес к теме монографии и активное обсуждение.

Автор благодарен также своей жене Марине, которая ненавязчиво, но уверенно подталкивала его к написанию этой книги, оказывая при этом значительную моральную помощь.

Итак, наша группировка начинает свой полет или, по меткому выражению первого космонавта Земли, «Поехали!».

Введение

Главное в этом мире не то, где мы стоим, а то, в каком направлении мы движемся.

Человечество давно осознало, что движение есть важнейшая, можно даже сказать универсальная функция. При этом процессы движения всегда связывались с некоторой целью. Известный в XVIII в. немецкий поэт и основоположник немецкой классической литературы Готхольд Эфраим Лессинг говорил: «…самый медлительный человек, если он только не теряет из виду цели, идет быстрее, чем тот, кто блуждает бесцельно».

Формы движения – исключительно разнообразны. Так, в человеческом организме могут проявляться такие формы, как механическое, химическое, энергоинформационное, ментальное (эмоции, мысли) движения. Эти формы движения обладают взаимовлиянием и взаимопереходом одного в другое. Известно также, что человек находится с окружающим пространством в состоянии постоянного обмена веществом, энергией и информацией. При этом мы часто наделяем неодушевленнные предметы в некоторой мере такими же свойствами, как и человека. И так же, как надо лечить не болезнь, а человека, целесообразно исследовать не последствия движения, а то, в интересах чего и зачем оно осуществляется.

Давно замечено и доказано экспериментально: в живой природе в конфликтных ситуациях «хищник – жертва» коллективное поведение (стратегии движения к ближайшему соседу, движения в ту же сторону, что и ближайший сосед, и др.) защищает от нападения. И что интересно: в группе, где выделяются элементы с так называемым асоциальным поведением (случайное, хаотическое), при движении эти элементы подвергаются большей вероятности гибели [1].

Динамика движения летательных аппаратов (ЛА), в отличие от движения в живой природе, более бедна обобщениями, но не менее интересна. Методология полета одиночных летательных аппаратов в целом уже детально разработана (см. достижения былых и последних лет, например [2–4]). Однако практика решения различных задач, в том числе и оборонного значения, требует изучения принципиально нового объекта управления – совокупности (группы, группировки) летательных аппаратов, осуществляющих совместное движение либо по сравнительно близким траекториям, либо образующих сложную пространственно-временную структуру взаимного положения объектов. В задачах наблюдения за такими объектами часто также приходится иметь дело с обстановкой (фоно-целевой, космической), состоящей не из одного, а из совокупности объектов сопровождения. Многие из объектов сопровождения могут в процессе своего движения разделяться, образуя так называемую «сложную цель». Актуальность осознания методов построения таких сложных целей и прогноза их движения в современных условиях не только остается, но даже возрастает.

Одним из важных факторов достижения успеха при ведении вооруженной борьбы в современных условиях является комплексное применение имеющихся боевых средств и возможностей. Это позволяет прийти к заключению, что основной современной формой использования боевого потенциала следует считать групповые действия. Исключительное значение групповых действий подтверждается также анализом тенденций развития авиационной техники и способов боевого применения. Действительно, практически все выполняемые в настоящее время и в перспективе действия истребительной авиации являются групповыми. Они, в частности, подразумевают совместный полет двух и более самолетов, направленный на достижение единой цели по общему плану. Опыт ведения боевых операций свидетельствует о том, что организованно действующие истребители и группы истребителей способны достичь превосходных качественных результатов и создать такую степень воздействия на противника, которую нельзя обеспечить разрозненными действиями даже при одинаковых условиях, количественном составе и вооружении.

Изучение движения группировки ЛА и требование слежения за ними, прогнозирование одновременного полета группы разнотипных ЛА заставляют разрабатывать новые алгоритмы и методы, как правило, аналитические, так как даже очень мощные вычислительные ресурсы оказываются неспособными обеспечить решение таких многомерных задач.

Обратим внимание на терминологические особенности. Когда мы говорим о групповом движении, нас не интересует движение каждого объекта из группы, а интересуют характеристики движения всей совокупности объектов, всей группы. Когда говорится о движении в группе (или в составе группы), то, напротив, представляет интерес движение отдельного объекта и его поведение относительно других объектов этой группы, возможно, сходных с исследуемым.

Анализ результатов современных исследований [5, 27, 42, 60 и др.] показывает, что в настоящее время нет какого-либо общего подхода к проблеме группового управления сложными техническими системами. Однако в рамках современной теории движения динамических систем уже неявно формируется новое научное направление, которое можно назвать как «теория группового полета летательных аппаратов», в которой исследуется движение как отдельного ЛА из группы, так и совокупности ЛА, выполняющих общие цели.

Основной проблемой в таких задачах является неопределенность. Запись дифференциальных уравнений движения для недоопределенных объектов или нахождение решений по движению групп при их значительных масштабах в аналитической постановке вряд ли возможна (к этому выводу независимо от автора приходят и другие исследователи, см., например, работу [6]). Методы теории вероятностей требуют законов распределения различных исходных данных по объектам, которые объективно часто невозможно получить в силу недоступности и неполноты информации. Теория нечетких множеств может привести к значительным ошибкам за счет своей субъективности. Отметим, что в последнее время среди разнообразных подходов к решению задач анализа движения в условиях неопределенности, различающихся используемым математическим аппаратом (описательные, оптимизационные и др.) выделяется класс имитационных моделей, а в данном классе – методы распределенного искусственного интеллекта (так называемые мультиагентные системы [40, 41, 43, 44] и др.).

Представляет интерес также движение в условиях агрессивной, противодействующей среды. Изучение движения в таких условиях всегда интересно в плане решения конфликтных задач [9]. В конфликте всегда как минимум есть две стороны с противоположными интересами. Действительно, наблюдение, например, за групповым полетом метеоритов (метеоритный «дождь») дает стороннему наблюдателю исключительно эмоции и ничего более. Но если такой «дождь» образован крупными метеоритами и прогнозируемая область их падения – атомная электростанция, то задача становится совершенно иной. Поэтому собственно групповое движение интересно, как правило, в контексте двух действующих сущностей – тех, кто организует и обеспечивает движение (активная роль), и, в противоположность этому, тех, кто наблюдает за ним с целью оценки движения и последующих действий в зависимости от поведения группы (сначала пассивная, далее также возможно, активная роль при необходимости противодействия). В процессе работы над настоящей монографией удалось осознать, что результаты исследований в области группового движения зачастую обладают свойством инверсионности, в смысле возможности их перестановки относительно сторон, действующих в конфликте. Поэтому для установления необходимых различий сторону потенциального конфликта, организующую групповое движение, будем называть «Противником», а другую сторону – «Защитником». Тогда группировка движущихся к некоторым целям (а бесцельного движения неодушевленных объектов на практике не бывает) летательных аппаратов будет называться группировкой ЛА Противника, а все обеспечивающие это движение организационные и технические системы – системами и средствами Противника. Системы же и средства наблюдения и противодействия такой группировке – средствами Защитника. На практике Противник и Защитник, в частности, при моделировании могут поменяться местами и тогда использование свойства инверсионности результатов может оказаться весьма полезным.