CC BY
13
КОНЦЕПЦИЯ ГИБРИДНОЙ ТЕХНОЛОГИЯ БАЛЛИСТИКО-НАВИГАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАЗЕМНО-КОСМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ В ГАС РФ «ПРАВОСУДИЕ»
Бетанов В.В., Ларин В.К.*
Ключевые слова: право, робототехнический комплекс (РТК), искусственный интеллект, правоохранительные органы, задачи, требования, уровень интеллектуализации.
Аннотация.
Цель работы: обоснование необходимости создания правовой базы применения робототехническихкомплексов (РТК) в правоохранительных органах.
Метод: комплексный теоретико-прикладной анализ вариантов применения РТК в правоохранительных органах и разработка требований к средствам автономного или дистанционного управления РТК с элементами искусственного интеллекта.
Результаты: обоснована необходимость организационно-правового определения метрик и стандартов идентификации уровней интеллектуализации РТК и предложен возможный способ решения данной задачи; определены функциональные и нефункциональные требования к средствам автономного или дистанционного управления РТК с учетом специфики задач правоохранительных органов.
Сделан вывод о необходимости учитывать при создании и развитии законодательства о робототехнике регулирование в системе нескольких отраслей права и уровень интеллектуализации РТК.
001:10.21681/1994-1404-2018-2-39-46
Развитие подсистемы наземно-космической связи в Государственной автоматизированной системе Российской Федерации «Правосудие» связано с необходимостью решения разнообразных научно-технических проблем. Одним из принципов классификационного разделения проблем является возможность использования для их решения формальных или неформальных методов. В силу сложности рассматриваемой системы решение можно достичь путем различного сочетания формальных и эвристических методов т.е. на основе разработки методики системного анализа [3, 5], реализуемой в виде прикладной гибридной информационно-вычислительной технологии, специфической особенностью которых является сочетание формальных методов, моделей, алгоритмов (аналитических, теоретико-множественных, логических, лингвистических, семиотических, графических, статистических и др.) и качественных способов использования неформализованных знаний (эвристик, опыта и интуиции) экспертов, таких как способы экспертных оценок (экспертный опрос, взвешенное оценивание и выбор предпочтительного
варианта), «мозговой атаки» (одновременное коллективное обсуждение всех сформулированных идей), «Делфи» (многошаговая процедура «мозговой атаки», учитывающая результаты предшествующих шагов при оценке значимости экспертов), «дерева целей, задач и средств» (выявление и декомпозиция главной цели, построение «прогнозного графа»), морфологического анализа Ф. Цвикки (систематический поиск всех возможных вариантов решения проблемы путем комбинирования выделенных элементов или их признаков) и др. [5]. Широкое применение гибридные технологии получили в интеллектуальных системах. Гибридной интеллектуальной системой принято считать систему, в которой для решения задачи используется более одного метода имитации интеллектуальной деятельности человека. К ним относятся экспертные информационные системы, искусственные нейронные сети и др.
Использование гибридной технологии возможно и для решения слабоструктурированных задач космической баллистики, принципиально отличающихся от задач, решаемых с использованием интеллектуальных систем, необходимостью получения не качественного, а количественного решения.
* Бетанов Владимир Вадимович, доктор технических наук, профессор, член-корреспондент Российской академии ракетных и артиллерийских наук, начальник центра АО «Российские космические системы», Российская Федерация, г. Москва. E-mail: [email protected]
Ларин Владимир Константинович, кандидат технических наук, заместитель начальника отдела АО «Российские космические системы», Российская Федерация, г. Москва. E-mail: [email protected]
В космической баллистике существует класс задач, связанных с обработкой измерительной информации, формальные методы решения которых не всегда обеспечивают точный расчет требуемых параметров. Процесс решения может прерываться вследствие наличия в программно-математическом обеспечении слабоструктурированных или неструктурированных элементов. Исследования показали возможность преодоления таких ситуаций, используя гибридную технологию, в которой обязательным условием является оценка этапов решения по критерию перехода от одного метода (математического или эвристического) к другому.
В подсистеме наземно-космической связи в ГАС РФ «Правосудие» для решения слабоструктурированных функциональных (коммуникационных) формализованных задач [6, 7] используются сложно-структурированные информационно-вычислительные системы (ИВС), включающие блоки с различной степенью структурированности, что в процессе решения может приводить к сбоям, приводящим к его остановке. В связи с этим основной задачей гибридной технологии является обеспечение автоматического поиска и блокировки сбоев, после чего информационно-вычислительный процесс может развиваться в двух направлениях: продолжение формального решения или повторение решения с учетом устранения сбоя.
Уровни иерархии 1-й
2-й
3-й
Экспликация: ИО - информационное обеспечение; ПО - программное обеспечение; МО - математическое обеспечение; БД - база данных [5].
Рис. 1. Архитектура информационно-вычислительной системы НБО
Предварительным этапом исследования системы является построение иерархической структуры ИВС и анализ ее частей по определению степени их структурированности на каждом уровне иерархии [2].Основ-ным принципом, в данном случае, является достижение такого уровня, после которого дальнейшая детализация нецелесообразна, поскольку элементам (или блокам) текущего уровня иерархии присущи свойства как формального, так и неформального характера, что определяется путем сравнения с соответствующими критериями. В результате можно выделить в системе структурированные и не структурированные части.
В качестве примера рассмотрим ИВС баллистико-навигационного обеспечения управления спутника связи (рис. 1) с выделенными (подкрашиванием) блоками (на 3-м уровне и в настройках ПО), в которых возможны сбои по различным причинам (см. таблицу [1]). Можно допустить, что каждый блок 3-го уровня может
содержать структурированные и не структурированные части, что и приводит к сбоям процесса решения.
Результаты анализа «сбойных» блоков 3-го уровня можно представить в виде структурной схемы (рис. 2), в которой нумерация блоков соответствуют обозначениям в таблице. При сбое в работе соответствующего элемента ИВС устанавливается причина останова в соответствии с таблицей и степень структурированности.
Для решения функциональных проблем в рамках ИВС в большинстве случаев формальные методы применяются для решения структурированных задач, эвристические методы - для слабоструктурированных и неструктурированных задач. Из формальных методов в задачах БНО наиболее часто используются аналитические и статистические методы, из эвристических методов - метод экспертных оценок, включая экспертные системы, морфологический анализ и методы сценариев.
Таблица
Возможные причины «сбоев» в элементах 3-го уровня иерархии ИВС
Номера Причина «сбоя» Обозначения
Настройки ПО
1 Ошибки в отдельных настроечных параметрах в программе «Формирование рабочих настроек АКП» 1.1
База данных (БД)
1 Откат отдельных транзакций при обращении к БД 2.1
Исходные данные (ИД)
1 Ошибки ИД 3.1
2 Динамика ИД в процессе решения 3.2
3 Отсутствие или некорректность информации в БД 3.3
4 Отсутствие или некорректность информации в локальных источниках 3.4
5 Недостаточный объем измерений 3.5
6 Большое количество аномальных измерений 3.6
Алгоритмы задач
1 Отсутствие методов обработки новых типов измерений 4.1
2 Отсутствие новых видов фильтрации 4.2
3 Несоответствие используемого математического аппарата вычислительным ресурсам программного комплекса 4.3
Специальное ПО
1 Некорректность работы отдельных программных модулей из-за не выявленных ранее ошибок 5.1
2 Некорректность работы отдельных блоков из-за ошибок в других частях программы 5.2
Специфика задач БНО заключается в использовании в качестве исходных данных тракторные измерения, качество которых может на некотором этапе не удовлетворять условию получения точного решения. В этом случае процедура формального решения блокируется и продолжение осуществляется эвристическими методами для поиска сбоя. Переход от одного способа решения к другому происходит по критерию оценки решения [4].
Общая технология решения задач в рамках ИВС включает следующие логические этапы:
Шаг 1. Формулировка проблемы и определение соответствующей предметной области.
Например, проблема - сбой в решении задачи. Сбой может быть двух видов:
- останов в процессе решения задачи;
- получение решения задачи, не соответствующего по точности или физическому смыслу установленным нормам.
Шаг 2. Формулировка цели решения проблемы.
Цель решения проблемы в зависимости от степени структурированности может быть двоякой:
- получение количественного решения задачи с использованием гибридной технологии;
- обоснование останова количественного решения вследствие не структурированности задачи по признаку 3 - слабоструктурированной системы (см. таблицу).
Шаг 3. Структурный анализ ИВС с целью определения структурированных и не структурированных частей.
Схема обобщенного структурного анализа ИВС отражена на рис.1, 2.
Шаг 4. Формирование критериев степени структурированности частей ИВС.
Критерии степени структуризации (КСС) составных частей ИВС должны соответствовать уровням иерархической структуры. В частности, началом уточнения КСС
Блоки 3-го уровня иерархии
Не структурированные
да
Структурированные
нет
Рис. 2. Концептуальная структура «сбойных» блоков
можно считать 3-й уровень иерархии ИВС с определенными характеристиками слабоструктурированных проблем (см. рис. 2).
В качестве КСС можно принять предельные значения характеристик слабоструктурированной системы. Для уточнения значений КСС строится вертикальная (иерархическая) или горизонтальная развертка по структурным частям одного из слабоструктурированных блоков. Для каждой части определяется значение КСС с учетом обобщенной характеристики слабоструктурированной системы выбранного блока.
Шаг 5. Определение методов решения, используемых в ИВС.
Выбор методов решения задач в рамках ИВС зависит от учета следующих факторов: типа задачи, точности решения, вида и объема исходной информации, степени структурированности задачи, сложности задачи, вида полученного решения.
В контексте данной работы ИВС используется для решения задач двух типов:
1 - обработка измерительной информации;
2 - расчет параметров физического процесса.
В первом случае целесообразно использование статистических методов, во втором - математических методов типа численного решения дифференциальных уравнений, разложения в ряды, методы оптимизации и др.
От заданной точности решения зависит степень сложности алгоритма реализации математических методов. Особенно это относится к поиску решений, использующих методы последовательных приближений. От заданных пределов сходимости процесса сближений - аналога заданной точности, зависит вид используемых математических функций. В частности, статистические методы (метод наименьших квадратов,
фильтр Калмана [8 - 10]), методы численного интегрирования дифференциальных уравнений, ряды и др.
Вид и объем исходной информации накладывают требования, в основном, на задачи первого типа, и соответственно, на статистические методы. Кроме того, необходимость хранения информации и способы пакетной обработки определяют выбор соответствующей базы данных (БД) и СУБД. В зависимости от объема и вида информации используются различные методы предварительной фильтрации и преобразований к виду, удобному для дальнейшего решения задачи.
Сложность задачи определяется степенью соответствия существующих методов решения условиям задачи. Если для ее решения требуется разработка новых методов, и соответственно, новых методик и алгоритмов, то задача относится к типу сложных научно-теоретических задач.
Требования, предъявляемые к форме представления результатов решения (числовые значения, таблицы, графики, рисунки и др.), реализуются дополнительными программно-математическими процедурами, которые необходимо включать в алгоритмы решения задачи. Конкретные формы представления решения должны оговариваться в постановке задачи.
Шаг 6. Построение общего алгоритма решения проблемы.
Принципиальная модель решения задачи с использованием гибридной технологии приведена на рис. 3 [4]. Для использования гибридной технологии в решении функциональных задач в ИВС необходимо выполнение следующих условий:
ИВС предназначена для решения структурированных задач, относящихся к определенной предметной области.
В базе данных ИВС должен находиться соответствующий набор программ решения функциональных задач.
В постановке задачи должен быть приведен формализованный перечень исходных данных и сформулирована цель решения задачи.
Критерии степени структурированности должны представлять собой наборы информационных параметров по составным частям ИВС, на основании которых можно определять состояние решения задачи в текущий момент времени.
Структура составных частей ИВС, задействованных для решения определенной задачи, должны соответствовать условиям и исходным данным, указанным в ее постановке.
Программа решения задачи должна содержать диагностические метки [2] для определения адреса возможного сбоя решения.
Критерии оценки решения задачи должны представлять собой информационные параметры блоков ИО, ПО и МО, используемых в конкретной задаче.
Шаг 7. Оценка полученного решения проблемы.
Шаг 8. Формирование вида решения проблемы с учетом использования формальных и неформальных методов.
Экспликация. ИО - информационное обеспечение; ПО - программное обеспечение; МО - математическое обеспечение; Ф/метод - формальные методы решения; Э/метод -эвристические методы решения.
Рис. 3. Общая схема алгоритма решения задачи с использованием гибридной технологии
Рассмотрим более подробно последовательность решения задачи с учетом выше перечисленных условий и общей структуры алгоритма (см. рис. 3).
В соответствии с первым условием о структурированности задач, решаемых ИВС, для формулирования постановки задачи целесообразно использовать математический формат представления данных. А именно: исходные данные - полный набор параметров в формализованном виде, используемых в процессе решения, цель решения - в виде числовых значений искомых параметров или функций. Кроме того, необходимо привести основные математические методы, используемые в алгоритме решения и соответствующие программным модулям базы данных ИВС.
ИВС должна состоять из интерфейсной и функциональной частей [5].
В интерфейсной части должны быть предусмотрены следующие функции: ввод и отображение исходных данных и результатов решения, ручной выбор блоков для формирования программы решения задачи и ее запуск, отображение детализации составных частей ИВС (ИО, ПО, МО), визуальный контроль решения.
Функциональная часть должна содержать: программы и алгоритмы типовых решений функциональных задач, базу данных, СУБД, файловые архивы с характеристиками обслуживаемой КС, константами и текущей информацией.
Выбор задачи осуществляется путем сравнения формы и состава исходных данных, цели решения задачи, приведенных в постановке, с аналогичными данными какой-либо из задач архива ИВС.
Для реализации программы решения задачи в рамках ИВС необходимо использование трех обеспечивающих компонентов - информационного, программного и математического, каждый из которых поставляет в общую программу необходимые блоки. Указанные компоненты представляют собой сложные структуры, состоящие из структурированных и неструктурированных элементов. В зависимости от ситуаций, возникающих в процессе решения, может произойти сбой текущего решения вследствие ненормальной работы одного из таких элементов. В этом случае после установления адреса и причины сбоя с помощью критерия оценки формального решения и КСС происходит переход от использования формальных методов к эвристическим с целью устранения сбоя и возврата к формальному решению.
Блок «Решение» (см. рис. 3) представляет собой участок оперативной памяти ЭВМ, куда загружается программа в исполнительных кодах, исходные данные, необходимые характеристики спутника связи и другие полезные параметры. После этого автоматически начинается процесс решения задачи. В соответствии с шестым условием в интерфейсную часть поступают сведения о диагностических метках, на основании которых определяется адрес сбоя и изменения алгоритма решения.
В блок «Критерии оценки ф/решения» могут поступать данные двух видов:
конечные результаты решения;
результаты расчетов, предшествующие «сбою» программы.
Указанные данные сравниваются с ответствующими значениями критериев. При этом в случае совпадения вырабатывается сигнал «да» и действие переходит в блок «точное решение» и далее вывод результатов в интерфейсной части ИВС. В случае несовпадения вырабатывается сигнал «нет» и управление решения передается в блок КСС, где производится анализ «сбоя» с определением адреса и его причин, исходя из предварительных оценок структурированности элементов составных частей ИВС.
Продолжение решения по цепочке: «Э/методы» -«решение» - «критерии оценки Э/решения» (см. рис. 3) может иметь два результата:
устранение «сбоя», выработка сигнала «да», переход в блок «Ф/метод» и далее продолжение решения по формальному алгоритму;
невозможность устранения причин «сбоя», выработка сигнала «нет» и выход на конец решения.
Применение рассмотренной выше гибридной технологии в ИВС позволит избежать прерывания работы системы вследствие сбоев, обеспечивая, таким образом, непрерывность общего технологического процесса решения задач БНО.
Таким образом, на основании изложенного можно сделать следующие выводы:
1. Разработана концепция использования гибридной технологии для случаев сбоя при решении формализованных задач в рамках информационно-вычислительных систем, что значительно повышает эффективность работы по обеспечению управления полетом спутников связи в подсистеме наземно-кос-мической связи в ГАС РФ «Правосудие».
2. Разработана структурная схема ИВС с выделением уровней иерархии, содержащих элементы разной степени структурированности, позволяющая проектировать вычислительные комплексы с учетом блокировки сбоев работы программных модулей.
3. Дается описание общей технологии решения задач с использованием ИВС в виде последовательности этапов от формулирования проблемы до формирования вида результата решения, что является основой для разработки методик и алгоритмов решения специфических задач БНО.
4. Приводится принципиальный алгоритм решения слабоструктурированных задач с использованием гибридной технологии в рамках ИВС, представляющий собой основу для разработки специализированных ИВС.
5. Сформулированы условия использования специализированных ИВС для решения задач с учетом гибридной технологии и требования к содержательной части ее элементов, необходимые для разработки гибридных технологических моделей.
6. Приводится детальное описание последовательности решения задач с использованием гибридной технологии на программно-методической базе ИВС.
Рецензент: Цимбал Владимир Анатольевич, д.т.н., профессор, г. Серпухов
Литература
1. Бетанов В. В., Ларин В. К., Позяева З. А. К вопросу анализа причин возникновения сбоев в аппаратно-программном комплексе уточнения эфемеридно-временной информации ГНСС // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. - T. 1. - Вып. 1. - М.: Физматлит, 2014. - С. 55 - 60.
2. Бетанов В. В., Ларин В. К. Построение эффективной экспертной системы баллистико-навигационного обеспечения наземно-космической связи в ГАС РФ «Правосудие» // Правовая информатика. - 2017. - № 3. -С. 50 - 57.
3. Бетанов В. В., Ларин В. К. Использование системного подхода к решению проблемных вопросов функционирования автоматизированного комплекса программ баллистико-навигационного обеспечения полетов КА ГНСС // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. - T. 3. - Вып. 1. - М.: Физматлит, 2016. - С. 3 - 10.
4. Ларин В. К. Построение прототипа экспертно-диагностической системы анализа траекторной измерительной информации КА // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. - T. 4. - Вып. 1. - М.: Физматлит, 2017. - С. 53 - 60.
5. Ловцов Д. А. Информационная теория эргасистем: Тезаурус. - М.: Наука, 2005. - 248 с.
6. Ловцов Д. А., Ниесов В. А. Обеспечение единства судебной системы России в инфосфере: концептуальные аспекты // Российское правосудие. - 2006. - № 4. - С. 35 - 40.
7. Ловцов Д. А., Ниесов В. А. Формирование единого информационного пространства судебной системы России // Российское правосудие. - 2008. - № 11. - С. 78 - 88.
8. Лысенко Л. Н., Бетанов В. В., Звягин Ф. В. Теоретические основы баллистико-навигационного обеспечения космических полетов: Монография. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. - 518 с.
9. Тюлин А. Е., Бетанов В. В., Кобзарь А. А. Навигационно-баллистического обеспечения полета ракетно-космических средств. Кн. 1. Методы, модели и алгоритмы оценивания параметров движения: Монография. - М.: Радиотехника, 2018. - 479 с.
10. Тюлин А. Е., Бетанов В. В. Летные испытания космических объектов. Определение и анализ движения по экспериментальным данным. - М.: Радиотехника, 2016. - 332 с.
THE CONCEPT OF HYBRID TECHNOLOGY OF BALLISTIC-NAVIGATION SUPPORT OF SPACE-GROUND COMMUNICATIONS IN GUS OF THE RUSSIAN FEDERATION «JUSTICE»
Vladimir Betanov, Doctor of Sciences (in Tech.), Professor, member-correspondent of the Russian Academy of rocket and artillery Sciences, head of centre, JSC "Russian space systems", Russian Federation, Moscow, Russia. E-mail: [email protected]
Vladimir Larin, Ph.D (in Tech.), senior researcher, Deputy head of Department of JSC "Russian space systems", Russian Federation, Moscow, Russia. E-mail: [email protected]
Keywords: hybrid technology, subject area, semi-structured problems, heuristic methods, ballistic-navigation software, information-computing system, information support, mathematical software, software.
Abstract.
The purpose of the work: development of a hybrid technology for solving formal problems of ballistic navigation support (BNS) of space-ground communications in GUS of the Russian Federation "Justice" in the conditions of uncertainty of individual parts of information computing systems involved in the process of decision.
Methods: the methodic of system analysis as a sequence of steps to solve the problem using formal and heuristic methods as a computational base (for solving problems of BNS as formal methods used analytical, statistical, set-theoretic and graphical
methods, the methods of structuring, expert assessments, including expert diagnostic systems; scenarios, morphological analysis are used as heuristic methods) and structural analysis as a method is used at the initial design stage to determine the degree of structuring of the system elements at each level of the hierarchy.
Results: the concept of hybrid technology used to solve semi-structured problems in the framework of informationcomputing system (ICS). Hybrid technology is considered as a process of using a combination of mathematical and heuristic methods. The principal difference between the proposed hybrid technology and hybrid intelligent systems is the its use for solving formal problems, where heuristic methods are necessary to block the failures of the formal solution, due to poorly structured elements of the ICS involved in the solution.
The block diagram of the ICS with the allocation of hierarchy levels and analysis of the structuring of its parts using information parameters that represent the causes of failures depending on the providing parts of the ICS. The block diagram of definition of «bad» blocks at the selected level of hierarchy of the General structure of ICS is given. The basis is a table of failures in the solution due to possible causes of abnormal operation of the system.
The General technology of solving functional problems with the use of ICS in the form of a sequence of stages is determined, and also the schematic diagram of ICS taking into account the hybrid technology is given. Formulated in terms of solving problems with the use of hybrid technology.
References
1. Betanov V. V., Larin V. K., Poziaeva Z. A. K voprosu analiza prichin vozniknoveniia sboev v apparatno-programmnom komplekse utochneniia e'femeridno-vremennoi' informatcii GNSS // Raketno-kosmicheskoe priborostroenie i informatcionny'e sistemy\ - T. 1. - Vy'p. 1. - M.: Fizmatlit, 2014. - S. 55 - 60.
2. Betanov V. V., Larin V. K. Postroenie e'ffektivnoi' e'kspertnoi' sistemy' ballistiko-navigatcionnogo obespecheniia nazemno-kosmicheskoP sviazi v GAS RF «Pravosudie» // Pravovaia informatika. - 2017. - № 3. - S. 50 - 57.
3. Betanov V. V., Larin V. K. IspoPzovanie sistemnogo podhoda k reshe-niiu problemny'kh voprosov funktcionirovaniia avtomatizirovannogo kompleksa programm ballistiko-navigatcionnogo obespecheniia poletov KA GNSS // Raketno-kosmicheskoe priborostroenie i informatcionny'e sistemy'. - T. 3. - Vy'p. 1. - M.: Fizmatlit, 2016. - S. 3 - 10.
4. Larin V. K. Postroenie prototipa e'kspertno-diagnosticheskoi' sistemy' analiza traektornoi' izmeritel'noi' informatcii KA // Raketno-kosmicheskoe priborostroenie i informatcionny'e sistemy'. - T. 4. - Vy'p. 1. - M.: Fizmatlit, 2017. - S. 53 - 60.
5. Lovtcov D. A. Informatcionnaia teoriia e'rgasistem: Tezaurus. - M.: Nauka, 2005. - 248 c.
6. Lovtcov D. A., Niesov V. A. Obespechenie edinstva sudebnoi' sistemy' Rossii v infosfere: kontceptual'ny'e aspekty' // Rossii'skoe pravosudie. - 2006. - № 4. - S. 35 - 40.
7. Lovtcov D. A., Niesov V. A. Formirovanie edinogo informatcionnogo pro-stranstva sudebnoi' sistemy' Rossii // Rossii'skoe pravosudie. - 2008. - № 11. - S. 78 - 88.
8. Ly'senko L. N., Betanov V. V., Zviagin F. V. Teoreticheskie osnovy' balli-stiko-navigatcionnogo obespecheniia kosmicheskikh poletov: Monografiia. - M.: MGTU im. N.E'. Baumana, 2014. - 518 s.
9. Tiulin A. E., Betanov V. V., Kobzar' A. A. Navigatcionno-ballisticheskogo obespecheniia poleta raketno-kosmicheskikh sredstv. Kn. 1. Metody', modeli i algoritmy' ocenivaniia parametrov dvizheniia: Monografiia. - M.: Radiotekhnika, 2018. - 479 s.
10. Tiulin A. E., Betanov V. V. Letny'e ispy'taniia kosmicheskikh ob''ektov. Opredelenie i analiz dvizheniia po e'ksperimental'ny'm danny'm. - M.: Radiotekhnika, 2016. - 332 s.
