CC BY
203
Key words: wind tunnel, gas flow simulation, pre-chamber, diffuser, ejector, quasi-optimal control in terms of speed.
Morozova Elena Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Россия, Тула, Tula State University
УДК 004.896
КОНЦЕПЦИЯ РОЕВОЙ РОБОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
С.В. Ромадов
Рассмотрены основные особенности и достоинства концепции роя, преимущества и недостатки стратегий группового управления, проблемы и наиболее известные проекты реализации стайной тактики. Сделаны выводы о перспективности развития концепции роя в контексте систем вооружения и её влиянии на тактику боевых действий.
Ключевые слова: рой, роевая робототехника, стайная тактика, группа БЛА.
В настоящее время реализация концепции стаи, или роя, становится одним из наиболее перспективных направлений развития робототехники. Спектр областей применения таких систем широк, однако в настоящий момент наиболее актуальным является разговор о перспективе их применения в военной сфере: массовое распространение новой технологии неизбежно повлечёт за собой концептуальные изменения в тактике боевых действий.
Вдохновили исследователей на создание искусственного роевого интеллекта и роевых систем естественные рои - большие группы особей, локально взаимодействующих для выполнения общей задачи. Важно, что в таких группах отсутствуют лидеры, а отдельные особи, подчиняясь лишь примитивным правилам, способны организовывать сложное коллективное поведение. Речь идёт о децентрализованных самоорганизующихся системах, к которым относят, например, рои социальных насекомых, косяки рыб и стаи птиц.
В контексте робототехники термин «рой» впервые был употреблён Херардо Бени и Тосио Фукудой в 1988 году при описании клеточной робототехнической системы. Для описания поведения такой системы в 1989 году Херардо Бени и Цзин Вонг ввели понятие роевого интеллекта [1], подразумевающее способность системы демонстрировать коллективное поведение. Дальнейшие работы в данной области закрепили понятие роевой робототехники, направления науки, объектом изучения которого стали методы проектирования роевых робото-технических систем, вдохновлённых роевым поведением животных, но не ограниченных им. Тем не менее, единого определения роя так и не сложилось.
В рамках военного дела концепция роя (swarm), или стаи, была предложена в 2000 году сотрудниками RAND Джоном Аркиллой и Дэвидом Ронфельдтом, которые определили её как систематическую пульсацию силы и огневой мощи включённых в сеть подразделений, наносящих удары по противнику одновременно со всех направлений [2]. В настоящее время идея масштабного применения роевых систем в военных целях не только отвечает тенденциям роботизации и автономизации средств огня, но и видится вполне органичным решением в рамках концепции сетецентрической войны, реализация которой характерна для войн шестого поколения [3, 4].
Характеристики и следующие из них преимущества роя можно проследить в сравнении с единичным роботом. Среди них, помимо подразумеваемых возможностей упрощения конструкции, снижения стоимости и увеличения энергоэффективности единиц роя, обычно выделяют гибкость, масштабируемость, стабильность (живучесть), автономность, самоорганизацию, децентрализацию и параллелизм [1].
Под гибкостью понимается способность роя самостоятельно находить оптимальное решение разных задач без изменений программной и конструктивной частей. Масштабируемость означает, что рой сохраняет работоспособность и высокую производительность при любом числе входящих в него роботов и адаптируется к изменению их числа. Стабильность (живучесть) подразумевает, что рой продолжает выполнение задачи даже при выходе из строя одного или нескольких роботов. Автономность означает, что роботы в рое могут действовать,
принимать решения и реагировать на изменения среды самостоятельно. Самоорганизация подразумевает возможность роботов самостоятельно организовывать и координировать свои действия и распределять роли между собой. Децентрализация означает, что в рое роботов нет единственного лидера. Свойство параллелизма проявляется в одновременном выполнении единицами роя своих подзадач.
Характеристики реальной системы, далеко не всегда полностью соответствующие указанным выше, зависят в первую очередь от принятой к реализации стратегии управления. Среди таких стратегий выделяют централизованные (единоначальные и иерархические методы) и децентрализованные (методы стайного, коллективного и роевого управления) [5].
При единоначальном методе управления существует центральный пункт управления (ЦПУ), из которого оператор осуществляет постоянный обмен информацией с группой единиц, самостоятельно анализируя обстановку и принимая решения о действиях каждой единицы группы.
При иерархическом методе управления вся группа разбивается на подгруппы, каждая из которых имеет своих «лидеров». В каждой подгруппе может быть несколько более мелких подгрупп, управляемых своими лидерами, так что число лидеров в подгруппе равно числу таких более мелких подгрупп. Управление осуществляется ступенчато от оператора ЦПУ к ведущим единицам первой подгруппы, от них к ведущим единицам второй подгруппы и так далее, причём оператор ЦПУ управляет действиями только ведущих аппаратов основной подгруппы.
Описанные централизованные методы группового управления относительно просты в реализации, однако характеризуются высокой нагрузкой на канал связи с ЦПУ, а нарушение этой связи притом парализует всю коммуникационную сеть.
При коллективной стратегии управления каждая единица обменивается собранной информацией и сведениями о собственном состоянии со всеми остальными аппаратами (ячеистая архитектура). Такая система обладает практически всеми преимуществами роя, однако увеличение числа аппаратов в группе ведёт к повышению нагрузки на средства связи. Связь единиц также может осуществляться по замкнутому контуру через двунаправленное соединение (кольцевая архитектура) и через конкретную шлюзовую единицу (звёздчатая архитектура) [6].
При стайной стратегии управления связь между единицами отсутствует или сильно ограничена: они самостоятельно собирают информацию о среде и принимают решение о дальнейших действиях. Эффективна только в случае, когда задача предполагает деление на несвязанные подзадачи.
При роевой стратегии управления каждая единица обменивается собранной информацией и сведениями о своём состоянии только с ближайшими к ней аппаратами в пределах дальности действия бортовой аппаратуры. Вычисления, необходимые для принятия решения, распределены между бортовыми системами всех аппаратов роя.
Децентрализованные методы лишены уязвимости централизованных, позволяют упростить бортовые средства связи и, следовательно, снизить массу и стоимость одного аппарата. Однако они предполагают трудности с организацией информационных потоков внутри группы и с ЦПУ, наличием неполного объема данных о внешней среде и о других участниках группы, большим разнообразием векторов путей достижения цели, структур коллектива, вариантов распределения ролей [7].
Наибольший интерес в настоящее время вызывает тактика роя БЛА. Среди причин такого выбора можно назвать возможности переоборудования уже имеющихся многочисленных мини-БЛА; создания аппаратов, имеющих предельно простую конструкцию и низкую стоимость (микро-БЛА CICADA не имеет даже двигателя); освобождения от выполнения ряда задач дорогостоящих пилотируемых ЛА и снижения их уязвимости. Не менее важно, что уже имеется достаточно богатый опыт применения разведывательных и ударных БЛА группами.
Хорошим примером могут послужить сведения о групповом применении турецких БЛА в военных конфликтах в Сирии, Ливии и Нагорном Карабахе. В каждом из этих конфликтов группами применялись турецкие ударные БЛА Baykatar TB-2, вооружённые противотанковыми управляемыми ракетами UMTAS дальностью пуска 8 км. В Сирии их поддерживали более тяжёлые турецкие БЛА Anka, а в ходе конфликта в Нагорном Карабахе Азербайджан также применял израильские барражирующие боеприпасы Sky Striker, Harop и Orbiter. Приблизитель-
ные показатели среднего размена количества уничтоженных БЛА на количество уничтоженных ЗРК и ЗРПК системы ПВО в военном конфликте в Сирии 1 ЗРПК за 5 БЛА, в Ливии 1 ЗРПК за 2,8 БЛА, а в Нагорном Карабахе 2,25 ЗРПК за 1 БЛА [8]. Тенденция повышения эффективности применения групп БЛА для завоевания господства в воздухе налицо.
При этом применявшиеся в указанных конфликтах стратегии управления группами БЛА достаточно просты в сравнении с разрабатываемыми роевыми системами. США и Китай уже испытали рои БЛА в реальных полётах, отставание от них активно сокращают Турция, Израиль и Австралия [5]. Заявили о начале работ в этом направлении Россия, Франция и Польша [5, 9-12].
В США работы ведутся особенно широким фронтом. Предлагаются разные концепции применения роёв БЛА, которым соответствуют разные системы [5]. Микро-БЛА Perdix Масса-чусетского технологического института с цифровыми камерами и микро-БЛА планерного типа программы CICADA Лаборатории военно-морских исследований (NRL), оснащаемые микрофонами, сейсмическими и иными датчиками, должны выполнять разведывательные задачи. БЛА Altius-600 программы TOBS (Area-I, AFRL), X-61A программы Gremlins (Kratos, Dynetics), Sparrowhawk (GA-ASI) разрабатываются для выполнения более широкого круга задач, в том числе ударных. Разрабатываются недорогие БЛА, которые будут способны сопровождать тактические истребители-бомбардировщики, обеспечивать им прикрытие в воздухе и таким образом повышать их эффективность при выполнении боевых задач. Эти идеи легли в основу концепции Loyal wingman («Верный ведомый»), к проектам реализации которой относятся БЛА XQ-58A (AFRL) и UTAP-22 Mako (Kratos). Предлагается также объединение в рой барражирующих боеприпасов, способных самостоятельно искать цели, распределять их между собой и выбирать приоритетные. Концепции отвечают программы Golden Horde (AFRL) по применению «умных» бомб GBU-53/B Stormbraker (Raytheon) и LOCUST (NRL) по применению микро-БЛА Coyote для поражения БЛА противника.
Разработки Китая по технологическому уровню немногим уступают американским аналогам. Речь идёт о проекте Китайской академии электроники и информационных технологий (CAEIT) по групповому применению барражирующих снарядов CH-901, о БЛА вертолётного типа Blowfish A2 и A3 (Zhuhai Ziyan) и о разведывательно-ударных мультикоптерах MR40 и MR150 (Norinco). Рои последних в перспективе смогут взаимодействовать с группами малогабаритных необитаемых наземных аппаратов, причём опытный образец такого аппарата уже был представлен [5].
Австралийское подразделение Boeing активно работает над созданием БЛА Airpower Teaming System (ATS), реализующего концепцию Loyal wingman [9], турецкая компания STM -над новыми образцами ударных барражирующих БЛА самолётной схемы Alpagu Block II и вертолётной схемы Kargu II, польская компания WB Electronics - над разработкой системы группового управления барражирующими боеприпасами Warmate LM [5].
В России ведётся разработка нескольких проектов, подразумевающих групповое применение БЛА. На выставке «Интерполитех-2019» был представлен макет комплекса группового применения БЛА «Стая-93», разрабатываемого ВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина». Рой БЛА должен обеспечивать разведку и прорыв ПВО, поражение легкобронированной техники, артиллерии и живой силы противника. На форуме «Армия-2020» ГК «Кронштадт» представила макет скоростного ударного БЛА «Гром», который предполагается использовать в качестве ведомого аппарата в составе ударных авиационных групп, обеспечивающего выполнение разведки, вскрытие и поражение средств ПВО и иных целей [5]. Рассматривается также вариант совместного использования БЛА «Гром» и роя БЛА «Молния», также разрабатываемого ГК «Кронштадт» [10]. Опытные образцы всех этих систем представлены не были. Тем не менее, генеральный конструктор ГК «Кронштадт» Н.Н. Долженков в беседе с ТАСС отметил, что по общему уровню технологий перспективные российские разработки не уступают аналогичным турецким, китайским, израильским и американским аппаратам [11].
Отдельно отметим, что в СМИ появилась информация о применении Израилем роя небольших разведывательно-ударных БЛА, предположительно, обладавших элементами искусственного интеллекта, против боевиков «ХАМАС» во время боевых операций в Газе в мае 2021 года [12]. Возможно, это первый случай применения «интеллектуального» роя.
Важно, что в ближайшей перспективе ожидается не только применение роёв БЛА, но и создание ракетных роёв и роёв наземных, подводных и надводных робототехнических комплексов [5]. Уже наметившаяся перспектива интеграции таких систем даёт основание говорить
о создании технической базы для формирования армий по принципам сетецентрической войны. Многие черты этой концепции, такие как использование пространственно распределённой силы, эффективность военной структуры при автономных действиях и её способность к самоорганизации снизу, наличие эффективных коммуникаций между объектами, ускорение процессов принятия решений и увеличение темпа операций, уже подразумеваются тактикой роя. Идея органичности сочетания характеристик роевых систем и принципов сетецентрической войны в том числе была подробно разобрана бывшим военным заместителем министра обороны Норвегии Сверре Дизеном в докладе «Влияние современных технологий на военное дело» на конференции «Огарковские чтения» 31 октября 2020 года [4].
Таким образом, появление роевых робототехнических систем - революционное решение, подразумевающее концептуальные изменения в военном деле. Во-первых, оно открывает принципиально новый путь развития систем вооружений, основанного на массовом создании менее требовательных к инфраструктуре и существенно более дешёвых средств. Вероятно, принципы роевого управления определят черты нового поколения изделий своего класса. Во-вторых, угроза скорейшего применения новой технологии требует не только срочного поиска средств противодействия в виде разработки новых боевых средств, но и значительной корректировки тактики ведения боевых действий в целом. Развитие роевых систем становится катализатором реализации принципов сетецентрической войны: рой предлагает недостижимые ранее возможности в плане получения полной картины оперативной обстановки и асимметричного противодействия и максимально удовлетворяет необходимости иметь систему связи, объединяющую средства освещения обстановки, поражения и управления в единую информационную сеть.
Проблемы оформления понятийного аппарата нового направления и военно-экономической оценки целесообразности и эффективности использования сетевых архитектур различного типа всё ещё актуальны, однако факт признания перспективности разработки роевых систем очевиден уже сейчас. Главным доказательством тому является число проектов реализации принципов стайной тактики, из которых наиболее известные и близкие к готовности перечислены выше.
Список литературы
1. A.R. Cheraghi, Shahzad S., Graffi K. Past, Present, and Future of Swarm Robotics // Электронный архив научных статей ArXiv [Электронный ресурс]. URL: https://arxiv.org/pdf/2101.00671.pdf (дата обращения: 10.11.2021).
2. Чижевский Я.А. Реализация концепции сетецентрических боевых действий в вооруженных силах США // Военная мысль. 2019. №3. C. 116 - 137.
3. Леонов А.В., Пронин А.Ю. О роли и месте сетевых архитектур типа «рой» в концепциях современных войн и необходимости их военно-экономической оценки // Вооружение и экономика. 2017. №3 (40). С. 3 - 13.
4. Материалы ежегодной конференции «Огарковские чтения» // Центр анализа стратегий и технологий [Электронный ресурс] URL: http://cast.ru/projects/ogarkovskie-chteniya.html (дата обращения: 10.11.2021).
5. Бабаев А.В., Растренин Т.О. Беспилотные летательные аппараты. Групповая тактика // Техника и вооружение. 2021. №5. С. 2 - 12; №6. С. 22 - 28.
6. Довгаль В.А., Довгаль Д.В. Анализ систем коммуникационного взаимодействия дронов, выполняющих поисковую миссию в составе группы // Вестник Адыгейского государственного университета. 2020. №4 (271). С. 87 - 94.
7. Манцеров С.А., Ильичев К.В. Моделирование масштабируемой мобильной робото-технической системы коллективного взаимодействия для реализации задачи мониторинга внешней среды // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2017. №2 (117). С. 158 - 164.
8. Афонин И.Е., Макаренко С.И., Петров С.В., Привалов А.А. Анализ опыта боевого применения групп беспилотных летательных аппаратов для поражения зенитно-ракетных комплексов системы противовоздушной обороны в военных конфликтах в Сирии, в Ливии и в Нагорном Карабахе // Системы управления, связи и безопасности. 2020. №4. С. 163 - 191.
9. Boeing Airpower Teaming system // Сайт компании Boeing [Электронный ресурс]. URL: https://www.boeing.com/defense/airpower-teaming-system (дата обращения: 10.11.2021).
10. Тучков В. Американские «Куропатки» против русской «Молнии» // ВПК. 2021. №28. С. 9.
11. От беспилотников к цивилизации роботов. Генконструктор "Кронштадта" о будущем БЛА в России // Сайт информационного агентства ТАСС [Электронный ресурс]. URL: https://tass.ru/interviews/12167495 (дата обращения: 10.11.2021).
12. In apparent world first, IDF deployed drone swarms in Gaza fighting // Сетевой журнал The Times of Israel [Электронный ресурс]. URL: https://www.timesofisrael.com/in-apparent-world-first-idf-deployed-drone-swarms-in-gaza-fighting (дата обращения: 10.11.2021).
Ромадов Сергей Владимирович, студент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
ROBOT SWARM CONCEPT S.V. Romadov
The article considering basic features and advantages of the swarm concept, advantages and disadvantages of different group management strategies, problems and most well-known implementations of swarm tactics. Conclusions are drawn about the prospects for the development of the swarm concept in the context of weapons systems and its influence on the military tactics.
Key words: swarm, swarm robotics, swarm tactics, UAV group.
Romadov Sergey Vladimirovich, student, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
УДК 681.5.01
ОБЕСПЕЧЕНИЕ СТРУКТУРНОЙ НАДЕЖНОСТИ ИНТЕГРИРОВАННЫХ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ
Н. Д. Костяшин
Изучаются вопросы обеспечения структурной надежности интегрированных автоматизированных систем путем использования различных методов резервирования, а именно динамического и постоянного резервирования, а также рассматриваются подвиды этих методов. В ходе исследования выявлены достоинства и недостатки этих методов и сделаны выводы о целесообразности применения того или иного метода резервирования в различных типах систем.
Ключевые слова: интегрированные автоматизированные системы, структурная надежность, методы резервирования, постоянное резервирование, динамическое резервирование.
Для обеспечения структурной надежности интегрированных систем автоматизации используется резервирование, согласно ГОСТ 27.002-83 резервирование - это применение дополнительных средств и (или) возможностей с целью сохранения работоспособного состояния объекта при отказе одного или нескольких его элементов [1]. Можно выделить два основных метода - постоянное и динамическое.
Метод постоянного резервирования подразумевает резервирование без изменения структуры объекта, если происходит отказ одного или нескольких его элементов, которые при таком методе соединены постоянно и параллельно с основным источником. При этом методе вышедшие из строя элементы не отключаются, значит можно сделать вывод, что перестройки схемы не происходит Общая схема метода постоянного резервирования представлена на рис. 1.
367
