1 января, 2006

Время нового подхода

Агрегирование информации – эффективный способ борьбы с информационными перегрузками

Борьба в воздушно-космической сфере в современных условиях характеризуется увеличивающимся объемом информации о целях и снижением времени нахождения объектов в контуре управления. Достижение целей обороны при этом во многом определяется уровнем развития системы управления и степенью автоматизации решаемых задач органами управления войсками.

ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ТЕНДЕНЦИИ

Тенденции в развитии АСУ показывают, что одним из направлений совершенствования управления войсками является комплексная автоматизация задач управления. К ним относятся процессы сбора, обработки и выдачи информации о воздушной обстановке, а также управление оружием. Все эти процессы связаны с обработкой цифровой информации, которая содержат большие массивы данных.

Особенностью функционирования боевых информационных систем является воздействие ряда внешних и внутренних факторов.

К внешним факторам следует отнести воздействие противника. На современном этапе развития вооружения средства воздушного нападения (СВН) противника обладают высокими возможностями по маневру, массированию сил и средств, созданию решающего перевеса на главных направлениях и воздействию, в том числе информационному на АСУ.

Именно интенсивное комплексное информационное воздействие является наиболее характерной чертой современного вооруженного противоборства (например –массированное применение крылатых ракет, беспилотных летательных аппаратов). Это воздействие обеспечивается за счет увеличения количества воздушных объектов, плотности строев СВН и суммарного уровня активных помех, ложных целей и помех, имитирующих воздушные объекты.

К внутренним, факторам следует отнести факторы, связанные собственно с построением самих информационных систем управления и особенностями реализованных в них увеличивающегося перечня автоматических, автоматизированных и расчетных задач.

Для современных информационных систем, функционирующих в сфере воздушно-космической обороны характерен охват больших пространственных масштабов при одновременном решении множества различных автоматизированных задач и совмещении больших объемов разнородной информации (воздушной обстановки, оперативной, тактической) в реальном масштабе времени.

При этом увеличивается количество многофункциональных управляемых и взаимодействующих объектов различного назначения, что приводит к возникновению информационных перегрузок.

Все это требует использования сложной системы обработки информации по сотням воздушных объектов с минимальным временем задержки и скоростного процесса обмена с большим количеством источников и потребителей информации.

ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ ПЕРЕГРУЗОК

Недостатки в проектировании средств и систем автоматизации, сокращение финансирования новых разработок привели к тому, что в АСУ и КСА алгоритмы сбора, обработки и обмена данными о воздушной обстановке развиваются слабо, далеки от совершенства и явно отстали от требований времени.

За счет несовершенства существующих алгоритмов обработки и задержек информации о воздушно-космической обстановке в сложной иерархической АСУ снижается точность и достоверность информации, что приводит к увеличению количества ложных и дублирующих трасс воздушных объектов. В некоторых случаях задержки в цикле выдачи информации даже на 5-10 секунд не позволяют решить задачи борьбы с целями, летящими по баллистической траектории.

Опыт создания и эксплуатации АСУ показывает, что на каждом из пунктов обработки может происходить ухудшение качества (точности и достоверности) информации до 5-8%, а в целом в сложной иерархической АСУ оно может составить порядка 20-32%. Существующие методы обеспечивают отсев ложных и дублирующих траекторий только в течение 5-8 периодов обработки. По предварительным оценкам в условиях массированных ударов следует ожидать цепного характера возрастания ложных трасс, что может привести к перегрузке оперативной памяти ЭВМ.

В 1950-1960 гг. темп выдачи информации определялся уровнем подготовки оператора РЛС или планшетиста КП ПВО (хорошо подготовленный специалист мог выдавать информацию с темпом 7-8 сокращенных донесений о воздушной обстановке в минуту).

С созданием первых средств автоматизации процесса сбора и обработки информации объем выдаваемой информации составил 10 целей с темпом 10 секунд и ограничивался возможностями вычислительных средств. В дальнейшем с увеличением быстродействия и памяти ЭВМ в таких АСУ максимальное количество выдаваемых целей достигло 200, но цикл выдачи информации практически не изменился. Кроме этого для выдачи большого объема информации появились ограничения, связанные с качеством каналов связи.

В результате воздействия приведенных факторов в информационных системах создаются предпосылки для возникновения информационной перегрузки и потерь информации в ходе решения задач обмена и обработки данных.

Потеря части данных при информационных перегрузках происходят из-за ограниченных информационных возможностей системы сбора и обработки (по производительности, точности, разрешающей способности) и неопределенности, свойственной процессу отображения данных о воздушной обстановке, увеличивающейся в условиях массированных ударов, плотных боевых порядков и интенсивных информационных воздействий.

Кроме того, в условиях информационной перегрузки существенно сокращается время для принятия решений лицами боевого расчета на различных уровнях управления, что снижает качество выполнения боевой задачи.

Причина перегрузки –большое количество целей и своих самолетов в системе обработки информации и чтобы решить эту проблему надо производить группирование целей. Если отказаться от группирования, то это может привести к перенасыщению отображаемой обстановки на мониторе АРМ и человек-оператор по своим физическим возможностям не сможет справиться с ее оценкой. То есть чем больше целей, тем хуже качество решаемых задач. Чтобы уменьшить количество целей надо их группировать. Группирование –это необходимая мера, принимаемая для упрощения представления и оценки обстановки.

ПРОБЛЕМЫ

Первая проблема –алгоритмы обработки информации. Как правило, наибольший интерес при принятии решения на командных пунктах наряду со скоростными, маловысотными, маневрирующими целями представляют групповые цели, состоящие из нескольких однотипных объектов (одиночных целей) или подгрупп и их дальнейшие действия. Перемещения таких воздушных объектов в зоне ответственности характеризуются небольшой продолжительностью и высокой динамикой. При этом важно иметь информацию не только о координатах центра группы, но и ее точном составе, конфигурации и действии объектов внутри группы.

Вторая проблема –качество каналов связи. Количество выдаваемой информации стало превышать возможности каналов телекодовой связи. Например, АСУ обрабатывает 200 целей, а по имеющимся каналам телекодовой информации, которые обеспечивают скорость передачи 2,4 Кбит/с, можно передать с темпом 10 секунд без потерь только 20-30 целей. Для повышения количества передаваемой информации потребуются каналы связи со скоростью передачи информации до 4,8 Кбит/с и выше, что непременно повысит цену решения проблемы.

В настоящее время в условиях массированных ударов производится группированию целей. Но необходимо учитывать, что группирование искажает представление реальных боевых порядков и вносит ошибки в точность целеуказания.

В связи с этим возникает необходимость поиска новых путей решения возникших трудностей для более эффективной борьбы с информационными перегрузками.

Основным общим направлением, создающим условия для исключения возможности возникновения информационной перегрузки является сокращение объема информации при обработке и во время обмена информацией о воздушной обстановке. Такая проблема в настоящее время решается увеличением производительности вычислительных средств или сокращением количества информации и улучшением качества каналов связи.

Развитие информационных систем в направлении увеличения производительности ЭВМ и пропускной способности каналов передачи данных технически решаемо, но экономически затратно. При объединении целей в группы требования по производительности ЭВМ остаются высокими, но каких-то особенных условий не предъявляются. Нужно сказать, что увеличить производительность аппаратуры на современных ЭВМ дешевле, чем практически организовывать новые линии высокоскоростной связи.

С другой стороны, при опережающих темпах роста возможностей СВН противника по созданию условий информационной перегрузки перед темпом роста возможностей информационной системы, использование только этого направления не обеспечит своевременного решения проблемы.

Основной причиной этого являются объективно существующие, при любом уровне развития системы сбора и обработки, ограничения информационных возможностей ее элементов (в особенности звена "человек-оператор").

Наличие ограничений связано, в том числе и с тем, что внедрение в АСУ новшеств происходит поэлементно. Это приводит к несогласованности информационных возможностей компонентов системы, особенно в предельных условиях и увеличению сложности системы, что создает предпосылки к возникновению информационной перегрузки.

В этой ситуации возникает необходимость поиска путей, обеспечивающих оперативное и адаптивное к внешним условиям согласование количества информации, поступающей на вход и используемой для обмена в информационной системе с ее информационными возможностями.

Наиболее привлекательным, в том числе и с экономической точки зрения является путь, состоящий в разработке и реализации методов и алгоритмов, функционирующих именно в условиях информационной перегрузки. К ним относятся методы и алгоритмы отбора информации для группирования.

Однако традиционные методы и алгоритмы отбора информации не решают в полной мере проблему информационной перегрузки в связи с тем, что человеку-оператору недостаточно сформировать признак, что в данной цели имеется "№ самолетов противника", необходимо представить и информацию о боевом порядке.

Наряду с этим, следует отметить, что в настоящее время в АСУ при воздействии активных помех передается только пеленг или признак "постановщик помех" и не реализован обмен данными об области и интенсивности, что также затрудняет оценку воздушной обстановки.

ЧТО ДЕЛАТЬ?

Необходимо реализовывать возможности представления большого массива данных в виде массива меньшей размерности. Выработка признака "цель групповая" обеспечивает уменьшение количества передаваемой информации, а, следовательно, сокращает время обмена и обработки, запаздывания данных и повышает качество выдаваемой информации.

Одним из наиболее эффективных путей, обеспечивающих группирование или согласование количества информации с возможностями автоматической системы обработки в условиях массированных ударов, является представление воздушной обстановки с применением "сжатия" групповых целей способом агрегирования.

"Сжатие" информации обеспечивает уменьшение объема передаваемой информации, а, следовательно, увеличивает среднюю скорость передачи данных при этом сохраняется боевой порядок групповой цели.

К варианту "сжатия" информации можно отнести способ группирования воздушных объектов с целью формирования нового вида информации, более удобного для обработки больших объемов, передачи по среднескоростным каналам связи и более удобного представления для принятия решения. При этом потребителю информации должен быть представлен не просто признак "цель групповая", а групповая цель должна быть разгруппирована, т.е. из признака и координаты представлена расстановка составляющих групповой цели на отдельные воздушные объекты.

Такое группирование информации может быть физическим или математическим. Физическое группирование является фактором, усложняющим оценку и классификацию параметров воздушных объектов. Оно происходит из-за недостаточной разрешающей способности элементов систем сбора и обработки информации, что приводит к возникновению частично разрешаемых или не разрешаемых групп отметок от воздушных объектов и требует реализации сложных алгоритмов обработки.

Математическое группирование осуществляется с целью сокращения количества информации о воздушной обстановке путем объединения данных о разрешаемых воздушных объектах и представления их в виде данных о группах воздушных объектов.

Тактический смысл группирования сводится к сокращению объема информации о воздушной обстановке при представлении на средствах отображения АСУ и исключения перекрытия отображаемых данных.

При этом решается задача выдачи данных на АСУ меньшей производительности.

Одна из целей группирования состоит в повышении качества выдаваемой информации о воздушной обстановке на вышестоящий КП, при этом группирование может производится по команде с вышестоящего КП для сокращения объема обрабатываемой и выдаваемой информации.

В некоторых случаях группирование производится для сокращения времени поиска воздушных объектов при выдачи целеуказание на РЛС программного обзора.

При этом используются различные методы и алгоритмы группирования, что обусловлено различными требованиями потребителей информации.

Наличие в специальном математическом обеспечении АСУ КП и современных РЛС различных алгоритмов группирования не позволяет создать основу для обеспечения единого представления воздушной обстановки на различных уровнях информационной системы, повышает загрузку вычислительного комплекса и создает предпосылки для информационной перегрузки системы.

НА ЧТО РАССЧИТЫВАТЬ?

Пропускная способность канала телекодовой связи впрямую связана с ценой за его организацию. Чем выше быстродействие, тем большую цену необходимо заплатить за него, но при этом еще и остается вероятность сбоев и искажения информации. Поэтому современные средства АСУ стали в значительной степени зависеть от "имеющихся в наличии" каналов телекодовой связи.

Рассматривая заявленные, но еще не реализованные возможности идеальных каналов связи, по-видимому, стоит заново оценить целесообразность "срочного" внедрения в войска систем связи 3-го поколения. Надо учитывать, что интересы производителей (желающих продавать новые –более дорогие –устройства) и возможности пользователей по оплате современных каналов связи сильно отличаются.

Для обмена данными реального масштаба времени современные вычислительные средства должны иметь каналы связи для обеспечения передачи информации со скоростью не ниже 17 Кбит/с. При снижении качества каналов связи возможны задержки в получении информации и даже потеря части данных о воздушной обстановке.

Не стоит пока в условиях ограниченного финансирования идти на применение дорогостоящих новых вычислительных средств и каналов связи для пропуска большого количеств информации, когда можно уменьшить поток передаваемой информации за счет ее группирования способом агрегирования.

Анализируя возможности по повышению быстродействия и объема памяти ЭВМ и состояния каналов связи можно сделать вывод. Что нецелесообразно идти по пути постоянной замены ЭВМ на более современные, необходимо продумать и программные возможности решения проблем перегрузки информации.

При отсутствии в войсках высокоскоростных каналов связи большой объем информации целесообразно передавать за счет совершенствования обработки информации, проведенной с использованием группирования целей способом агрегирования.

Общей характерной чертой всех реализованных и большинства известных методов группирования является использование стробов правильной геометрической формы, размеры которых либо задаются априори (на основе анализа тактики действий противника на учениях или в локальных конфликтах), либо подбираются автоматически в соответствии с размерами выделенной алгоритмом группы и начальными установками офицера-оператора.

В свое время в алгоритмах группирования было принято использовать способ, когда за координаты группы объектов принималось не реальное распределение составляющих группы воздушных объектов, а координаты головной цели или наиболее распространенный способ –вычисление "центра тяжести" группы.

Такое распределение, как правило, имеет вид "потенциальной функции". При этом теряется информация о типе боевого порядка групповой цели. Представленную в таком виде сгруппированную информацию невозможно в полной мере использовать для выдачи огневым средствам.

При традиционном подходе и использовании одного из известных методов группирования в качестве единого для всей системы без принятия дополнительных мер невозможно обеспечить третичную обработку информации с качеством, удовлетворяющим огневые средства.

Увеличение степени группирования приводит к сокращению объема информации и согласованию его с возможностями элементов системы по производительности, однако практически исключает возможность по ее обработке и использованию огневыми средствами, что адекватно росту ее потерь. При увеличении степени группирования количество информации снижается за счет сокращения данных по составляющим группы целям.

Поэтому известные методы и алгоритмы группирования не обеспечивают снижения потерь информационной системы в условиях информационной перегрузки.

Только в случае разработки метода, обеспечивающего согласование количества информации, циркулирующей в системе с возможностями ее элементов, при удовлетворении ее качества требованиям огневых средств (ЗРВ и ИА) имеет смысл говорить о разрешении проблемы перегрузки и снижении потерь информации в системе.

Наряду с этим необходимо отметить, что сейчас группирование ограничивается не только по условиям обязательного совпадения вектора скорости, высоты госпринадлежности, но и осуществляется при условиях отсутствия помех. Современные средства обработки не формируют информацию о параметрах помехи.

Анализ путей решения проблемы согласования количества информации, поступающей на вход системы с ее информационными возможностями показывает, что в настоящее время в недостаточной степени разработаны теоретические положения по обработке и обмену информации. Особенно это характерно в условиях массированных ударов, при воздействии помех и информационной перегрузке.

Наличие тактической необходимости решения проблемы обмена информацией в условиях создания предпосылок к информационной перегрузке и потерь информации обуславливает утверждение, что время нового подхода к процессу группирования пришло.

Таким образом, возникает необходимость разработки способа и алгоритма, обеспечивающих согласование количества информации о воздушной обстановке (в том числе и о помеховой обстановке), поступающей на вход и циркулирующей в информационной подсистеме сложной иерархической АСУ и представления ее для анализа обстановки и принятия решения.

АГРЕГИРОВАНИЕ ИНФОРМАЦИИ

Одним из путей, обеспечивающих решение этой проблемы, является агрегирование. Агрегирование представляет собой переход от функции (или совокупности функций) многих переменных к функции или совокупности функций меньшего числа переменных, или от описания воздушной обстановки большим количеством данных (отметок от воздушных объектов) к описанию существенно меньшим количеством агрегированных данных при обеспечении требуемого качества информации (полноты и точности).

Основные проблемы агрегирования связаны с определением условий, при которых можно избежать потерь информационной системы или найти метод, снижающий ошибки. В случае реализации возможности выделения агрегированных признаков, соответственно характеризующих данные о воздушной обстановке, и представления данных с использованием этих признаков для обмена, можно создать предпосылки для минимизации потерь в условиях информационной перегрузки системы.

Таким образом, способ агрегирования информации состоит:

в формировании нечеткого отношения сходства на множестве отметок трасс воздушных объектов;

в определении множеств нечетко определенной цели при нечетких множествах ограничений нечетких подмножеств групп;

в преобразовании матрицы нечеткого отношения сходства, с выделенными на нем подмножествами групп, в нечеткое отношение строгого предпочтения и выделении на нем четко недоминируемых альтернатив;

в уточнении сформированных групп с учетом нечеткого ограничения по скорости.

В дальнейшем, в зависимости от информационных возможностей системы и требований потребителей, данные о сформированной группе объектов могут быть представлены эталонами –наиболее связанными в пространстве параметров и признаков объектами с остальными составляющими группу и косвенно характеризующими боевой порядок. Кроме этого и данными о составляющих группы, в относительной системе координат группы с началом отсчета, совмещенным с координатами эталона.

Одним из основных требований к алгоритму с точки зрения реализации является требование, связанное с минимизацией потребных для реализации алгоритма вычислительных ресурсов и обеспечения решение в реальном масштабе времени, что позволяет минимизировать задержки информации при обработке и соответственно ее потери за счет ухудшения качества.

Проведенные предварительные оценки показали, что алгоритм, полностью реализующий разработанный способ, может потребовать вычислительного комплекса с быстродействием превышающим 10 млрд. операций в секунду. Средний современный процессор имеет производительность на уровне 1-3 млрд. операций в секунду, поэтому очевидна проблематичность реализации полного алгоритма. В связи с этим, при разработке алгоритма его реализующего потребуется рационализация, "усечение", упрощение метода, что является оправданным, особенно если алгоритм должен обеспечить снижение влияния неопределенности в условиях перегрузки системы.

Алгоритм группирования, агрегирования информации требует введения признаков, описывающих группы. Поэтому основным требованием со стороны пользователя является удобство и простота введения признаков и наличие возможности их оперативного изменения и уточнения. При этом должна обеспечиваться физически легко ощутимая связь между значением признака (его размерностью) и ожидаемым результатом решения задачи, т.е. алгоритм должен быть "прозрачным" для пользователя.

Обработка радиолокационной информации и связанная с этим классификация воздушных объектов представляет собой всегда условное их группирование, осуществляемое человеком с определенной целью и точностью. Не всегда цель классификации четко формулируется (и даже осознается), но если цели вообще нет, то классификация вряд ли может быть обоснована и полезна. Поэтому важно не только правильно сгруппировать цель, но и разгруппировать так, чтобы представить боевой порядок и спрогнозировать дальнейшие возможные действия противника.

ВЫВОДЫ

Эффективность алгоритма агрегирования проверена на основе численного моделирования, которое показало, что в условиях ограниченных информационных возможностей АСУ и информационной перегрузки, возникающей в условиях МАРУ, метод позволяет повысить полноту информации по сравнению с традиционным методом группирования на 8-10%, а по сравнению с обработкой детальной информации на величину до 20%.

Важным результатом может быть то, что алгоритм агрегирования при изменении точности информации в широких пределах (до 4-4,5 км) и приемлемой полноте (не менее 0,6) обеспечивает сокращение количества информации для обмена и обработки от двух до десяти раз.

В условиях жестких временных ограничений (которые соответствуют условиям МАРУ) это позволяет передать больше информации по существующим линиям связи, уменьшить время задержек на обработку и передачу, снизить потери в точности, возникающие за счет задержек.

Использование разработанного для обмена и обработки в сложной иерархической АСУ метода представления информации позволяет сократить ее потери в среднем на 10-12%. При этом в условиях массированных ударов и информационной перегрузки можно ожидать повышения эффективности боевых действий огневых средств на величину 6-10%.