Модели и методы синтеза и координации специальных систем радиоэлектроники
М.В. Павловский
Военный учебно-научный центр Военно-Воздушных Сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (ВУНЦ ВВС «ВВА»), г. Воронеж Россия
Аннотация
В статье приведены результаты анализа исследований, который показал существующее противоречие между потребностью синтеза и координации специальных систем радиоэлектроники и развитием соответствующей методологии, представлены апробированные модели и методы, связанные воедино.
Ключевые слова: специальная система радиоэлектроники, синтез, модель, координация, тензорный анализ, инфлюентный анализ, технико-экономический анализ.
MODELS AND METHODS OF SYNTHESIS AND COORDINATION OF THE SPECIAL SYSTEMS ELECTRONICS
M. V. Pavlovsky
Military educational scientific center Air Force "air force Academy named after Professor N. E. Zhukovsky and Y. Gagarin" (VUNTS VVS "VVA"), Voronezh, Russia
Abstract. The article presents the results of research analysis, which showed the existing contradiction between the need for synthesis and coordination of special systems of radio electronics and the development of appropriate methodology, presents proven models and methods related together.
Keywords: special system of radio electronics, synthesis, model, coordination, tensor analysis, influent analysis, technical and economic analysis.
Введение
Анализ выполненных к настоящему времени исследований в области программного планирования развития образцов техники в составе специальных систем радиоэлектроники (ССРЭ) (например, [1 - 3]) показал, что развитие этих систем предполагает только создание новых видов и типов образцов, а их объединение в системы предусматривает комплекс исследований, в которых, несмотря на накопленный опыт и знания, до сих пор применяются экспертные модели и методы. В то же время, продекларированное в [4, 5] понятие координации, которое определяет сферу деятельности (или задачу) вышестоящей управляющей системы, в ходе которой она пытается добиться согласованного функционирования и взаимодействия нижестоящих систем управления в интересах повышения своей эффективности, в современных условиях вообще не рассматривается. Вследствие этого, совершенствование ССРЭ в настоящее время осуществляется через постоянное усложнение количества и качества взаимосвязей элементов в их составе. Это позволяет сформулировать существующее противоречие: в настоящее время отсутствует научно-теоретическая работа, которая освещает системные аспекты программного создания ССРЭ и позволяет математически не противоречиво осуществлять их синтез и координацию на уровне систем, для которых вопросы применения отдельных образцов техники, комплексов и систем являются исходными данными. Следовательно, предпринятая работа, направленная на ликвидацию данного противоречия, является актуальной и необходимой. Тогда цель работы - предложение не противоречивой, математически обоснованной и цельнотянутой системы методического обеспечения синтеза и координации ССРЭ.
Обоснование процедуры исследований
В практике программного строительства ССРЭ, под которыми могут рассматриваться системы радиосвязи, радиолокации, радионавигации и радиоэлектронной борьбы, традиционно используется методология «генерации - анализа - выбора» оптимального варианта ССРЭ из перечня сгенерированных и проанализированных альтернативных вариантов. Данная процедура обеспечивает полноту поля анализируемых вариантов и обеспечивает если не стопроцентно оптимальный вариант ССРЭ, то максимально рациональный в данных условиях вариант. Поэтому в исследованиях по синтезу и координации ССРЭ также необходимо использовать стандартную процедуру «генерация - анализ - выбор», доработка которой должна быть направлена на устранение выявленного противоречия.
Необходимо отметить, что в практике военного строительства принято говорить о группировке войск (сил) [2, 3], но:
1) для исключения не формализуемых действий личного состава и для расширения диапазонов исследования по звену управления (эшелоны ССРЭ), по уровням сложности принимаемых решений (слои ССРЭ) и по вариантам описания (страты ССРЭ);
2) для исключения привязки к существующим организационно-штатным структурам, определяющим ограничения по звену управления (эшелонам ССРЭ), по уровням сложности принимаемых решений (слоям ССРЭ) и по вариантам описания (стратам ССРЭ);
3) для обеспечения возможности обоснования общих тактических и технических требований к ССРЭ и их элементам;
в исследованиях по синтезу и координации рассматривается только техническая составляющая ССРЭ. В соответствии с обозначенной целью в качестве объекта исследований рассматривается ССРЭ, участвующая в составе группировки войск (сил) вооруженных сил на театре военных действий в конфликтном взаимодействии с силами потенциального противника, в качестве предмета - система методического обеспечения синтеза, координации и выбора такой ССРЭ. Следовательно, задача раздела работы решена, а процедура проведения исследований обоснована.
Методология исследований на этапе генерации
На этапе генерации или синтеза альтернативных вариантов ССРЭ до настоящего времени использовались либо морфологические методы (метод отрицания и конструирования; метод систематического покрытия поля; метод морфологического ящика)) [6], либо методы, основанные на использовании экспертных оценок [7]. Основным недостатком морфологических методов заключается в формировании полного поля возможных состояний, из которого после проведения анализа исключаются не реализуемые методы. Методы, основанные на использовании экспертных оценок, традиционно применяются в тех областях, для которых не возможно применение формальных методов. Однако, как первая, так и вторая группа методов приводят к формированию чрезвычайно большого поля возможных ССРЭ, анализ которых требует привлечения всевозможных решающих правил и постулатов [1, 2]. Кроме того, синтез комплексов, подробно описанный в [1, 4] и использованный в [8, 9], существенно отличается от синтеза ССРЭ, что не позволяет применять разработанную методологию. Отличительными признаками ССРЭ, не позволяющими применять для их генерации методологию синтеза комплексов, являются:
объем решаемых задач, который может меняться как от звена управления, так и от предназначения ССРЭ;
наличие не связанных друг с другом задач, когда элементами ССРЭ решаются задачи по предназначению этих элементов в отрыве от задач по предназначению всей ССРЭ;
структурированность состава и, в то же время, отсутствие «жесткой» связи между элементами ССРЭ.
В работе [10] предложен способ генерации (синтеза) ССРЭ на основе преобразования систем образцов техники к системам полосовых фильтров и дальнейшего использования методов радиотехнического синтеза. При этом сформирована геометрическая модель перехода от ССРЭ к системам полосовых фильтров [11], которая теоретически обоснованно позволяет применить тензорный анализ к проблеме представления образцов техники ССРЭ в виде математической модели матрицы пятого порядка. Данная геометрическая модель позволяет обоснованно перейти от образцов техники из состава ССРЭ различного уровня иерархии к полосовым фильтрам и их системам с различными полосами пропускания (что эквивалентно рассмотрению диапазонов рабочих частот ССРЭ в целом и их элементов) и добротностью (что эквивалентно рассмотрению эффективности этих систем) на основе применения алгебры топологий.
Основной проблемой математического описания образцов техники ССРЭ является сложность их представления в виде математической модели, в которой не осуществляется смесь не согласованных величин. В работе [10] сформирован способ перехода от стандартного описания образца техники из состава ССРЭ к математически не противоречивому объекту на основе применения методов эконометрии. При этом разработана методика матричного описания образцов техники как элементов ССРЭ, которая позволяет перейти от несогласованных описаний различных уровней иерархии образцов техники к стандартному математическому (в виде матриц пятого порядка) описанию как элементов радиотехнических схем. На основе [10] и [11] сформирована модель перехода от образцов техники к электрическим схемам на основе топологических структур ССРЭ, что обеспечило математически обоснованное применение идей тензорного анализа Крона к процедуре генерации альтернативных вариантов ССРЭ. При этом тензор преобразования Крона приобретает математически обоснованный вид стандартизации характеристик и объединения их в систему.
Для решения задач радиотехнического синтеза полосовых фильтров в [12] предложено множество методов, на основе которых в [13] разработан новый метод решения системы матричных неравенств, используемых для генерации альтернативных вариантов ССРЭ на основе решения задачи целочисленного линейного программирования. При этом, в соответствии с данными [10, 13], каждая матрица, описывающая образцы техники (, , …, ), комплексы (, , …, ) или системы (, , …, ), а также требования по эффективности к элементам ССРЭ (соответственно, , , ), каждая их которых имеет размер 5Ч5, представляется двадцатью пятью уравнениями:
Данная система неравенств требует значительного вычислительного ресурса, однако ее решение позволит:
1) из предлагаемых перспективных структур ССРЭ исключить волюнтаристские структуры, что приведет к сокращению времени обоснования неприемлемых систем;
2) математически точно обосновать структуры данных ССРЭ, что позволит лицам, принимающим решение, наиболее полно учесть известные исходные данные и не завысить возможности перспективных систем;
3) обеспечить выполнение ограничений заказчика по уровню организационно-штатной структуры ССРЭ и наличию в ней транспортных единиц.
Таким образом, на этапе генерации предложено использование методов перехода от образцов техники ССРЭ к полосовым фильтрам и расчета ССРЭ на основе решения задач целочисленного программирования. Это стало возможным только благодаря комплексному применению методов тензорного анализа, синтеза радиотехнических цепей и решения задач целочисленного линейного программирования. В результате на этапе генерации ССРЭ исключается возможность применения волюнтаристских методов экспертного анализа, что позволяет сократить количество исследуемых альтернативных вариантов ССРЭ.
Методология исследований на этапе анализа
На этапе анализа традиционно используется методология системного анализа с применением методов анализа операций [1, 2, 4, 5, 8, 9]. Однако, данная методология не позволяла по требуемым параметрам перспективной ССРЭ определять необходимые доработки как ССРЭ, так и ее составляющих. Для устранения указанного недостатка в работах [14-18] была доработана методология инфлюентного анализа [19] в направлении ее применения к сложным не детерминированным системам, получающим новое системное свойство, имеющим различные пути перевода из существующего состояния в перспективное. При этом были осуществлены:
1) разработана модель координации ССРЭ на основе применения теории инфлюентного анализа, которая позволяет по знанию существующего состояния системы и по требованиям к перспективному состоянию этой системы определить наиболее приемлемые пути перевода из существующего состояния к перспективному облику;
2) сформулированы обратные задачи инфлюентного анализа, решение которых в интересах координации ССРЭ позволяет при различных ограничениях или требуемых результатах осуществлять координацию анализируемой системы;
3) осуществлена доработка теоретического аппарата инфлюентного анализа ССРЭ в направлении учета специфических свойств систем (в первую очередь, факта, что сумма приращений эффективности образцов техники не равна приращению эффективности ССРЭ, содержащих эти образцы);
4) разработана методика оценки приращений эффективности образцов техники, составляющих ССРЭ, на основе теоремы обращения инфлюент, позволяющая выявить влияние на эффективность этой системы любого усовершенствованного отдельного образца техники, даже если данный образец не имеет непосредственного влияния на показатель эффективности систем (например, тренажер или аппаратная технического обеспечения);
5) впервые обоснована и разработана методика координации ССРЭ, разделяющая понятия линейной и текущей координации, позволяющая определить номенклатуру организационно-штатных элементов и образцов техники в составе ССРЭ (или средств в составе комплексов и технических характеристик отдельных образцов техники), подлежащих первоочередной координации на длительности действия государственной программы вооружения (линейная координация) или государственного оборонного заказа (текущая координация) [1, 2], и контроль выполнения планов координации. При этом данная методика позволяет сформировать к перспективным ССРЭ общие технические требования, которые содержат общесистемные требования (включая внешнесистемные и структурные требования) и специальные требования к подсистемам первого уровня (включая требования к организационно-штатным структурам и оперативно-тактические требования как к ССРЭ в целом, так и подсистемам первого уровня).
Таким образом, в разделе показаны осуществленные доработки аксиоматического аппарата инфлюентного анализа, которые позволяют осуществить усовершенствования образцов техники в составе ССРЭ (а в общем виде любой системы за счет усовершенствования подсистем первого уровня). Такое расширение математического аппарата обеспечивает проведение синтеза ССРЭ за счет осуществления текущей и линейной координации.
Методология исследований на этапе выбора
На этапе выбора, в соответствии с положениями [1 - 3, 20] используется методология технико-экономического анализа (ТЭА). При решении данной задачи были использованы стандартные методы, доработанные в направлениях учета особенностей применения ССРЭ. При доработке методов ТЭА был сделан акцент:
1) на использовании методов эконометрии в интересах определения образцов-аналогов для расчета стоимости перспективных образцов техники, находящихся на стадии разработки [21];
2) на анализе особенностей прогнозирования затрат на различных этапах жизненного цикла наземных и авиационных образцов техники из состава ССРЭ и разработке новых методик расчета стоимости на основе методов аналогов и нормативных пересчетов;