СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ГЛОБАЛЬНОГО КОМПЛЕКСНОГО МОНИТОРИНГА С ФУНКЦИЯМИ АДАПТИВНОГО ДИСТАНЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ СОСТОЯНИЕМ МАКРООБЪЕКТА С ИЗМЕНЯЕМЫМ СОСТАВОМ И СТРУКТУРОЙ ЕГО СОСТАВНЫХ ЧАСТЕЙ
METHOD FOR IMPLEMENTATION OF GLOBAL COMPLEX MONITORING WITH FUNCTIONS OF ADAPTIVE REMOTE CONTROL OF STATE OF MACRO OBJECT WITH VARIABLE COMPONENT PARTS COMPOSITION AND STRUCTURE

Изобретение относится к способам ведения комплексного мониторинга состояния макрообъектов, к отличительным признакам которых относятся разнородность их характеристик, большие физические, пространственные и информационные размерности. Например, к макрообъектам могут быть отнесены морская или континентальная часть поверхности планеты, планета в целом или планетная система, экономическое и/или социальное состояние государства, его обороноспособность и т.п.
Изобретение может быть использовано для оценки соответствия установленным нормам и прогнозирования изменений состояния контролируемых динамических объектов, систем и макросистем в различных сферах деятельности, в том числе при глобальном мониторинге состояния окружающей среды, в робототехнике для оценивания собственного состояния робота и принятия решений по его дальнейшим действиям, в системах телеконтроля и распознавания образов, в системах формализации и представления знаний о состоянии динамических объектов любой конфигурации и информационной размерности, в системах управления различного назначения, в системах информационного обеспечения принятия и контроля исполнения решений.
Глобальный комплексный мониторинг представляет собой совокупность организационно-технических мероприятий, включающих наблюдение за состоянием динамических систем различными средствами, оценку состояния по измеренным значениям параметров состояния и прогнозирование изменений состояния под воздействием природных и антропогенных факторов. При этом разнородность элементов объектов искусственного и естественного происхождения, формирующих структуру и состав, а также совокупность свойств и характеристик окружающей среды, в полной мере дает основание считать ее динамической системой высшего уровня иерархии.
Одной из основных задач любого вида мониторинга является своевременное обеспечение органов управления состоянием динамических систем (контролируемых объектов) достоверной информацией, позволяющей оценить параметры состояния, выявить причины, тенденции и определить последствия наблюдаемых изменений, создать предпосылки для определения комплекса организационно-технических мероприятий по исправлению возникающих негативных ситуаций до того, как будет нанесен ущерб [1].
Для осуществления локального мониторинга используют мобильные станции и стационарные центры (посты) контроля по различным физическим полям, а для регионального мониторинга помимо средств локального мониторинга используются вертолеты, самолеты и космические аппараты, осуществляющие слежение за состоянием земной поверхности, минерально-сырьевых ресурсов недр, сохранностью животного и растительного мира и т.д. [2].
Кроме того, в настоящее время на основе использования технологий предупреждения ведутся разработки перспективных способов и систем комплексного мониторинга, предполагающих сопряжение и объединение (интеграцию) существующих разнородных систем мониторинга (контроля) в макросистемы государственного, глобального масштаба. Так, например, в [3] предложена система автоматизированного контроля состояния потенциально опасных объектов Российской Федерации в интересах обеспечения защиты от техногенных, природных и террористических угроз. В процессе разработки и использования подобных систем основными проблемными вопросами являются отсутствие или неэффективность используемых способов для преодоления различий при получении, преобразовании, представлении и интерпретации информации о состоянии наблюдаемого объекта. Наличие указанных различий вызывает трудности при сопряжении средств и систем различных видов мониторинга, назначения, организационной принадлежности. Также причинами невысокой эффективности функционирования существующих средств и систем глобального мониторинга являются ограниченный набор функциональных возможностей их методического обеспечения и аппаратно-программного комплекса (АПК). Следствием этого является низкая оперативность и/или отсутствие возможностей адаптации свойств АПК в случаях оперативного изменения заданий, типов, комплектации, структуры наблюдаемых объектов, условий их функционирования, объема и содержания информации, поступающей от них для решения задач по обработке разнородных данных с целью оценивания состояния динамических систем или их элементов, именно, в процессе выполнения ими задач по предназначению в масштабе времени, близком к реальному. Кроме этого, отсутствует возможность прямого, косвенного или комбинированного управления состоянием объектов по командам и рекомендациям средствами осуществления мониторинга (контроля). Следующим недостатком является низкий уровень защищенности от несанкционированного вскрытия информационных сообщений, передаваемых между элементами в системах и между системами, составляющими основу мониторинга.
В настоящее время предложено несколько способов комплексного мониторинга. Так, например, известны способы комплексного мониторинга населенного пункта [4, 5], включающие дистанционное зондирование (космическую и/или аэросъемку в видимом и инфракрасном спектрах электромагнитного излучения) и взятие проб, передачу результатов дистанционного зондирования и проб в центр обработки, дешифрирование фотоснимков и анализ проб, обработку результатов и оценку состояния населенного пункта или земной поверхности. Недостатками указанных способов являются:
- отсутствие у средств систем мониторинга способности по оперативной адаптации функциональных возможностей при изменении заданий средствам мониторинга, типов, структуры наблюдаемых объектов, условий их функционирования, объема и содержания информации, поступающей от них для решения задач по обработке разнородных данных при оценивании состояния объектов;
- большие временные затраты на ввод исходных данных при необходимости оперативного изменения задания на мониторинг, состава и структуры объекта, на доставку, обновление измерительной информации, ее обработку для оценки состояния населенного пункта или земной поверхности и оперативного прогнозирования изменений их состояния.
Известен способ комплексного мониторинга, реализованный в Международной аэрокосмической системе глобального мониторинга (МАКСМ) [6], обеспечивающий раннее предупреждение об астероидной и метеорной опасностях по сопряженным космическим каналам связи и передачи данных и передачу информации, получаемой на основе автоматизированного сбора и обработки данных дистанционного зондирования, аэросъемки и наземного контроля физических параметров. Недостатками данного способа являются: низкая оперативность принятия управляющих решений, большие потоки циркулирующей информации, что приводит к увеличению времени обработки и анализа результатов мониторинга; отсутствие способности по оперативной адаптации функциональных возможностей при изменении заданий средствам мониторинга, типов, структуры наблюдаемых объектов, условий их функционирования, объема и содержания информации.
Известен способ комплексного мониторинга окружающей среды региона [7], включающий ввод исходных данных в АПК средств мониторинга (контроля), осуществление измерений значений контролируемых параметров состояния дистанционными и контактными методами, их обработку, формирование результатов на каждом средстве по нескольким видам мониторинга (контроля) в форме протоколов, содержащих текстовую часть и цветографический образ состояния объекта контроля, затем передают протоколы в центр обработки и управления, где их объединяют и представляют результаты комплексного мониторинга в форме протоколов, содержащих объединенный цветографический образ состояния объекта по осуществленным видам мониторинга (контроля). Недостатками данного способа являются: отсутствие возможности оперативного обновления исходных данных, требуемых для оценивания динамики параметров состояния окружающей среды в пределах поля допуска в цикле мониторинга и, как следствие, ограниченная пригодность (неактуальность) результатов прогнозирования изменений состояния окружающей среды для предупреждения возникновения и развития чрезвычайных или нештатных ситуаций; возможность применения способа для решения только ограниченной, запланированной совокупности задач и, как следствие, недостаточная пригодность для получения комплексной оценки, тенденций изменений состояния окружающей среды или ее элементов (с учетом синергетических эффектов); отсутствие возможности организации и обеспечения управления состоянием объекта в масштабе времени, близком к реальному; недостаточная защищенность от несанкционированного вскрытия передаваемых данных о состоянии объекта.
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявленного способа является способ комплексного мониторинга окружающей среды региона (Патент РФ №2369866, МПК G01N 33/00, 2008 [7]).
Основными недостатками прототипа являются:
- отсутствие функциональных возможностей по осуществлению комплексного мониторинга состояния макрообъекта в реальном масштабе времени в связи с пространственным расположением его элементов, большой разнородностью их характеристик и информационной размерностью, что требует расширения функциональных возможностей для исключения информационных конфликтов в центре обработки и управления при обработке данных;
- отсутствие возможности прямого оперативного управления из центра обработки и управления состоянием как контролируемого макрообъекта, так и средств осуществления мониторинга в различных условиях функционирования и в различных ситуациях;
- недостаточная защищенность от несанкционированного вскрытия передаваемых данных о состоянии объекта.
Задачами изобретения являются:
- расширение функциональных возможностей способа комплексного мониторинга путем придания способу новых функций, обеспечивающих реализацию дистанционного адаптивного управления состоянием макрообъекта с изменяемым составом, структурой его составных частей, а также силами и средствами, осуществляющими комплексный мониторинг объектов различной пространственной и информационной размерности в масштабе времени, близком к реальному;
- минимизация влияния языкового барьера при межгосударственном взаимодействии для оценки ситуации;
- повышение защищенности от несанкционированного вскрытия передаваемых данных о состоянии макрообъекта.
Технический результат заключается:
- в обеспечении возможностей адаптивного дистанционного управления состоянием макрообъекта с изменяемым составом, структурой его составных частей, а также силами и средствами, осуществляющими комплексный мониторинг объектов различной пространственной и информационной размерности в масштабе времени, близком к реальному;
- в сокращении времени при оценке ситуации для принятия решений;
- в повышении защищенности от несанкционированного вскрытия передаваемых данных о состоянии макрообъекта.
Технический результат достигается за счет введения в известный способ новых действий и нового порядка их осуществления, а именно:
- вводят в схему осуществления способа центр координации, где формируют образ всего макрообъекта;
- используют данные о состоянии объекта мониторинга из нескольких центров обработки и управления при осуществлении способа;
- используют унифицированное для всех центров обработки и управления, средств осуществления мониторинга формализованное представление состояния части макрообъекта в виде детализируемого в соответствии с рангом центра обработки и управления образа, разделенного на сектора по количеству контролируемых объектов или их групп;
- разделяют каналы управления и передачи данных о состоянии объектов;
- вводят в схему осуществления способа регуляторы значений параметров;
- используют единые правила формирования матриц управления в центрах, имеющих различные ранги;
- вводят индикаторные показатели несоответствия фактических значений контролируемых параметров;
- используют в качестве исходных данных для второго эшелона закрытия передаваемых сообщений безразмерные значения показателей соответствия и несоответствия фактических значений установленным нормам контролируемых параметров.
На фиг. 1, представлен способ осуществления глобального комплексного мониторинга с функциями адаптивного дистанционного управления состоянием макрообъекта. На фиг. 2 представлен фрагмент системы глобального комплексного мониторинга - система комплексного мониторинга, подчиненная центру обработки и управления, имеющего ранг r.
На схеме представлены следующие элементы:
1 - центр координации;
2 - базы знаний;
3 - обобщенная (интегральная) матрица фактического состояния;
4 - система комплексного мониторинга ранга r=1;
5 - система комплексного мониторинга ранга r=2;
*
6 - система комплексного мониторинга ранга r=r;
7 - шина информирования о состоянии макрообъекта;
8 - шина управления макрообъектом;
9 - группировки средств мониторинга (контроля);
10 - матрицы совокупности разнородных параметров;
11 - группировки объектов мониторинга;
12 - центры обработки и управления;
13 - объекты мониторинга (контроля);
14 - исполнительные органы;
15 - регуляторы исполнительных органов;
16 - матрица фактического состояния;
17 - матрица управления.
В соответствии с заявляемым способом глобального комплексного мониторинга с функциями адаптивного автоматизированного управления состоянием контролируемого макрообъекта до начала мониторинга выполняют следующие операции:
- определяют интервал времени проведения, тип и количество необходимых средств, видов мониторинга, производят адресацию средств и ранжирование центров обработки и управления, привлекаемых для решения задач;
- вводят в базы знаний 2 центра координации 1, центров обработки и управления 12, средств мониторинга 9 величины границы интервалов допустимых значений параметров состояния, правила оценивания значений параметров состояния, правила формирования показателей соответствия установленным нормам, правила формирования и представления результатов в виде протокола, содержащего графический образ состояния, текстовую и картографическую части для отображения оперативной обстановки;
*
- устанавливают и вводят в базы знаний 2 центров обработки и управления всех рангов (r=1,…r), а также группировок средств мониторинга 9, унифицированные правила управления порядком формализации и представления детализированных образов состояния контролируемых объектов;
- в базы знаний 2 центров обработки и управления 12 всех рангов, а также средств мониторинга 9 вводят данные, содержащие сведения по объектам, их группировкам, по идентификаторам рангов центра координации 1, центров обработки и управления 12;
- вводят в базы знаний 2 центра координации 1, центров обработки и управления 12 всех рангов, а также средств мониторинга данные по идентификаторам, свойствам составных частей, число которых соответствуют числу секторов в фигуре, отображающей в полярной системе координат состояние контролируемого макрообъекта;
- вводят в базы знаний 2 центра координации 1, центров обработки и управления 12 всех рангов, а также группировок средств мониторинга 9 данные по идентификаторам, номерам параметров и интегральных характеристик.
z
Затем в процессе осуществления комплексного мониторинга на каждом средстве мониторинга 9 измеряют дистанционными и/или контактными способами значения заданной совокупности разнородных параметров 10 состояния макрообъекта, оценивают их значения, сравнивают значения оценок с установленными нормами, вычисляют значения показателей соответствия (несоответствия) установленным нормам. После этого формируют в полярной системе координат совмещенный по осуществленным на средствах видам мониторинга графический образ (фиг. 3) и текстовую часть, затем от каждого средства мониторинга 9 передают данные о состоянии макрообъекта в виде матрицы фактического состояния 16 в центры обработки и управления 12, где формируют и представляют в назначенный момент времени (t) протокол комплексного мониторинга, содержащий обобщенный (интегральный) графический образ состояния макрообъекта, объединенную текстовую и картографическую части (фиг. 4), содержащие обобщенные результаты, выполненные различными группировками средств мониторинга (контроля), и рекомендации по выводу макрообъекта или его составной части из нештатной ситуации в случаях ее возникновения.
При этом в отличии от прототипа комплексный мониторинг и автоматизированное адаптивное управление состоянием контролируемого макрообъекта с изменяемыми составом и структурой его составных частей, разделенного на группировки объектов 11, в зависимости от содержания нештатной ситуации и масштабов возможных последствий, осуществляют из глобального центра координации 1, нескольких континентальных, государственных и региональных центров обработки данных и управления 12, в зону ответственности каждого из которых входит конкретная группировка 11 разнородных объектов 13, различной государственной и административной принадлежности, при этом каждому из центров 12 присваивают свой ранг, соответствующий уровню административной подчиненности.
По разделенным каналам (шинам) 7 информирования о состоянии и управления 8 макрообъектом в зависимости от результатов анализа значений величин аномальных изменений параметров состояния объектов, в первую очередь, осуществляют информирование тех центров обработки и управления, в зоне ответственности которых находятся контролируемые ими группировки объектов с аномальными изменениями, а также осуществляют управление их состоянием, для чего в центрах обработки и управления данного и больших рангов анализируют поэлементно содержимое обобщенной (интегральной) матрицы фактического состояния 3 контролируемого макрообъекта, которую интерпретируют как фактический образ его состояния в текущий момент времени. Затем на основе результатов анализа значений показателей несоответствия формируют из них перечень и формализуют содержание управляющих воздействий в виде кода, включают его в содержимое матриц управления 17, которые передают в заданный адрес по каналу управления 8 средствам мониторинга 9 и на регуляторы 15 исполнительных органов 14, в состав которых входят силы и средства, с помощью которых устанавливают требуемое значение параметра. При этом вид и содержание управляющего воздействия выбирают из совокупности: прямое, косвенное, комбинированное в зависимости от фактического состояния объектов, а также от наличия функциональных возможностей для решения задач по переводу контролируемых объектов в требуемое состояние. В случаях необходимости осуществляют прямое управляющее воздействие на объект посредством регуляторов 15 исполнительных органов 14, обеспечивающих требуемые значения параметров путем проведения операций по настройке аппаратно-программного комплекса, для чего передают из центра обработки и управления 12 матрицы управления 17, получают их на группировки средств мониторинга 9, анализируют и преобразовывают их содержимое в содержание сигналов, операций или команд, которые исполняют регуляторы 15 аппаратно-программного комплекса или группировки средств мониторинга. В случаях необходимости осуществляют косвенное управляющее воздействие на исполнительные органы 14, обеспечивающие требуемые значения параметров путем формирования в центре обработки и управления и доведения информационных сообщений, рекомендаций, содержащих необходимые данные для принятия и реализации решений по переводу контролируемых объектов в требуемые состояния.
В других случаях в зависимости от состава, содержания задач, состояния, свойств объектов и среды функционирования осуществляют комбинированное адаптивное автоматизированное управление регуляторами 15 исполнительных органов 14, обеспечивающими требуемые значения параметров путем доведения в их адрес матриц управления и информационных сообщений, содержащих сформированные в центре обработки и управления команды, рекомендации. После преобразования матриц управления и информационных сообщений осуществляют их реализацию исполнительными органами 14.
Во всех случаях автоматизированное адаптивное управление состоянием макрообъекта осуществляют на основе комплексного анализа сформированных в виде матрицы фактического состояния в каждом центре обработки и управления результатов, проведенных различных видов контроля и/или мониторинга состояния объектов. Кроме того, для организации и обеспечения адаптивного автоматизированного управления состоянием макрообъекта или его части передают матрицы управления из центра обработки и управления, имеющего более высокий ранг в центр обработки и управления с меньшим рангом, где после анализа содержимого элементов матриц и формирования команд их передают в исполнительные органы и/или на средства мониторинга.
Результаты комплексного мониторинга состояния макрообъекта или его составной части в виде детализированного образа-матрицы их фактического состояния по информационному каналу передаются по линиям связи (по шинам информирования) из центра обработки и управления, имеющего меньший ранг, в центры обработки и управления, имеющих больший ранг, где объединяют данные о состоянии макрообъекта или его части.
При этом детализированный образ является вложенным в детализированный образ, формируемый в центрах обработки и управления, имеющих более высокий ранг.
В процессе формирования результатов мониторинга в центре обработки и управления конкретного ранга по введенным унифицированным правилам формируют детализированный образ состояния макрообъекта, в содержание которого включают множество значений показателей соответствия (несоответствия) оценок параметров состояния группировки объектов из зоны ответственности данного центра обработки и управления, а также множество значений показателей соответствия оценок параметров состояния группировки объектов, находящихся в зоне ответственности центров обработки и управления, имеющих более низкий ранг.
Детализированный графический образ делят на сектора, содержащие значения показателей соответствия фактических и заданных значений контролируемых параметров состояния конкретного элемента или составной части группировки объектов. При этом в центре координации формируют совокупность секторов, число которых соответствует количеству континентов.
В центре обработки и управления, имеющего более высокий ранг, представляют детализированный графический образ состояния макрообъекта, разделенный на сектора, содержащие значения множества показателей соответствия интегральных характеристик и/или значения их отклонений от верхних или нижних границ установленных норм, которые сформированы в центре обработки и управления, имеющего более низкий ранг.
В каждом центре обработки и управления анализируют состояние и принимают решения по выводу макрообъекта из нештатной ситуации или ее недопущению путем формирования и затем реализации выбранного вида адресного управляющего воздействия на исполнительные органы или регуляторы. При этом в центре координации, имеющего самый высокий ранг, значения индикаторных показателей несоответствия, свидетельствующих о фактах наличия отклонений от норм на каком-либо объекте из состава макрообъекта формируют по правилу, если хотя бы в одном из центров обработки и управления, имеющих меньший ранг, сформирован хотя бы один показатель несоответствия установленным нормам, то формируют и представляют в графическом образе, в соответствующем составной части макрообъекта секторе индикаторный показатель несоответствия не равный единице «1».
В отличии от прототипа закрытие передаваемой информации о состоянии объекта от несанкционированного доступа к ее содержанию осуществляют как минимум двумя уровнями преобразования данных о результатах мониторинга. При этом на первом уровне преобразования из показателей соответствия или несоответствия оцененных значений установленным нормам формируют содержимое матриц фактического состояния и управления, при этом в содержимое элементов матриц фактического состояния включают значения безразмерных показателей соответствия и несоответствия установленным нормам каждого из контролируемой совокупности параметров состояния, а в содержимое элементов матрицы управления значения безразмерных показателей несоответствия установленным нормам, преобразованные в коды, выполняемых операций, которые необходимо выполнить для приведения значения параметров в номинальное значение.
Затем, во втором и следующих уровнях преобразования содержимое матриц фактического состояния и управления используют как исходные данные, предназначенные для защиты криптографическими или некриптографическими способами или с помощью использования их сочетания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Микрюков В.Ю. Безопасность жизнедеятельности, Феникс, Ростов на Дону, 2007, с. 346.
2. Коробкин В.И., Передельский Л.В. Экология. Феникс, Ростов на Дону, 2007, с. 531-533, с. 586, с. 589.
3. Патент на изобретение, Россия, №2296421, МПК H04B 7/185, 2007.
4. Патент на изобретение, Россия, №2217804, МПК G09B 29/00, G01C 11/00, 2003.
5. Патент на изобретение, Россия, №2234085, МПК G01N 33/00, G01N 33/18, 2004.
6. Патент на изобретение, Россия, №2465729, МПК H047B 7/00, 2006, B64G 99/00, 2009.
7. Патент на изобретение, Россия, №2369866, МПК G01N 33/00, 2008.