СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ ПЛАНА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РЕСУРСОВ
METHOD AND DEVICE FOR OPTIMIZING RESOURCE ALLOCATION PLAN

Настоящее изобретение относится к устройству и к способу для оптимизации плана распределения ресурсов.
В рамках настоящего изобретения распределение ресурсов понимается как означающее привязку ресурсов к объектам, например, вооружений к целям, которые должны быть достигнуты в военной области.
Более конкретно, настоящее изобретение может быть применено к любой ситуации для распределения ресурсов или задач, которые могут быть смоделированы посредством окон доступности и эффективности, т.е., посредством окон, которые зависят от интервала времени, в течение которого соответствующий ресурс может быть использован (т.е., является доступным), и значение которого представляет эффективность этого ресурса в достижении его цели, например, эффективность вооружения, такого как ракета, в уничтожении цели.
Возможны многочисленные применения в области планирования задачи и/или управления задачей, и это является особым случаем в следующих отраслях: гражданская или военная авиация (подготовка к вылету для систем вооружения), автономные гражданские или военные системы (дроны), воздушные перевозки (администрация аэропорта), область обычной логистики, транспортная область (железнодорожный транспорт, управление дорожным движением, грузовые перевозки и т.д.).
Даже если оно может, таким образом, быть использовано в многочисленных областях, настоящее изобретение является более конкретно применимым к военной области и, более конкретно, применимо к случаю командных и управляющих (C2) систем, которые организуют целераспределение вооружения, в частности. В военном контексте, оборона области от наступления противника требует тщательной предварительной обработки для того, чтобы лучше распределять ресурсы, которые доступны, для того, чтобы отслеживать и устранять угрозы, в то же время максимизируя вероятность выживания стратегических точек, которые защищаются.
В зависимости от угроз система командования и управления определяет решение о применении вооружения, принимая во внимание операционные и технические критерии.
Определение решения о применении вооружения основывается не только на распределении доступных вооружений по целям, но также основывается на выборе времени ведения огня. Выбор времени ведения огня может оказаться очень сложным, когда сталкивается с многочисленными ограничениями и неопределенностями, которые существуют в такой сложной системе.
Поэтому, моделирование такого сценария формулирует реальную проблему, которая встречается в военной промышленности при разработке решений, чтобы реагировать на эту проблему. Действительно, должна быть возможность находить решение, которое основывается на временном горизонте, но которое также имеет возможность моделировать зоны неопределенности, когда угроза находится в пределах радиуса действия. Оператор должен подтверждать применение вооружения на основе уместности предложенных моментов ведения огня, в то же время принимая во внимание уместность ассоциированных вероятностей успеха. Решение о применении вооружения должно быть выполнимым и оптимальным с точки зрения вероятности успеха.
Первый традиционный подход предполагает моделирование ситуации как последовательности проблем распределения вооружения по целям в статичной версии. Уровень опасности назначается каждой угрозе, и каждому вооружению назначается вероятность успеха против этой угрозы. Проблема представляется динамической посредством рассмотрения сценария на пошаговой основе и посредством наблюдения результатов каждого из боев, получающихся в результате распределения, предпринятого во время предыдущего этапа.
Дополнительный традиционный подход подразумевает использование дискретного временного пространства и ассоциирование вероятности успеха с ним. Этот подход предоставляет возможность планирования решения о применении вооружения с временным горизонтом, который разделен на отрезки.
Однако, ни одно из этих решений не удовлетворительно для предполагаемых прикладных задач. Действительно:
- моделирование динамической проблемы как последовательности статичных проблем не всегда является достаточным для преодоления реальной проблемы, поскольку оно не принимает во внимание непрерывность времени и возможности долгосрочного прогнозирования решения о применении вооружения. Так как проблема уменьшается до последовательности статичных проблем, понятие прогнозирования абсорбируется. Долговременное планирование невозможно. Этот способ не предоставляет возможности задавать последовательность ведения огня для общей оптимизации проблемы; и
- моделирование вероятности дискретного времени не предоставляет возможности достоверно управлять границами временного интервала. Действительно, такое моделирование предполагает, что, между двумя очень близкими моментами времени, вероятность успеха может изменяться с 0 до высокого значения. Это представляет значительную ошибку моделирования: например, для вышеупомянутого применения в военной области в диапазонах в несколько километров несколько метров являются незначительными и не должны вести к такому значительному различию.
Следовательно, не существует устройства или технического средства, которое предоставляет возможность определения и оптимизации плана распределения ресурсов.
Настоящее изобретение относится к устройству для оптимизации плана распределения ресурсов, которое предоставляет возможность преодоления вышеупомянутых недостатков.
Для этого, согласно изобретению, устройство упомянутого типа содержит:
- средство для ввода данных;
- первое средство для определения, на основе введенных данных, временных окон доступности и эффективности относительно упомянутых ресурсов;
- второе средство для определения, с помощью этих временных окон, оптимального плана распределения ресурсов; и
- пользовательское средство, использующее оптимальный план распределения, определенный вторым средством,
устройство отличается тем, что упомянутое второе средство содержит:
- первый элемент, сконфигурированный, чтобы задавать вероятности в пространстве решений, а именно, упомянутые временные окна, посредством формирования непрерывных функций как функции времени, которая соответствует временным окнам; и
- второй элемент, сконфигурированный, чтобы оптимизировать план распределения на основе пространства решений, в котором таким образом заданы вероятности.
Таким образом, в соответствии с изобретением, получается устройство, которое предоставляет возможность определения и оптимизации плана распределения ресурсов.
Устройство согласно настоящему изобретению, таким образом, содержит, как указано далее в данном документе, техническое средство для формирования данных, техническое средство для автоматической обработки данных (для того, чтобы определять оптимальный план распределения) и техническое средство для использования результатов обработки.
"Задание вероятностей" означает назначение вероятностей элементам рассматриваемого множества. Традиционно, вероятность является оценкой вероятного характера события, чем более высоким является это число, тем выше шанс возникновения события.
Кроме того, преимущественно:
- средство для ввода данных содержит средство (например, радиолокационный блок) для автоматического предоставления данных и/или средство, чтобы предоставлять возможность оператору вводить данные; и/или
- пользовательское средство содержит средство отображения, которое отображает оптимальный план распределения на экране; и/или
- средство отображения и средство, чтобы предоставлять возможность оператору вводить данные, являются частью человеко-машинного интерфейса; и/или
- первый элемент сконфигурирован, чтобы реализовывать интерполяцию на основе точек технических характеристик с тем, чтобы получать непрерывную модель вероятности пространства решений; и/или
- второй элемент сконфигурирован, чтобы выполнять оптимизацию методом скопления частиц.
Устройство согласно изобретению может использовать любое традиционное математическое моделирование вероятностного типа для временных окон доступности и эффективности.
Устройство согласно изобретению, таким образом, предоставляет возможность предоставления простой реакции на проблему моделирования, в то же время включая улучшенную достоверность в математическое представление. Планирование с временным горизонтом и переходными областями точно показано. Использование законов вероятности предоставляет возможность, в операционной системе, определять количественно доступность и эффективность каждого ресурса и, таким образом, предоставляет возможность общей оптимизации задачи по времени, в то же время максимизируя вероятность успеха задачи.
Для этого, окно доступности ресурсов (например, вооружений), таким образом, определяется, причем это окно ассоциируется с вероятностью успеха, которая моделируется посредством фундаментальных законов вероятности.
Устройство согласно изобретению, таким образом, предоставляет возможность преодоления следующих двух проблем, в частности:
- неопределенности на границах, при этом используя математические свойства моделирования по нормальному закону; и
- предложение решения с временным горизонтом.
Кроме того, в дополнение к более точному показу переходных областей, настоящее изобретение предоставляет возможность получения пространства решений, которое является более точным и непрерывным, чем традиционное решение на основе дискретного пространства.
Устройство автоматической оптимизации согласно изобретению может быть применено во множестве областей, как показано далее в данном документе, и, в частности, в военной области.
Настоящее изобретение дополнительно относится к системе для распределения ресурсов, содержащей такое устройство оптимизации. Оно дополнительно относится к системе для отслеживания и устранения угроз в военной области, в частности, системе типа командования и управления (C2), содержащей распределение вооружений для отслеживания и устранения угроз, упомянутая система содержит:
- первый блок для извлечения информации, относящейся к рассматриваемой ситуации;
- второй блок, содержащий вышеупомянутое устройство оптимизации, для обработки этой информации, чтобы выводить предложение о применении вооружения из нее, сначала определяя окна ведения огня на основе упомянутой информации, и затем выводя предложение о применении вооружения на основе упомянутых окон ведения огня; и
- третий блок для реализации этапа утверждения предложения о применении вооружения, применение вооружения выполняется в соответствии с предложением о применении вооружения, утвержденного посредством упомянутого третьего блока.
Кроме того, преимущественно:
- первый блок содержит, по меньшей мере, один радиолокационный блок, который передает упомянутому устройству информацию, относящуюся к воздушной обстановке окружения области, которая должна быть защищена посредством системы; и/или
- система дополнительно содержит человеко-машинный интерфейс, предоставляющий возможность оператору выполнять подтверждение; и/или
- система дополнительно содержит средство отображения, которое отображает предложение о применении вооружения, утвержденное посредством упомянутого третьего блока.
Настоящее изобретение дополнительно относится к способу автоматической оптимизации плана распределения ресурсов.
Согласно изобретению, упомянутый способ оптимизации, в котором следующие этапы автоматически реализуются:
A) формирование данных и определение, на основе сформированных данных, временных окон доступности и эффективности относительно упомянутых ресурсов; и
B) определение, с помощью упомянутых временных окон, оптимального плана распределения ресурсов, который впоследствии используется,
способ отличается тем, что, во время этапа B), следующие последовательные операции реализуются:
a) задание вероятности в пространстве решений, а именно, упомянутых временных окон, посредством формирования непрерывных функций в качестве функции времени, которая согласуется с упомянутыми временными окнами; и
b) оптимизация плана распределения на основе пространства решений с заданными таким образом вероятностями.
Способ согласно изобретению, следовательно, предоставляет временную вероятностную модель с тем, чтобы оценивать план во всей его полноте, рассматривая фактические ограничения, а также неопределенные пространства, т.е., временную зону, где угроза попадает в радиус действия.
Преимущественно, во время этапа B/a), интерполяция реализуется на основе точек технических характеристик с тем, чтобы получать непрерывную вероятностную модель пространства решений.
Кроме того, преимущественно, во время этапа B/b), выполняется оптимизация методом скопления частиц. Другие традиционные способы оптимизации (генетические алгоритмы, "жадные" алгоритмы и т.д.) также возможны.
Поэтому, настоящее изобретение дополнительно относится к способу для отслеживания и устранения угроз в военной области, содержащей распределение вооружений для отслеживания и устранения угроз.
Это способ, в котором следующие последовательные этапы реализуются:
α) извлечение информации, относящейся к рассматриваемой ситуации;
β) обработка этой информации, чтобы выводить предложение о применении вооружения из нее, сначала определяя окна ведения огня на основе упомянутой информации и затем выводя предложение о применении вооружения на основе упомянутых окон ведения огня, упомянутое предложение о применении вооружения указывает выделение средств поражения и моменты ведения огня для отслеживания и устранения угроз; и
γ) предоставление этапа утверждения предложения о применении вооружения, применение вооружения выполняется согласно предложению о применении вооружения, утвержденного во время этого этапа γ),
способ отличается, согласно изобретению, тем, что, во время этапа β), предложение о применении вооружения определяется посредством реализации вышеупомянутого способа оптимизации.
Изображения на сопровождающих чертежах будут полезны для понимания того, как изобретение может быть воспроизведено. На этих чертежах идентичные ссылочные номера обозначают аналогичные элементы.
Фиг. 1 - это блок-схема устройства согласно изобретению.
Фиг. 2 - это график, объясняющий признаки способа, реализованного посредством устройства согласно изобретению.
Фиг. 3 - это блок-схема системы для отслеживания и устранения угроз с помощью устройства согласно изобретению.
Устройство 1, согласно изобретению и схематично показанное на фиг. 1, предназначено, чтобы выполнять автоматическую оптимизацию плана распределения ресурсов, т.е., определять план, который наилучшим образом оптимизирует распределение различных рассматриваемых ресурсов для конкретных конечных целей, например, вооружений для отслеживания и устранения угроз.
Для этого, устройство 1 оптимизации упомянутого типа содержит:
- средство 4 для ввода данных;
- средство 2 для определения, на основе принятой информации и данных, временных окон доступности и эффективности, в частности, окон ведения огня из вооружений, относительно рассматриваемых ресурсов. Упомянутая информация и данные принимаются от средства 4 для ввода данных через линию 3 связи;
- средство 5, которое соединяется через линию 7 связи с упомянутым средством 2, и которое спроектировано так, чтобы определять, с помощью упомянутых временных окон, оптимальный план распределения ресурсов; и
- пользовательское средство 11, которое использует оптимальный план распределения, определенный средством 5.
В рамках настоящего изобретения средство 4 для ввода данных может содержать:
- средство 12 (устройства или системы, такие как радиолокационный блок, например) для автоматического предоставления данных; и/или
- средство 13 для предоставления возможности оператору вводить данные, в частности, вручную. Упомянутое средство 13 может содержать клавиатуру, мышь, сенсорную панель и т.д. или любое другое традиционное средство, ассоциированное с экраном, например, которое предоставляет возможность оператору вводить данные в упомянутое устройство 1.
Согласно изобретению, упомянутое средство 5 содержит, как показано на фиг. 1:
- элемент 6, который соединяется через линию 7 связи с упомянутым средством 2 и спроектирован так, чтобы задавать вероятности в пространстве решений, а именно, упомянутые временные окна, формируя непрерывные функции как функцию времени, которая согласуется с упомянутыми временными окнами; и
- элемент 8, который соединяется через линию 9 связи с элементом 6 и сформирован так, чтобы оптимизировать план распределения на основе пространства решений с заданными таким образом вероятностями.
Элемент 8 затем передает оптимальный план распределения через линию 10 связи пользовательскому средству 11. Пользовательское средство 11 является средством, которое использует оптимальный план распределения, определенный средством 5. Это пользовательское средство 11 содержит, например, блок отображения (который отображает этот оптимальный план распределения на экране) или средство печати (которое печатает оптимальный план распределения). Средство 11 может формировать человеко-машинный интерфейс со средством 13.
В конкретном варианте осуществления, элемент 6 реализует интерполяцию на основе точек технических характеристик с тем, чтобы получать непрерывную вероятностную модель пространства решений (временных окон доступности и эффективности). Интерполяция этого типа может быть реализована точно и эффективно с помощью традиционной интерполяции с помощью кривой Безье, например.
Моделирование, реализуемое посредством устройства 1, основывается на традиционных законах вероятности (гауссовский, пуассоновский и т.д.). Это решение предоставляет возможность:
- определения вероятности успеха как функции времени; и
- прогнозирования плана распределения в перспективе.
Должно быть отмечено, что преимуществом пространств с заданными вероятностями является то, что существует главная математическая теория, относящаяся к комбинации событий (самостоятельных или несамостоятельных), что делает этот подход даже более надежным.
В качестве иллюстрации, фиг. 2 (где показывается вероятность P как функцию времени T) показывает кривую G вероятности, которая является кривой доступности и эффективности и смоделирована как сумма двух гауссовых функций F1 и F2.
Кроме того, в конкретном варианте осуществления, элемент 8 использует способ оптимизации, который основан на принципе оптимизации методом скопления частиц, который определен, например, в статье Leboucher, Chelouah, Siarry и Le Menec, "A Swarm Intelligence Method Combined to Evolutionary Game Theory Applied to the Resources Allocation Problem" и опубликованной в журнале "International Journal of Swarm Intelligence Research (IJSIR)", том 3, сс. 20-38, 2012 г.
Упомянутое устройство согласно настоящему изобретению может быть применено во множестве областей.
В предпочтительном применении упомянутое устройство 1 формирует часть системы 15 для отслеживания и устранения угроз в военной области, в частности командного и контролирующего типа, содержащей распределение вооружений, в частности, ракет, для отслеживания и устранения угроз (как правило, воздушных целей).
Эта система 15 содержит, как показано на фиг. 3:
- средство 12, которое содержит, по меньшей мере, один радиолокационный блок 16, который передает информацию устройству 1 через линию 3 связи относительно воздушной обстановки окружения области, которая должна быть защищена посредством системы 15. Это средство 12 может уже формировать часть (по меньшей мере, частично) устройства 1 или может быть выделено для системы 15. Радиолокационный блок 16 обнаруживает угрозы и передает соответствующую информацию, в частности, позицию и кинематику целей;
- упомянутое устройство 1 обрабатывает эту информацию, чтобы выводить предложение о применении вооружения из нее, сначала определяя окна ведения огня с помощью средства 2 на основе упомянутой предварительно отформатированной информации и затем выводя, с помощью средства 5, предложение о применении вооружения на основе этих окон ведения огня. Это предложение применения вооружения является оптимальным планом распределения, который указывает выделение средств поражения и планирует моменты ведения огня или время для отслеживания и устранения угроз; и
- средство 17 для реализации этапа утверждения предложения о применении вооружения, принятого от устройства 1 по линии 10 связи. Утверждение выполняется оператором с помощью средства 18 (формирующего часть вышеупомянутого человеко-машинного интерфейса, например), которое соединено через линию 19 связи с упомянутым средством 17.
Затем, применение вооружения выполняется в соответствии с предложением о применении вооружения, утвержденным посредством упомянутого средства 17 и переданным по линии 20 связи, например, средству отображения (не показано). Средство 17 и устройство 1 (в частности, его средства 2, 6 и 8) являются частью блока 21 обработки информации, например.
Обработка, реализуемая посредством различных средств устройства 1, будет описана подробно далее в данном документе.
На основе информации, предоставленной радиолокационным блоком 16, информация подвергается постобработке посредством устройства 1, так что она может быть использована. Эта обработка делится на две подзадачи: вычисление возможности подготовки ракет к рассматриваемой угрозе и оптимизация последовательности ведения огня для того, чтобы оптимизировать обработку всех угроз.
Вычисление возможности подготовки, которое традиционно реализуется средством 2, подразумевает преобразование информации, предоставленной радиолокационным блоком 16 и отформатированной, в окна ведения огня для того, чтобы вычислять наилучшую последовательность ведения огня с точки зрения плана применения вооружения. Для этого, средство 2 вычисляет, например, пересечение между путем и объемом, входными данными которых является кинематика угрозы и технические характеристики вооружений. Средство 2 предоставляет временные окна ведения огня, которые возможно могут быть разделены на множество частей.
Средство 5 затем определяет предложение о применении вооружения как функцию этих окон ведения огня.
Средство 5, поэтому, использует окна ведения огня в качестве входных данных и, после того как оптимальное решение было определено, оно предоставляет набор решений следующего типа: {Ракета; Угроза; Время ведения огня}.
Для этого, элемент 6 средства 5 сначала задает вероятности в пространстве решений, а именно упомянутые окна ведения огня, формируя непрерывные функции, моделирующие упомянутые окна ведения огня.
Как указано выше, в пространстве решений могут быть заданы вероятности с помощью системы простой интерполяции на основе точек технических характеристик. Интерполяция этого типа может быть точно и эффективно реализована с помощью интерполяции с помощью кривой Безье, например. Например, непрерывная вероятностная модель пространства решений получается на основе реальных точек технической характеристики, т.е., вероятности успеха ведения огня как функции момента (или времени) ведения огня.
Решение должно принимать во внимание три важных момента: ассоциирование ракет для обработки одной угрозы, возможность планирования вторжения с временным горизонтом и определение критерия, т.е., общего показателя, например, на основе возможности системы иметь дело с любым типом сценария. Устройство 1 согласно изобретению предоставляет возможность принимать во внимание эти различные аспекты.
Подход с заданием вероятностей на основе последовательности временных событий, которые могут рассматриваться как самостоятельные или несамостоятельные, моделируется известным образом. Поэтому, объединение ракет с тем, чтобы перехватывать одну цель, может быть определено количественно очень точно. Подход, принимаемый во внимание устройством 1, на основе прогнозирования с временным горизонтом, предоставляет возможность изучения всех возможных комбинаций в единицах используемых ракет и времени. Поэтому, целью является больше не оптимизация только одной пары {Ракета 1 - Ракета 2}, а оптимизация триплета {Ракета 1 - Ракета 2 - Время перехвата}.
Как указано выше, планирование с временным горизонтом является необходимым для того, чтобы успешно выполнять задачу. Выбор непрерывной функции относительно времени моделирования значительно улучшает точность используемой модели.
Что касается оптимизации, реализуемой посредством элемента 8, как и в случае для какой-либо проблемы оптимизации, определение показателя, который предоставляет возможность сравнивать решения друг с другом, является необходимым. Предложенный подход, поэтому, основывается на вероятностях. Качество решения, поэтому, необходимо определять по вероятности. Действительно, предложенная модель основывается на последовательности самостоятельных или несамостоятельных событий, для которых правила ассоциирования математически известны. Общий критерий для оценки решения может, таким образом, быть основан на общей вероятности того, что все угрозы обработаны, или альтернативно на выживании определенной зоны. Два подхода могут также быть объединены.
Настоящее изобретение предоставляет возможность преодоления следующих двух проблем:
- моделирование неопределенностей, ассоциированных с контекстом, и вероятность более хорошего и долговременного прогноза применения вооружения, принимая во внимание ситуацию, которая постоянно развивается со временем; и
- решение проблем на границах областей способности подготовки для более реалистичного моделирования.
Устройство 1 было описано выше в применении с системой 15 C2-типа. Однако, множество других применений возможно в области планирования задачи и/или управления задачей, и, в частности, в следующих отраслях: гражданская или военная авиация (подготовка к вылету для систем вооружения), автономные гражданские или военные системы (дроны), воздушные перевозки (администрация аэропорта), область обычной логистики, транспортная область (железнодорожный транспорт, управление дорожным движением, грузовые перевозки и т.д.).