Программные продукты и системы

Для решения поставленной задачи в работе предлагается использовать методы имитационного моделирования и методы оценки адекватности имитационного моделирования в тренажерах по их информационному полю.

Варианты представления имитационного моделирования в тренажерах

Обобщенно структуру информационной системы освоения (тренажер) эргатических радиоэлектронных объектов (РЭО) можно представить так, как показано на рисунке 1, где x(t) – вектор воздействий оператора на органы управления в момент времени t; XM(x) – имитируемое информационное поле; WM j – входной сигнал имитационной модели; WM – отклик имитационной моде- ли [1, 2].

Будем считать, что в тренажере используются реальные рабочие места операторов (реальные средства индикации и органы управления РЭО). Поэтому результирующая адекватность такого тренажера будет зависеть только от адекватности имитационной модели РЭО [3, 4]. Так, например, имитационная модель тренажера группы руководства полетами (ГРП) по управлению воздушным движением (УВД) в ближней зоне аэродрома в обобщенном виде представляет собой систему [5], имеющую иерархическую структуру построения, изображенную на рисунке 2.

Функционал W характеризует моделируемый процесс системы УВД в ближней зоне аэродрома и выражается через функционалы подсистем ближайшего нижнего уровня, играющие роль агрегированных переменных:

W=f(WУВД, WЛА),                                                     (1)

где WУВД – функционал, характеризующий работу системы УВД в ближней зоне аэродрома; WЛА – функционал, характеризующий динамику изменения относительного положения летательного аппарата (ЛА), работу их оборудования.

В свою очередь, функционалы WУВД и WЛА, соответственно, выражаются через функционалы подсистем следующего ближайшего нижнего уровня, играющие роль агрегированных переменных:

WУВД =f1(WГРП, WPТO, WВП);                            (2)

WЛА =f1(Wп пол, Wман),                                       (3)

где WГРП, WЛА, WВП – функционалы работы, соответственно, рабочих мест лиц ГРП, наземных средств радиотехнического обеспечения (РТО) полетов, моделирующего устройства, имитирующего воздушное пространство (трасс полетов Wтрасс, пилотажных зон Wзон, аэродромов взлета и посадки Wаэр, воздушной среды и помех WВС п); Wп пол, Wман – функционалы работы соответственно комплексов программ, имитирующих планы полетов ЛА (количество ЛА Wкол ЛА, маршруты движения ЛА Wмаршрут, опасные случаи Wоп сл, различные режимы полета ЛА Wреж, траекторные точки Wтр точки и т.д.) и движения ЛА.

Помимо указанных функционалов, в моделирующее устройство тренажных средств ГРП входит комплекс программ, характеризующий функционирование зенитно-ракетных комплексов (ЗРК), движение ракет и т.д. [6].

Функционалы WУВД, WЛА выражаются через функционалы подсистем следующего ближайшего нижнего уровня и т.д. до нижнего уровня, для которого входными сигналами будут воздействия лиц ГРП на объект УВД, выполняемые ими на основе информации X индикаторов кругового обзора (ИКО) о воздушной обстановке.

Сравнение функционала реального взаимодействия системы УВД и ЛА с моделируемым в тренажере ГРП позволяет оценить адекватность результатов имитационного моделирования в тренажном средстве ГРП, что не противоречит понятию адекватности тренажера лиц ГРП [7].

Известно, что информация X(x) в схемном построении для случая УВД в ближней зоне аэродрома характеризуется моментом t(x) появления и длительностью t(x) нахождения отметки о ЛА на информационном поле руководителя ближней зоны [2]. Причем X(x) имеет место, когда существуют и момент t(x), и длительность t(x). Поэтому при оценке адекватности имитационного моделирования по информационному полю необходимо учитывать вероятность адекватности tT(x) и tT(x) тренажных средств ГРП параметрам t(x) и t(x), характерным для штатной техники.

Таким образом, оценка адекватности может быть выполнена на основе анализа как информационного поля рабочих мест лиц ГРП (например, информации, отображаемой на ИКО), так и функционала W тренажеров лиц ГРП.

Для исследователя адекватности тренажера имитационная модель РЭО может выступать в роли либо «белого», либо «серого», либо «черного ящика».

Так, под «белым ящиком» следует понимать имитационную модель РЭО с известной структурой описания модели и самого РЭО, под «серым» – с частично известной структурой описания, под «черным» – с неизвестной структурой описания.

Очевидно, что наличие такой разновидности структуры описания РЭО и их имитационных моделей должно накладывать специфические особенности на механизм проведения исследований адекватности имитационного моделирования в тренажерах РЭО.

Далее определим методы вероятностной оценки степени адекватности имитационного моделирования в тренажерах с учетом отмеченных особенностей их представления.

Оценка адекватности имитационного моделирования в тренажерах по их информационному полю

Пусть исследователю доступны только статистические данные реального вектора воздействий x(t) и информационного поля X(x) РЭО. На основании статистических данных реального вектора воздействий x(t) исследователь с помощью имитационной модели получает статистические данные имитируемого информационного поля XM(x) тренажера. С учетом этого оценка адекватности имитационной модели в тренажере РЭО возможна лишь на основании сопоставления доступных и получаемых исследователем статистических данных X(x) и XM(x) (рис. 3).

С учетом этого необходимо разработать метод вероятностной оценки степени адекватности имитационного моделирования в тренажерах в виде «черного ящика», то есть когда неизвестна структура построения, а доступны только информационно-управляющие поля тренажеров и штатной техники.

Информационное поле X(x) РЭО можно представить в виде следующего функционала:

X(x)= Ф(X1(x), X2(x), …, Xm(x), …, XM(x)),  (4)

где Xm(x) – информационное поле m-го средства индикации; M – количество средств индикации.

В качестве средств индикации в РЭО могут использоваться стрелочные, цифровые, световые, электронно-лучевые, звуковые, речевые и другие индикаторы [2].

В зависимости от продолжительности Tm времени наблюдения оператора за информационным полем Xm(x) m-го средства индикации и длительности Tm времени, в течение которого оно либо остается неизменным, либо изменяется монотонно, его можно разбить на две группы:

–      если Tm£tm(x), то Xm(x) непрерывной структуры ();

–      если Tm>tm(x), то Xm(x) скачкообразной структуры ().

Адекватность информационного поля непрерывной структуры  m-го индикаторного средства действительности определяется как

=P[|–|£

£],                                             (5)

где  – имитируемое информационное поле m-го индикатора.

Адекватность информационного поля скачкообразной структуры  m-го индикаторного средства действительности зависит от времени начала tm и длительности tm его индикации (tm зависит от времени tm). С учетом этого имеем:

= =,    (6)

где  и  – условные адекватности синхронизации индикации скачкообразной информации, которую в течение промежутка времени tm можно считать непрерывной:

=

=P[|–|=0];                      (7)

=

=P[|–|=0].                       (8)

Здесь  и  – начало и длительность имитации информационного поля  m-го индикаторного средства.

В рассматриваемом случае метод вероятностной оценки степени адекватности имитационного моделирования в тренажерах должен базироваться на разложении информационно-управляющих полей тренажеров и РЭО [8].

В соответствии с (4) и с учетом соотношений (6) и (7) адекватность имитации информационного поля в тренажере РЭО можно представить в следующем виде:

=++

++

++

+,                     (9)

где , , , ,  – весовые коэффициенты. Причем +++ ++=1.

Весовые коэффициенты характеризуют степень значимости информационных полей различных структур при решении конкретных задач применения РЭО. Они могут определяться экспериментально (например, на основании экспертного анализа) или (и) аналитически по экспериментальным данным (например, на основании регрессионного анализа) [9].

Для независимых информационных полей непрерывной и скачкообразной структур соответствующих средств индикации , ,  Следовательно, из соотношения (9) получается, что адекватность информационного поля Xm(x) тренажера РЭО действительности будет иметь вид

=+,

+=1.                                          (10)

Рассмотрим особенности оценки адекватности имитации информационных полей наиболее распространенных индикаторных средств РЭО.

Стрелочные индикаторы информируют о величинах контролируемых параметров РЭО в соответствии с углом отклонения стрелки индикаторного прибора относительно измерительной шкалы (например, величина питающего напряжения конкретного блока, величина тока магнетрона передатчика и т.п.). В зависимости от структуры информационного поля адекватность имитации стрелочных индикаторов действительности может оцениваться либо в форме (5), либо в форме (6).

Алфавитно-цифровые индикаторы информируют о величинах контролируемых параметров РЭО в соответствии с высвечивающимися буквами и цифрами (например, дальность и азимут до цели, частота радиолинии и т.п.).

Алфавитно-цифровые индикаторы имеют скачкообразную структуру информационных параметров (изменение цифр и букв происходит скачкообразно). Очевидно то, что пользоваться в явном виде (6) не совсем корректно. В некоторых случаях изменение цифры или буквы в пределах  0, …, 15 % может привести к изменению их смысловой нагрузки. Например, должна быть буква J, а имитируется буква I, или должна быть цифра 6, а имитируется 5, или должна быть буква O, а имитируется цифра 0. Во избежание таких недоразумений в (6) необходимо принять

=P[|–|=0].                 (11)

Световые индикаторы информируют об особых ситуациях, возникающих в процессе эксплуатации РЭО (например, включение высокого напряжения, переход на резервный блок и т.п.). Степени важности ситуации может соответствовать определенный цвет светового индикатора (например, красный – опасно, желтый – внимание, зеленый – норма). Эти индикаторы так же, как и алфавитно-цифровые, характеризуются информационными параметрами скачкообразной структуры (включение и выключение светового индикатора происходит скачкообразно). Очевидно и то, что использовать в явном виде (6) некорректно. В некоторых случаях изменение параметров цвета индикатора в пределах 0, …, 15 % может привести к изменению его смысловой нагрузки. Например, должен быть цвет «желтый», а имитируется цвет «зеленый». Во избежание таких недоразумений в (6) в качестве  необходимо принять (11). Если же в тренажере используются реальные световые индикаторы постоянного цвета, то =1. С учетом этого имеем:

=.                    (12)

Звуковые и речевые индикаторы обеспечивают информацию, соответствующую целевому взаимодействию РЭО с окружающей средой (например, прием речевых сообщений от объектов среды, включение зуммера при пропадании цели и т.д.). Кроме того, данные индикаторы информируют об особых ситуациях, возникающих в процессе эксплуатации. Эта информация может быть в виде либо звукового сигнала тревоги (например, пропадание высокого напряжения, пожар в аппаратной и т.п.), либо только речевого сигнала тревоги (например, «цель не опознана»), либо речевого сигнала с подсказкой оператору о его действиях (например, «вас прослушивают – перейдите на другую радиочастоту»). Так как искажение звуковых и речевых сигналов на 10, …, 15 % не нарушает их информативной смысловой нагрузки и они имеют скачкообразную структуру (либо есть звуковой сигнал, либо его нет), для оценки адекватности их имитации в тренажере можно воспользоваться соотношением (6).

Электронно-лучевые индикаторы являются наиболее сложными средствами индикации и обеспечивают различного рода визуальную информацию в зависимости от целевого назначения РЭО (о спектре радиосигналов – в станциях радиотехнической разведки, о воздушной обстановке – в радиолокационных станциях, об оптическом изображении предметов окружающей среды – в телевизионных, тепловизионных станциях и т.п.). Информационное поле этих индикаторов образуется из совместной совокупности как непрерывных, так и скачкообразных информационных параметров. Поэтому адекватность имитации информационного поля этих индикаторов может быть получена по аналогии с соотношением (9).

При этом в качестве  и  может использоваться информационное поле от m-й элементарной площади Sm экрана электронно-лучево­го индикатора. Под Sm понимают минимальную площадь изображения, еще воспринимаемую человеческим глазом и являющуюся базисом для его формирования (зависит от расстояния между оператором и экраном индикатора, индивидуальных особенностей оператора). Известно, что основой формирования изображения на экране электронно-лучевых индикаторов являются электронные лучи. Электронный луч на поверхности экрана характеризуется площадью свечения Sc. Очевидно, что если Sc, где Sci – i-я площадь свечения. Если же Sc³Sm, то Sm

Элементарная площадь Sm обладает схожими свойствами светового и стрелочного индикаторов, характеризующими адекватность их имитации.

Свойства светового индикатора выражены в свечении " Sm либо постоянным (для монохромных электронно-лучевых индикаторов), либо переменным цветом (для цветных электронно-лучевых индикаторов).

Свойства стрелочного индикатора выражены в месторасположении Sm на поверхности экрана. Местоположение Sm в зависимости от формы экрана удобно определять в прямоугольной системе координат для прямоугольных, квадратных экранов и в полярной системе координат для круглых, эллиптических экранов.

С учетом этого для оценки адекватности имитации информационного поля непрерывной структуры  можно воспользоваться следующим соотношением:

=,      (13)

где Cm(x) – цвет свечения Sm; Xm(x) и Ym(x) – координаты центра Sm на поверхности экрана (Cm(x), Xm(x), Ym(x) – независимые информационные параметры Sm).

Причем адекватность имитации координат g(Xm(x)) и g(Ym(x)) местоположения элементарной площади Sm на экране определяется в форме (6), адекватности имитации цвета ее свечения g(Cm(x)) в форме (11).

В свою очередь, оценка адекватности имитации информационного поля скачкообразной структуры  определяется по соотношению (6) с учетом (12).

Таким образом, на основании (9), учитывая особенности количественной оценки адекватности  и  имитируемых информационных полей средств индикации, используемых в тренажерах РЭО в зависимости от их структуры ( или ), имеется возможность определения результирующей оценки адекватности g(X(x)) всего информационного поля тренажера XM(x) по отношению к действительности X(x):

g(X(x))=P[|X(x) – XM(x) |£{0,1 … 0,15}X(x)].         (14)

Сами оценки адекватности в формах (5), (7), (8) и (11) можно выполнить на основании использования статистических критериев.

Очевидно, что если в качестве средств индикации и органов управления используются нереальные устройства (имитируемые, например, на экране дисплея компьютера), то оценка адекватности информационного поля X¢ имитируемых индикаторных средств будет определяться в следующем виде [10]:

g(X¢(x¢))=g(X(x)) ,    (15)

где  – условная адекватность имитации средств индикации;  – условная адекватность вектора воздействий x(t);  – условная адекватность имитации органов управления; x¢ – вектор воздействий на имитируемые органы управления.

Результаты оценки адекватности по критерию Фишера имитационного моделирования исследуемого уровня иерархии РЭО могут быть исходными [3] как для оценки адекватности имитационного моделирования следующего ближайшего верхнего уровня, так и для уточнения его адекватности (по статистическому критерию «Фишер – Хи-квадрат» [1, 4– 6]).

Необходимо отметить, что некоторые функционалы подсистем не имеют частных производных (например, функционалы со скачкообразной структурой). Если эту проблему невозможно устранить за счет объединения таких подсистем в подсистемы более высокого уровня, у которых функционалы имеют частные производные, то применим только метод оценки адекватности тренажера в виде «черного ящика».

Литература

1.     Потапов А.Н., Овчаров В.В. Оценка адекватности имитационного моделирования в информационных автоматизированных системах освоения эрготехнических комплексов, имеющих иерархическую структуру построения // Вестник ВГТУ. 2013. Т. 9. № 3–1. С. 45–48.

2.     Дудоров А.Д. Методика оценки тренажеров лиц группы руководства полетами в интересах повышения качества их подготовки // Современные проблемы и перспективные направления развития авиационных комплексов и систем военного назначения, формы и способы их боевого применения: сб. стат. Всеросс. науч.-практич. конф. (22–23 ноября 2011 г.). Воронеж: Изд-во ВАИУ, 2011. С. 92–98.

3.     Сысоев Е.С. Оптимизация тренажерной подготовки операторов сложных информационных радиоэлектронных систем управления воздушным движением // Информатика: проблемы, методология, технологии: матер. 11-й Междунар. науч.-методич. конф. (10–11 февраля 2011 г.). Воронеж: Изд-во ВГУ, 2011. Т. 2. С. 216–222.

4.     Лебедев В.В., Романов А.В. Теоретико-множествен­ный подход к описанию функционирования эрготехнических радиоэлектронных средств // Проблемы эффективности и безопасности функционирования сложных технических и информационных систем: тр. 32-й Всеросс. науч.-технич. конф. (27–28 июня 2013 г.). Серпухов: Изд-во ВА РВСН им. Петра Великого, 2013. С. 118–122.

5.     Помазуев О.Н., Платонов А.Ю., Миронов А.М., Абу-Абед Ф.Н., Рюмшин А.Р. Методика определения показателей качества обнаружения радиолокационных станций // Программные продукты и системы. 2014. № 2. С. 118–124.

6.     Агапов Е.А. Проектирование автоматизированных информационных систем освоения эрготехнических комплексов // Эффективность автоматизированных систем управления авиацией, систем связи и РТО ВВС. Ногинск, 2012. С. 112–118.

7.     Кинчая О.Т. Структура построения автоматизированной системы управления операторской деятельностью // Актуальные вопросы эксплуатации систем охраны и защищенных телекоммуникационных систем: сб. матер. Всеросс. науч.-практич. конф. (5 июня 2014 г.) Воронеж: Изд-во ВИ МВД России, 2014. С. 95–99.

8.     Литвинов Д.В. Состояние вопроса по защите содержательных компонентов учебных упражнений от конфликта применения эрготехнических систем // Современное состояние и перспективы развития систем связи и радиотехнического обеспечения в управлении авиацией: сб. стат. по матер. докл. Всеросс. науч. конф. слушателей, курсантов и молодых ученых, посвященной 95-летию со дня образования войск связи (10 октября 2014 г.). Воронеж: Изд-во ВУНЦ ВВС ВВА, 2014. С. 53–56.

9.     Назаров Т.И. Сопутствующие признаки функционирования информационных эрготехнических радиоэлектронных систем // Информатика: проблемы, методология, технологии: матер. 14-й Междунар. науч.-методич. конф. (6–8 февраля 2014 г.). Воронеж: Изд-во ВГУ, 2014. Т. 1. С. 486–491.

10.  Семин М.В. Структура построения информационной математической модели эрготехнического объекта управления // Эффективность автоматизированных систем управления авиацией, систем связи и РТО ВВС. Ногинск, 2012. С. 118–126.