Научно-методический подход к формированию рационального парка беспилотных летательных аппаратов, предназначенных для решения заданного перечня задач

Введение

Ведущие эксперты в области военной науки и техники в настоящее время представляют многочисленные оценки применения беспилотных летательных аппаратов от небольших адаптированных коммерческих моделей до более сложных систем военного назначения. Основными задачами этих аппаратов являются разведка, целеуказание, корректировка огня, радиоэлектронная борьба и огневое поражение целей как в интересах сухопутный войск, так и военно-морских сил [1–3].

С точки зрения разведки беспилотные летательные аппараты (БЛА) играют ключевую роль в предоставлении разведывательных данных о передвижениях и позициях войск противника в режиме реального времени. Это позволяет планировать и проводить операции с большой эффективностью. БЛА используются также для прямых атак, в том числе в виде барражирующих боеприпасов. Эта тактика оказалась особенно эффективной при решении задач поражения танков, бронемашин, артиллерийских и ракетных систем, укрепленных пунктов и других важных целей.

Опыт ведения современных боевых действий внимательно изучают западные военные аналитики и делают определенные выводы [2][3]. Они полагают, что роль вертолетов в будущих военных конфликтах изменится в соответствии с новым подходом, направленным в первую очередь на совместное и согласованное применение как пилотируемой, так и беспилотной авиационной техники, а также других роботизированных систем в едином контуре управления.

Одним из важных направлений при создании смешанных группировок пилотируемых вертолетов и БЛА является разработка методик формирования состава группировок (парка) БЛА различного назначения для совместного применения с пилотируемыми вертолетами [4–6].

Методические основы формирования рационального парка

Методические основы и программные средства формирования рационального вертолетного парка, решающего заданный перечень задач, рассматривались ранее в ряде работ [7–9], относительно же беспилотных летательных аппаратов вертолетного типа (БЛА ВТ) данные направления в настоящее время только начинают свое развитие.

Учитывая большую размерность решаемой задачи и сложную иерархическую взаимосвязь составляющих ее элементов, целесообразно представить вербальную постановку и провести декомпозицию исходной задачи на ряд этапов.

Вербальная постановка задачи выражается в следующем виде.

Заданы:

• описание ситуационной обстановки и перечень задач, для выполнения которых предназначается парк БЛА ВТ на заданном временном интервале [t₀, t_к];
• ассигнования на создание парка разнотипных БЛА ВТ и требования к эффективности задач, которые должны быть выполнены парком БЛА ВТ.

Требуется: определить рациональную совокупность разнотипных БЛА ВТ, входящих в состав парка, отвечающую наибольшей эффективности при заданных затратах либо заданной эффективности при минимальных затратах на ее создание, а также определить требования к характеристикам БЛА ВТ, входящих в ее состав.

Общая схема декомпозиции исходной задачи на этапы 1–5 представлена на рис. 1, где обозначено следующее.

Этап 1

Заданы:

• перечень задач, для решения которых предназначен парк БЛА ВТ;
• условия и описание функцио­ниро­ва­ния БЛА ВТ при решении задач [10].

Требуется: сформировать требования к БЛА ВТ при решении задач.

Этап 2

Заданы:

• число задач (m) и их краткое обо­зна­чение;
• запрещенные сочетания множеств одноцелевых (ОЦ) и многоцелевых (МЦ) БЛА ВТ.

Требуется: сформировать множество ОЦ и МЦ БЛА ВТ с учетом их разрешенных сочетаний исходя из требований и условий выполнения задач.

Этап 3

Заданы:

• множество ОЦ и МЦ БЛА ВТ;
• множества исходных данных для фор­мирования обликов БЛА ВТ.

Требуется:

• определить основные параметры и ха­рактеристики (облики) БЛА ВТ [11–13];
• значения показателей эффективности решения каждой i-й задачи j-м ОЦ и МЦ БЛА ВТ ;
• стоимость каждого отдельного ОЦ и МЦ БЛА ВТ.

Этап 4

Заданы:

• эффективность ОЦ и МЦ БЛА ВТ при решении задач.

Требуется: определить m зависимостей (по числу задач) вида , отражающих изменение эффективности решения задачи в зависимости от количества ОЦ и МЦ БЛА ВТ.

Этап 5

Заданы:

• матрица ОЦ и МЦ БЛА ВТ, из ко­торых формируются варианты парка;
• зависимости вида для каждой из задач;
• ожидаемые расходы на создание каж­дого типа БЛА ВТ;
• уровень располагаемых ассигнований.

Требуется: определить рациональный состав парка разнотипных БЛА ВТ с соответствующими тактико-техническими характеристиками, отвечающего требованию максимальной эффективности при заданных ассигнованиях.

В качестве основного критерия определено максимально возможное достижение эффективности решения совокупности задач парком БЛА ВТ в течение программного периода при заданных располагаемых ассигнованиях.

dt,

при

где q_i – коэффициент важности задач;

U_i – эффективность i-й задачи;

– располагаемые ресурсы.

Согласно Положению о создании авиационной техники военного назначения и авиационной техники специального назначения боевая эффективность образца авиационной техники определяется как степень приспособленности к выполнению боевых и специальных задач в соответствии с его предназначением. Критерий эффективности – это правило принятия решения. Он формируется на основе показателя эффективности для каждой i-й задачи U_i. Например, для задачи поражения наземных целей критерий эффективности – математическое ожидание пораженных целей противника, для задачи разведки и целеуказания на заданном секторе – доля осмотренной площади от заданной за операцию. При этом для автоматизированного решения задачи используются относительные показатели эффективности – относительный уровень решения i-й задачи от требуемого (заданного).

Представление общей задачи в виде ряда объединенных логическими связями этапов позволяет:

• провести структурный анализ задачи в целом;
• определить последовательность выпол­не­ния этапов (в работе она соответствует их нумерации), их содержание и направления потоков данных;
• определить меру участия в работе спе­циалистов смежных профилей (оборудование, экономика и т. д.);
• выделить основные направления раз­работок и необходимый научно-техни­ческий задел.

В общем случае БЛА ВТ могут быть классифицированы по конструктивно-аэродина­мической схеме (типам), по назначению и основным параметрам и характеристикам.

Область возможных решений при формировании парка БЛА ВТ определяют:

1) М = – число задач, для выполнения которых предназначается парк БЛА ВТ;

2) S = – число типов БЛА ВТ (одновинтовые, соосные, многороторные);

3) (X, L, B)_s – множества параметров и характеристик, определяющих облик БЛА ВТ:

X – оптимизируемые параметры;

L – параметры и характеристики БЛА ВТ, его подсистем, численные значения которых принимаются постоянными;

B – данные, характеризующие условия применения и базирования;

4) Z – количество возможных назначений ОЦ и МЦ БЛА ВТ в составе парка (типаж БЛА ВТ в составе парка);

5) N – число вариантов комплектаций парка БЛА ВТ, состоящего из ОЦ и МЦ БЛА ВТ.

Граничными точками теоретического множества возможных вариантов комплектации парка БЛА ВТ по назначению являются:

– парк, состоящий из М разнотипных ОЦ БЛА ВТ, каждый из которых решает отдельную задачу из множества М = (рис. 2);

– парк, состоящий из однотипных МЦ БЛА ВТ, каждый из которых решает весь перечень задач (рис. 3).

Промежуточными вариантами множества комплектации парка БЛА ВТ по назначению могут быть парки, состоящие из ОЦ и МЦ БЛА ВТ в различных сочетаниях (рис. 4).

Количество сочетаний Z = m_mⁿ по каждому из значений n = 1, 2, ..., m (количество задач, решаемых одним БЛА ВТ) определяется из выражения для определения числа сочетаний из m по n

Для примера ниже приведено полное разбиение множества из m = 6 (для шести назначений БЛА ВТ).

При n = 1 в состав парка будут входить шесть одноцелевых БЛА ВТ, предназначенных для решения следующих задач (рис. 5):

1 – разведка и целеуказание (РЦ);

2 – поражение наземных целей (ПНЦ);

3 – радиоэлектронная борьба (РЭБ);

4 – поисково-спасательное обеспечение (ПСО);

5 – ретрансляция сигналов (РС);

6 – транспортировка грузов (ТГ).

m_mⁿ =.

При n = 2 в состав парка будут входить 15 двухцелевых БЛА ВТ, предназначенных для решения следующих задач (рис. 6):

m_mⁿ =.

При n = 3 в состав парка будут входить 20 трехцелевых БЛА ВТ, предназначенных для решения следующих задач (рис. 7):

m_mⁿ =

При n = 4 в состав парка будет входить 15 четырехцелевых БЛА ВТ, предназначенных для решения следующих задач (рис. 8):

m_mⁿ =.

При n = 5 в состав парка будет входить шесть пятицелевых БЛА ВТ, предназначенных для решения следующих задач (рис. 9):

m_mⁿ =.

При n = 6 в состав парка будет входить один шестицелевой БЛА ВТ, предназначенный для решения следующих задач (рис. 10):

m_mⁿ =

Таким образом, при m = 6 в состав парка может быть теоретически включено Z = 6 + + 15 + 20 + 15 + 6 + 1 = 63 типа одноцелевых и многоцелевых БЛА ВТ, формирующих различные варианты комплектации парка.

Из этих элементов, как из деталей конструктора, можно набирать самые разные сочетания многоцелевых БЛА ВТ при соблюдении условия, что каждый вариант комплектации парка должен решать весь заданный перечень задач.

Для случая неповторения одного и того же целевого назначения в нескольких БЛА ВТ, входящих в состав парка, количество вариантов парков можно определить как число всех возможных разбиений m – элементного множества на непересекающиеся подмножества, обозначаемое В_m (числа Белла) [14].

,

где B(0) = 1;

C(m,n) – биномиальный коэффициент, который представляет собой количество способов выбрать n элементов из m.

Алгоритмически процедура формирования вариантов парков сводится к комбинаторной задаче определения всех возможных разбиений множества {1, 2..., m}, количество которых выражается числами Белла (В_m) для любого заданного m (табл. 1).

Еще один способ определения числа всех возможных разбиений m – вычисление через числа Стирлинга второго рода [15].

,

где – общее количество разбиений из m элементов на n множеств.

Необходимо отметить, что число возможных разбиений (вариантов парков) с увеличением числа задач m растет экспоненциально.

В случае повторения целевого назначения в различных БЛА ВТ (наиболее общий случай) число возможных вариантов комплектаций парка возрастает лавинообразно (табл. 2).

Анализ области возможных решений позволил сделать предварительную оценку размерности задачи. Сравнительная оценка таких количеств вариантов комплектации парков разнотипных БЛА ВТ требует многих часов машинного времени. В таких условиях применение методов прямого перебора без использования специальных мер сокращения области возможных решений может привести к серьезным вычислительным трудностям.

С учетом изложенного в процессе исследования были разработаны меры, позволяющие свести задачу к разряду практически решаемых. К ним относятся:

– ограничение числа задач, решаемых одним БЛА ВТ, исходя из реальных условий применения и возможности размещения на борту специального оборудования (m' < 2–3 не больше двух-, трехцелевых);

– исключение из исходного множества многоцелевых БЛА ВТ тех из них, которые не могут быть реализованы из практических или технических соображений (определение запрещенных и разрешенных сочетаний задач);

– исключение из рассмотрения БЛА ВТ, эффективность которых хотя бы по одной задаче окажется меньше заданного минимального уровня ;

– применение специальных (взамен объемных стандартных) алгоритмов для решения сложных комбинаторных задач.

Для определения запрещенных и разрешенных сочетаний задач формируется матрица сочетаний. Так, для бинарных сочетаний фрагмент этой матрицы представлен на рис. 11.

Следующее сокращение, теперь уже сортированного множества БЛА ВТ, проводится исходя из минимально допустимого уровня эффективности решения различных задач одним БЛА ВТ. Здесь под понимается тот расчетный относительный уровень решения возложенных на БЛА задач, который имеет смысл учитывать в дальнейших исследованиях вариантов парков.

Минимальный уровень решения задач, как правило, определяется экспертным путем для каждой задачи и считается известным. Выраженный в относительной форме, он обычно заключается в диапазоне (0,2–0,3) от максимального уровня эффективности оптимального одноцелевого БЛА (). Тогда все многоцелевые БЛА ВТ, для которых справедливо условие ≤ 0,2 хотя бы для одной из задач, считаются практически нереализуемыми и из дальнейшего рассмотрения исключаются.

Определение потребного количества БЛА ВТ

Следующей важной задачей при формировании парка БЛА ВТ является определение их потребного количества, необходимого и достаточного для эффективного решения заданного объема задач.

Для этого используются зависимости объема выполняемых задач от количества БЛА ВТ, решающих эту задачу.

На графиках (рис. 12) представлены зависимости объема выполняемых задач от количества одноцелевых БЛА ВТ N_{БЛА ВТ} по рассматриваемым задачам m = 6.

Необходимо отметить, что эффективность многоцелевых БЛА ВТ и их потребное количество для выполнения заданного объема задач будет отличаться от значений одноцелевых БЛА ВТ и зависит также от принятой схемы компромисса при решении многокритериальной задачи определения оптимального многоцелевого БЛА ВТ. Пример сравнения зависимости объема выполняемых задач от количества одноцелевых и двухцелевых БЛА ВТ представлен на рис. 13.

Для оценки каждого альтернативного варианта парка необходимо знать степень «полезности» всех составляющих его элементов. Для получения таких показателей используются характеристики «стоимость – эффективность», рассчитанные для каждого элемента парка (типа БЛА ВТ). Эти характеристики используются в виде зависимостей (рис. 14)

.

Конкретизируя понятие «стоимость элемента парка» (группы БЛА ВТ в составе парка), необходимо отметить, что оно включает в себя стоимость самого БЛА ВТ, их количество и затраты на выполнение задачи (восстановление вероятных потерь, снабжение, обслуживание и т. д.):

,

где

– количество БЛА ВТ, решающих i‑ю задачу в j-й группе;

– стоимость одного БЛА ВТ [16];

– затраты на выполнение задачи.

Для оценки альтернативных вариантов комплектации парков БЛА ВТ для любого заданного уровня решения задач формируется база данных, представленная в виде матриц типов БЛА ВТ, стоимости отдельных БЛА ВТ, их необходимого количества и стоимости групп БЛА ВТ каждого типа , (табл. 3).

На этапе исследования альтернативных вариантов парков разнотипных БЛА ВТ производится их оценка с целью выбора наилучшего варианта (вариантов) по критерию наименьшей суммарной стоимости при заданной эффективности решения задач.

Формально процесс выбора сводится к процедуре прямого перебора всех возможных комплектаций парка, составленных из допустимого множества одноцелевых и многоцелевых БЛА ВТ.

Необходимо отметить, что вся описанная выше процедура формирования парков БЛА ВТ проводится на заданный временной срез t_k либо на заданный временной интервал [t₀, t_k], на котором исходные оперативно-такти­че­ские и тактико-технические условия решения задач остаются неизменными. При изменении данных условий с какого-либо момента t_n (изменение требований, совершенствование техники, наращивание или сокращение противоборствующих сил, коррекция объемов и уровней задач и т. д.) решение формируется заново на интервале [t_n, t_k].

Для поддержки процессов принятия данных решений в настоящее время разрабатываются методы, модели и программные комплексы, позволяющие автоматизировать информационные технологии оперативного реагирования на изменяющиеся условия обстановки, включая этапы разработки, комплектования и применения современных сложных роботизированных систем, учитывающие в том числе новые возможности перспективных авиационных комплексов, их оборудования и вооружения.

Фрагмент аппаратно-программного комплекса автоматизированного формирования вариантов парков БЛА ВТ, предназначенных для решения заданного перечня задач, представлен на рис. 15.

Заключение

В настоящее время роль авиационных средств поддержки частей и подразделений сухопутных войск и военно-морских сил в военных конфликтах меняется в соответствии с новым подходом, направленным на совместное и согласованное применение как пилотируемой, так и беспилотной авиационной техники, а также других роботизированных систем в едином контуре управления.

Одним из важных направлений при создании группировок пилотируемых вертолетов и беспилотных летательных аппаратов является разработка методик формирования рационального состава парка летательных аппаратов различного назначения для их совместного применения в новых условиях обстановки, в том числе с учетом опыта ведения современных конфликтов.

Комплексное решение формирования пар­ка БЛА ВТ для их совместного применения с пилотируемыми вертолетами в составе разведывательно-ударных контуров позволяет оперативно проводить оценки по созданию смешанных подразделений ЛА различного уровня интеграции, определять потребный состав и численность ЛА, проводить оценку эффективности и стоимости решения заданного перечня задач, планировать научно-тех­нические и производственно-экономи­че­ские мероприятия реализации перспективных проектов БЛА ВТ в заданный период.