С целью исследования системы ОВД на этапах функционирования выде- ляют процессы, достаточно полно отражающие определенную сторону си- стемы. Выбор процесса, описание его состояния и изменения состояния ко- личественной его характеристики является основой моделирования процес- сов в системе ОВД. Модель – это идеальный или материальный объект, кото- рый в некоторых условиях заменяет объект-оригинал (копия объекта- оригинала). Моделью называют приближенное или упрощенное представле- ние о действиях любой конкретной системы, позволяющее анализировать и синтезировать различные по своей природе системы едиными методами. Это понятие основывается на существующей адекватности между двумя процес- сами, один из которых происходит в реальной системе, другой – в модели. Если такая адекватность устанавливается в отношении необходимых количе- ственных или качественных характеристик процессов, то между ними суще- ствуют отношение оригинала и модели, то есть один из процессов рассмат- ривается как оригинал, другой – как модель. Адекватность, или подобие, как и
различие, могут быть использованы в различных аспектах, например, можно потребовать от модели изменения (уменьшения) геометрических размеров либо скорости протекания процесса. Большую роль в изучении процесса сложной природы играют упрощенные модели, в которых сохранены лишь существующие для круга изучаемых явлений черты оригинала. Такими чер- тами может служить внешнее сходство, – когда речь идет о макетировании, сходство структуры или сходство в изменении состояния процессов. Модели можно классифицировать, например, по:
– степени подобия (схожести) – изоморфные, гомоморфные;
– средствам исполнения – идеальные, материальные;
– характеру взаимодействия с объектом-оригиналом – описательные, функционирующие, модели внешнего подобия, символические, модели- аналоги.
Практика и теория исследований систем ОВД на различных этапах ее функционирования показывает, что традиционным подходом обычно служит подход, использующий принципы агрегирования и декомпозиции, когда весь период функционирования системы УВД делится на этапы, этапы, в свою очередь, – на процессы и т.д. При этом для анализа вводят количественные (либо качественные) характеристики процессов и при исследованиях исполь- зуют уже только эти введенные характеристики. При объединении результа- тов, полученных при моделировании процессов, происходит синтез и оценка обобщенных характеристик системы УВД, т.е. агрегирование ее качеств на всех этапах функционирования.
В выделении процесса, а также в описании основных закономерностей, определяющих область и виды изменения характеристик, и состоит модели- рование.
Изучение системы ОВД невозможно без моделирования ее процессов. Употребляя слова «модель», «моделирование», «модельное описание», обычно имеют в виду выбор на этапе функционирования системы опреде- ленного исследуемого процесса и выявление именно тех особенностей, кото- рые и интересуют исследователя.
Построение модели характеристик процессов как декомпозиция этапов на процессы и выбор основных характеристик процесса, всегда было нефор- мальной процедурой. Качество модели в значительной мере зависит от
исследователя, его опыта, способностей и т.п. Поэтому процесс моделирова- ния во многом зависит еще и от экспериментальных данных, их полноты и точности. Модель должна достаточно точно отражать процесс. При этом она должна быть удобной для использования, например, для восприятия ЛПР. Детализация параметров и характеристик, степень полноты учета всех фак- торов, форма представлений модели и другие моменты зависят от целей ис- следования.
Обычно моделью считают какое-либо (не обязательно самое простое) по- добие исследуемого процесса. Например, для выработки оптимальной ко- манды управления диспетчеру необходимо уметь прогнозировать развитие ДВО. Можно представить себе устройство, которое с не меньшей точностью смогло бы осуществить такой прогноз развития ДВО. Подобное устройство служило бы моделью процесса прогнозирования, но и только. Диспетчер же способен выполнять и другие, гораздо более сложные функции, для повторе- ния которых понадобилось бы введение других устройств с еще более слож- ной структурой и т.д.
Таким образом, модель является приближенным или упрощенным пред- ставлением любого конкретного процесса исследуемой системы или его из- менения и дает возможность исследовать его различными методами. Если количественные либо качественные характеристики двух процессов подоб- ны, то говорят, что между этими процессами существуют отношения ориги- нала и модели, т.е. один из процессов рассматривается как оригинал, другой – как модель. При этом подобие, так же как и различие между оригиналом и моделью, может быть использовано в различных аспектах. Так, можно при моделировании измерять геометрические размеры объекта, либо скорости протекания процесса. Большое значение имеют упрощенные модели, позво- ляющие изучать сложные процессы, сохраняя лишь те черты оригинала, ко- торые существенны для изучаемых явлений. Такими чертами могут быть внешнее сходство, когда речь идет о таком виде моделей как макетирование, сходство структуры, а также сходство в изменении процессов, описываемое изменением их количественных характеристик.
Для оценки подобия модели и процессов необходимо оценить схожесть изменений их характеристик при одинаковых условиях. В качестве таких
условий рассматривают внешние воздействия, управляющие сигналы, дей- ствующие на процесс и соответственно на модель и т.д. Можно построить шкалу схожести, началу которой соответствует абсолютное совпадение ха- рактеристик модели и процесса, а другие деления определяют различные степени нарастающего различия этих характеристик при одних и тех же ис- ходных условиях. Так определяются переменные параметры – входные сиг- налы, обобщающие внешние условия и т.д.
Сопоставление модели и реального процесса теперь можно проводить, пользуясь введенными понятиями характеристик и параметров. При таком сопоставлении модель называют изоморфной, если между ней и оригиналом наблюдается полное соответствие. Чтобы пояснить понятие «полное соответ- ствие», рассмотрим случай, когда изменение процесса определяется его входными и выходными сигналами, которые определяют в конечном итоге количественные характеристики процесса. Если два процесса определяются идентичными наборами входных и выходных сигналов и изменение их ха- рактеристик одинаково при изменении входного сигнала, тo говорят об их изоморфизме или о полном соответствии. Во многих случаях изоморфные модели оказываются чрезвычайно сложными и неудобными для практиче- ского использования хотя бы уже по той причине, что число компонент их выходного сигнала оказывается большим. Условия изоморфности не являют- ся необходимыми условиями соответствия модели оригиналу во всех случаях исследования свойств процесса. Часто модель может быть использована и то- гда, когда ее соответствие оригиналу не столь полно, как этого требуют условия изоморфности. Так, если среди компонент выходного сигнала – ко- личественных характеристик процесса есть существенные и менее суще- ственные для решения поставленной задачи, модель можно строить лишь с учетом существенных компонент. Тогда вместо оригинала с числом компо- нент выходного сигнала получают упрощенную модель.
Упрощение модели может быть получено не только путем уменьшения числа компонент выходного сигнала, но также и путем объединения некото- рого их множества в одно. Так, иногда динамический процесс со сравнитель- но коротким переходом из одного состояния в другое может быть изучен с помощью статистической модели, подобной этому процессу в его конечном
состоянии. Процесс, полученный из исходного процесса реальной системы путем его упрощения за счет уменьшения компонент выходного сигнала или более грубой оценки его изменения во времени, называют гомоморфной или упрощенной моделью исходного процесса. Можно сказать, что гомоморфная модель содержит элементы, соответствующие лишь крупным частям ориги- нала и полное поэлементное соответствие между ними отсутствует. В каче- стве примера можно снова использовать процесс управления движением ВС. Для пилота существенными величинами являются все компоненты вектора скорости центра масс ВС, координаты его положения в заданной системе ко- ординат, значения углов и угловых скоростей движения ВС вокруг центра масс, положения всех органов управления и многие другие параметры. Дис- петчера районного центра системы ОВД, управляющего воздушным движе- нием группы ВС в данной зоне, интересуют лишь координаты положения центра масс и (в меньшей степени) компоненты вектора линейной скорости ВС. Такая замена большого числа параметров (компонент выходного сигна- ла) на небольшое их число и означает переход к гомоморфной модели.
Виды моделей
При исследовании сложных систем в настоящее время широко использу- ются главным образом три вида моделей: графы систем или иконографиче- ские модели, математические модели и физические модели.
Иконографические модели используются для представления структуры систем и соответствующих или функциональных взаимосвязей. Примером иконографической модели для системы УВД является структурная схема со- вокупности простейших контуров управления: ВС – пилот – радиоперего- ворное устройство – диспетчер – радиолокатор – ВС. Понятно, что такая мо- дель не дает полного представления о системе. Для более полного исследо- вания больше подходят физическая или математическая модели.
При построении физических моделей используются результаты формаль- ного сравнения некоторых компонент, характеризующих процессы, происхо- дящие в реальных системах и гомоморфных моделях, отличающихся от ори- гинала по своей природе и устройству. Примером физических моделей могут
служить электрические аналоги механических или пневмогидравлических систем. В системах УВД физическое моделирование используется при по- строении имитаторов и тренажеров. Наиболее полное представление о зави- симости выходных характеристик системы от входных обычно можно полу- чить с помощью математического моделирования процессов. Математиче- ской моделью обычно считают описание на каком-либо формальном языке изменений наиболее существенных компонент количественной характери- стики состояния процесса. Она может быть представлена в виде графиков, таблиц, программ для ЭВМ, уравнений, систем уравнений либо неравенств. Математическая модель является удобным средством анализа процессов, происходящих в реальной системе. С помощью формальных процедур над описаниями можно получить ряд выводов и суждений об интересующих ис- следователя чертах изучаемого процесса. В этом и состоит смысл анализа процессов систем с помощью математического моделирования. Далее везде, где только речь идет о моделях, имеются в виду математические модели. Ма- тематические модели не могут идеально отражать изменения состояния про- цесса; они относятся к гомоморфным моделям. Нельзя разработать правила построения математической модели, можно лишь говорить об общих требо- ваниях, предъявляемых к ним: заданная характеристика модели должна сов- падать с характеристикой оригинала, модель должна быть проста и доступна для восприятия ЛПР. По причине неформализуемости моделирования при исследовании одного и того же процесса различные исследователи пользу- ются иногда разными математическими моделями. В настоящее время име- ются различные подходы к моделированию процессов в системе ОВД. Все они могут быть условно объединены в два направления, при первом из кото- рых ставят своей целью построение как можно более эффективной модели каждой операции, затем – модели их совокупности, модели задачи, агрегируя которые, строят модель целого процесса. К этому направлению относятся подходы, позволяющие получить так называемые элементарные модели, объединяя (агрегируя) которые и получают модели процессов.
Ко второму направлению относятся подходы, заключающиеся в попытках моделировать процессы всей системы ОВД либо отдельных ее подсистем на уровне отдельной зоны УВД (РЦ, АУЗ и т.п.), объединяющей несколько сек- торов с простейшими контурами УВД.
Оба направления содержат подходы, учитывающие свойства системы ОВД как системы организационного управления либо как системы планиро- вания, формирования и управления потоками ВС, потоками заявок, событий или учитывающие динамические свойства объектов управления информаци- онных потоков, явлений и процессов в системе ОВД.
Оба направления наиболее отчетливо различаются моделями объектов управления: если в первом из направлений эти модели характеризуют дина- мические процессы движения отдельных ВС, то во втором они характеризу- ют поток ВС. Моделирование процессов УВД отличается в этих двух направлениях тем, что модели процессов в первом направлении рассматри- ваются как характеристики отдельных ВС, тогда как во втором – как харак- теристики непрерывных потоков совокупности прилетающих, пролетающих и вылетающих ВС. В первом из рассматриваемых случаев вводится вектор состояния и возникает возможность количественной оценки характеристики ДВО в зоне УВД, учитывающей состояние каждого из ВС. Во втором ис- пользуются количественные характеристики, такие, как интенсивность, плотность воздушного движения и др., т.е. вводятся функции, описывающие изменение процесса полета, но только не одного ВС, а какого-то их потока.
Примеры наиболее важных моделей целесообразно показать, начиная с этапа непосредственного УВД, приведя модели основных задач, решаемых при функционировании простейшего контура, и добавляя к ним в дальней- шем модели операций, задач и процессов, протекающих на этапе планирова- ния воздушного движения и обеспечения полетов, а также на этапе организа- ции УВД. Примеры постановки таких наиболее характерных задач и постро- ения элементарных моделей для каждого из этапов позволяют продемон- стрировать достаточно полный набор элементарных моделей процессов, про- текающих в системе ОВД.
Для общей характеристики второго направления можно привести следу- ющий пример: требуется определить наилучшую структуру трасс в данном РЦ, либо стандартных коридоров в данной зоне подхода РА или АУЗ. Наилучшей считается такая структура, при которой загруженность диспетче- ра будет наименьшей и топливно-энергетические затраты на полеты в данной зоне также будут минимальными. Аналитические исследования подобной
задачи вызывают значительные трудности из-за отсутствия математических моделей взаимосвязи загруженности с характеристиками структуры трасс, а также из-за сложности учета изменений структуры трасс при взаимодействи- ях между смежными диспетчерами и ряда других факторов.
Чаще всего при решении поставленной задачи используют метод имита- ционного или полунатурального моделирования, когда диспетчеры «проиг- рывают» различные варианты структуры трасс на моделирующих тренажер- ных комплексах, имитирующих практически все процессы организации УВД, планирования и осуществления движения совокупности ВС. Основой такого моделирующего тренажерного комплекса служит мощная вычислительная машина. Применение ЭВМ для проведения таких машинных экспериментов превращало ее в экспериментально-тренажерную установку, что означает ка- чественно новый подход к ее использованию в виде имитационной системы. Именно благодаря возможностям ЭВМ стала доступной реализация вариант- ного метода исследования в виде диалога между исследованием и моделиру- ющим комплексом.
При втором направлении моделирования применяются вычислительные комплексы, т.е. машинные аналоги изучаемых процессов, и оно наиболее эффективно при исследовании системы ОВД в целом. Для моделирования всего множества процессов необходимо иметь математические модели дина- мических процессов движения отдельных ВС, либо характеристик их пото- ков в данной зоне, процессов, характеризующих работу их навигационно- пилотажных комплексов, иметь модели, учитывающие влияние метеофакто- ров на процессы УВД, структуру зоны УВД, радиотехнические средства и др. Реализация подобных математических моделей требует применения самых мощных вычислительных устройств, объединения их в целые моделирующие комплексы. Принимая во внимание сложность процедуры построения мате- матических моделей процессов, необходимо помнить о неоспоримых пре- имуществах математического моделирования как метода исследования, к ко- торым, в первую очередь, относятся следующие:
– наличие математических моделей процессов позволяет проводить чис- ленное экспериментирование при исследовании их характеристик, что гаран- тирует полную безопасность системы;
– масштабы времени в численных исследованиях моделей процессов мо- гут быть существенно меньше реального масштаба времени протекания про- цесса, что ускоряет исследования, позволяет получить ряд качественных ре- зультатов при использовании такой модели в управлении процессами;
– воспроизводимость исследования математических моделей позволяет устанавливать причины и предпосылки неожиданных результатов, что часто невозможно в реальной системе;
– проведение экспериментов с помощью математических моделей в ос- новном экономически выгодней, чем экспериментирование с реальной си- стемой.
Значительную трудность всегда представляет программирование и разра- ботка средств математического обеспечения, стоимость которых составляет до 30 % стоимости всей разработки моделирующего комплекса.
Совмещение функций научно-исследовательских центров с функциями центров по обучению носит принципиальный характер и вызвано главным образом двумя причинами. Каждый из центров использует очень дорогое оборудование и оснащение, требующее значительных затрат. Наибольшую сложность при моделировании представляет деятельность диспетчеров и экипажей ВС, входящих в простейший контур. Именно поэтому в моделях систем ОВД часто функции диспетчеров и пилотов не моделируются, а в контур моделирующего устройства включаются специалисты, выполняющие функции диспетчеров и пилотов. Построенная таким образом модель может быть использована как для проведения научно-исследовательских работ, так и для обучения диспетчеров. Подобные модели, работающие в реальном масштабе времени, представляют собой исследовательские диспетчерские тренажеры и включают ЭВМ, пульты пилотов-операторов, диспетчерские пульты, аппаратуру видеозаписи, воспроизведения, передачи и обработки данных, а также другие вспомогательные устройства.
Исследовательские диспетчерские тренажеры обычно используются при решении целой совокупности задач, основными из которых являются:
– анализ и изучение потоков ВС в конкретных зонах УВД;
– исследование эффективности системы ОВД в определенном регионе;
– определение рациональных структурных характеристик зон УВД;
– исследование эффективности функционирования отдельных элементов систем ОВД (в том числе и внедряемых) с целью выявления узких мест и ра- ционального распределения функций между элементами системы;
– подготовка, переподготовка и совершенствование навыков специали-
стов УВД;
– проведение широкого комплекса эргономических исследований;
– проверка эффективности взаимодействия диспетчеров смежных секто-
ров управления;
– отработка пооперационной технологии работы диспетчеров различных пунктов.