Система управления составной поверхностью главного зеркала радиотелескопа, функционирующая на основе мультиагентных технологий
М.В. Белов
Аннотации
Обсуждается возможность использования для реализации системы контроля и управления динамикой составной отражающей поверхности главного рефлектора большого радиотелескопа миллиметрового диапазона мультиагентных технологий. Основное внимание уделяется формализации процесса функционирования мультиагентной системы управления и взаимодействия ее с составным управляемым объектом, являющимся эквивалентом внешней среды для коалиции агентов.
Ключевые слова: радиотелескоп, главный рефлектор, составная отражающая поверхность, система управления поверхностью, мультиагентная (МА) система, свойства МА-системы, формальное описание МА-системы. управление радиотелескоп рефлектор
Abstract. It is discussed the opportunity of using the multiagent technologies for realizing control and dynamics' management system of composite reflecting surface of the large millimeter radio telescope's main reflector. The main point is the formalization of process operations of the multiagent control system and its interaction with composite managed object, which is the equivalent of external environment for the agents' coalition.
Key worlds: radio telescope, main reflector, composite reflecting surface, surface control system, multiagent system, properties of the multiagent system, formal description of the multiagent system.
Введение
Разработка и исследование интеллектуальных систем управления представляет собой одно из перспективных направлений повышения эффективности контроля и эффективного разрешения динамических ситуаций, возникающих в практике эксплуатации больших полноповоротных радиотелескопов миллиметрового и субмиллиметрового диапазона с главным рефлектором диаметром до 100 м, оснащенным управляемой составной многопанельной отражающей параболической поверхностью [1-5]. Особенно актуальной при этом является задача автоматического поддержания высокой эффективности приема наблюдаемых сверхвысокочастотных космических излучке 6ний в условиях значительных колебаний уровней дестабилизирующих возмущений, порожденных гравитационными, термическими, аэродинамическими процессами. Управляя положением зеркальных щитов составной отражающей поверхности в реальном времени возникновения возмущений, можно поддерживать требуемую эффективность приема (усиление главной антенны) на заданном уровне независимо от угломестного и азимутального положения главного рефлектора, независимо от воздействия солнечной радиации или ветрового напора. Исследования в области архитектурно-структурной организации интеллектуальных систем управления подобными сложными многоэлементными объектами показывают, что в качестве эффективных моделей такой организации можно рассматривать многоагентные (мультиагентные) системы (МА-системы) [6-11]. Именно мультиагентные системы представляют собой одно из наиболее перспективных направлений развития распределенных систем управления сложными многомерными объектами, подобными составной отражающей поверхности.
Архитектурно-структурная организация системы управления активной поверхностью на основе концепции многоагентной системы позволяет обеспечить новые качественные признаки, повышающие эффективность функционирования многопанельного объекта управления в сложных (особенно в нештатных и экстремальных) ситуациях за счет использования следующих преимуществ [7-9]:
? Параллелизм обработки информации на основе коалиции агентов;
? Уменьшение объема передаваемой информации (отдельным агентам передаются высокоуровневые частичные решения);
? Гибкость, обеспечивающая возможность использования агентов различной мощности при совместном решении поставленной управленческой или информационной задачи;
? Повышение надежности системы управления путем перераспределения функций между агентами в случае частичного или полного отказа какого-либо из агентов.
В настоящей статье дается обоснование возможности использования для построения системы управления активной поверхности главного зеркала мультиагентных технологий и излагается формальное описание данной управляющей среды как коалиции агентов.
Характеризация системы управления активной поверхностью как мультиагентной системы
В соответствии с законами геометрической оптики излучение радиоастрономического объекта наблюдения, попадающее в конечном итоге на облучатель/приемник, размещенный в сопряженном (вторичном) фокусе контр-рефлектора и главного рефлектора, достигает поверхности главного зеркала в форме параллельного пучка и, отражаясь от последней, должно быть синфазным в любой плоскости, ортогональной отражающей поверхности. Условием сохранения синфазности отраженного главным зеркалом космического излучения является наличие идеальной параболической отражающей поверхности при условии таких же свойств у эллипсоидальной поверхности конррефлектора. Однако идеальную параболическую поверхность у главного зеркала получить трудно. Т.к. поверхность главного зеркала крупных радиотелескопов состоит из большого количества перемещаемых зеркальных панелей, которые крепятся к несущей конструкции радиотелескопа посредством регулируемых домкратов-актуаторов, то, изменяя состояние длин стержней последних, можно добиться минимальной ошибки аппроксимации реальной составной отражающей поверхностью параболоида вращения, компенсируя тем самым ошибки изготовления и сборки многоэлементной отражающей поверхности главного рефлектора, температурные и гравитационные деформации зеркальных щитов и парируя ветровые возмущения.
Из-за функционирования радиотелескопа при воздействии различных дестабилизирующих факторов - гравитационных, термических, аэродинамических, система управления пространственным положением зеркальных панелей должна гибко реагировать на изменение внешних условий функционирования и оперативно перестраивать алгоритм управления активной составной поверхностью. Такая высокая степень адаптивности режима работы средств управления к состоянию окружения может быть достигнута только в том случае, когда обеспечивается постоянный контроль состояния внешней среды (температур поверхностей зеркальных щитов, азимутального и угломестного положения главной антенны, угловых скоростей ее вращения в азимутальной и угломестной плоскостях, скорости ветрового напора и проч.) и управляющие средства имеют несколько разных регулирующих законов, которые могут быть оперативно задействованы при изменении состояния внешних факторов без изменения общей структурной организации регуляторов. Естественно, переключение управляющих алгоритмов зачастую сопровождается коррекцией текущих целей управления активной поверхностью, изменением общей схемы регулировки, перераспределением управляющих задач между уровнями управления, что свойственно системам, реагирующим на изменение состояния внешней среды и изменяющим свое поведение и воздействия на исполнительные механизмы в направлении достижения текущих целей.
В силу высокой размерности объекта управления - активной многопанельной поверхности (насчитывающей от нескольких сотен до 1,5-2 тысяч подвижных зеркальных щитов) и, как следствие, сложности и структурной развитости системы управления этим многомерным объектом, вычислительные средства этой управляющей системы имеют многопроцессорную иерархическую структуру, при этом процессорные центры разных уровней управления функционируют зачастую в полуавтономных и близких к автономным режимах, взаимодействуя друг с другом по схемам ГОРИЗОНТАЛЬНОГО и ВЕРТИКАЛЬНОГО СЖАТИЯ [12]. Принцип горизонтального сжатия предусматривает концентрацию в выделенных управляющих центрах нескольких взаимоувязанных задач, облегчая тем самым процесс информационного взаимодействия между ними и исключая лишние промежуточные передаточные звенья и структурные элементы. При вертикальном сжатии управляющая среда строится на основе использования многозвенной иерархически организованной сетевой клиент-серверной архитектуры, средств централизованного и локально-централизованного управления потоками данных и потоками работ, распределенных баз данных, позволяющих оперативно взаимодействовать различным процессорным звеньям друг с другом, оперативно контролировать и корректировать текущее состояние как отдельных секторов объекта управления - активной поверхности, так и составного зеркала главного рефлектора в целом. Все это позволяет утверждать, что система управления активной поверхностью как группа регулирующих центров в целом обладает большинством базовых свойств, присущих многоагентным (мультиагентным) системам (МА-системам) управления, в частности, таким, как [6,9,11]:
1. АВТОНОМНОСТЬ - любой агент многоагентной системы может функционировать без прямого вмешательства оператора или вышестоящего в иерархии центра управления, самостоятельно отслеживая состояние собственных параметров и свои действия.
2. РЕАКТИВНОСТЬ - агент МА-системы способен воспринимать окружающую среду и адекватно на нее реагировать, корректируя свои цели и синтезируемые сигналы управления.
3. ПРОАКТИВНОСТЬ - любой агент мультиагентной системы, обладая целенаправленным поведением, может проявлять инициативу путем переключения целей, изменения приоритетов управления и режимов работы, способен планировать свои взаимоотношения с внешней средой, совершать действия, направленные на достижение целей.
4. КОММУНИКАТИВНОСТЬ - каждый агент способен взаимодействовать с другими агентами и подсистемами мультиагентной системы.
5. КОЛЛЕГИАЛЬНОСТЬ - любой агент МА-коалиции способен функционировать в интересах групповой цели мультиагентной системы, т.е. он приспособлен к коллективному целенаправленному поведению группы взаимодействующих агентов.
6. ПРОГНОЗИРУЕМОСТЬ - агент коалиции по данным восприятия окружающей среды (объекта воздействий - активной отражающей поверхности) и структуре своего внутреннего состояния может промоделировать генезис окружения и предсказать ход изменения его состояния.
7. АДАПТИВНОСТЬ, при наличии которой агент МА-системы способен подстраивать свой алгоритм функционирования с учетом внешних воздействий в условиях неполной информации об объекте управления.
8. ОБУЧАЕМОСТЬ, когда агент коалиции имеет в своем составе не только средства прогнозирования или моделирования состояний объекта управления, но и компоненты коррекции как алгоритмов прогнозирования (моделирования), так и эталонных моделей управляемого объекта.
9. ИНТЕРАКТИВНОСТЬ, предусматривающая наличие у каждого агента МА-системы свойства и механизмов коммуникативности не только с другими агентами и подсистемами управляющих средств, но и механизмов интерактивного взаимодействия с операторами комплекса управления радиотелескопом через подсистемы визуализации состояний объектов управления и контроля.
Перечисленные свойства присущи практически всем управляющим звеньям распределенной иерархической системы управления активной поверхностью, как на нижнем управляющем уровне, занимающимся непосредственным секторальным регулированием положения зеркальных щитов поверхности и контролем их пространственного и температурного состояния; на среднем уровне, обеспечивающем координацию функционирования агентов-регуляторов нижнего уровня, в т.ч. целеполагание и выбор управляющих алгоритмов для соответствующих секторов поверхности, с учетом данных о состоянии щитов объекта управления и окружающей воздушной среды (ее температуре, ветром напоре); так и на верхнем уровне (метауровне), задающем общий план изменения пространственного положения главной антенны на основе целевой задачи наблюдений источника космических радиоизлучений и глобальной стратегии решения общей задачи контроля и стабилизации динамики поверхности главного зеркала как сложного составного многомерного объекта в условиях сильного влияния разнородных возмущений.
Формальное описание функционирования мультиагентной системы управления активной поверхностью
Дадим теперь формальное описание процесса функционирования мультиагентной системы управления активной поверхностью главного рефлектора большого радиотелескопа в терминах теории агентов.
3.1. Исходные положения об МА-системе. Известно [6,8], что мультиагентной системой называется коалиция интеллектуальных агентов , тесно взаимодействующая с окружающей средой, обладающей конечным множеством состояний , с помощью функции восприятия внешней среды и оператора действия , реализуемого функцией . Последняя в соответствии с текущим внутренним состоянием МА-системы обеспечивает формирование действий коалиции агентов , проводящих к изменению текущего состояния среды в соответствии с порядком формирования ее поведения, задаваемым функцией , при этом по завершении выполнения МА-системой функции восприятия текущего состояния среды и формирования компоненты множества восприятия в коалиции агентов запускается функции построения и обновления модельных представлений об окружающей среде и функция обновления внутреннего состояния агентов МА-системы. Обобщенно такое описание МА-системы можно записать в виде следующей совокупности:
. (1)
Применительно к условиям системы управления активной поверхностью главного зеркала радиотелескопа в выражении (1) необходимо уточнить структуры множеств и особенности формирования функций.
Итак, коалиция агентов, образующих в МА-систему, взаимодействует с внешней средой, под которой, применительно к условиям управления активной поверхностьюглавного зеркала радиотелескопа, следует понимать не столько воздушную среду, окружающую зеркальные щиты составной поверхности, сколько саму поверхность этих щитов. В расширенном представлении любое состояние такой внешней среды, т.е. составной отражающей поверхности, характеризуется не только вектором смещения реперных точек зеркальных пластин по нормали от поверхности стабилизации аппроксимирующего параболоида вращения, но также и векторами дополнительных параметров - составным вектором положения штоков актуаторов , обеспечивающих регулировку положения щитов, составным вектором поверхностных температур зеркальных панелей , значений температуры окружающей воздушной среды и скорости ветра . Однако следует отметить, что большая часть дополнительных параметров, являясь различными по источникам, тем не менее, приводит к одинаковым по сути своей деформирующим механическим процессам пластин составной отражающей поверхности и это, в конечном итоге, проявляется в изменении состояния координат вектора смещения реперных точек. Следовательно, применительно к условиям эксплуатации многоэлементного главного рефлектора радиотелескопа координаты вектора можно считать фазовыми координатами текущего состояния отражающей поверхности, т.е.: