ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
УДК 004.51+681.51
УПРАВЛЕНИЕ КОЛЛЕКТИВОМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ НА ОСНОВЕ СТАЙНЫХ ПРИНЦИПОВ
© 2005 г. Член-корреспондент РАН И.А. Каляев1, А.Р. Гайдук2, С.Г. Капустян1
Статья посвящена решению проблемы управления коллективом интеллектуальных объектов с использованием стайных принципов. В статье дается определение и формальная постановка задачи стайного управления, исследуются подходы к ее решению. Экспериментальные исследования компьютерной модели показали эффективность использования стайных принципов, обеспечивающих быструю адаптацию коллектива интеллектуальных объектов к изменениям ситуации и оптимизацию коллективного поведения.
СТРАТЕГИИ УПРАВЛЕНИЯ КОЛЛЕКТИВАМИ
В работе рассматривается проблема управления группами или коллективами некоторых активных интеллектуальных объектов. Коллективом называется образование, состоящее из нескольких активных объектов, действия которых направлены на достижение общей цели [1-3].
Преимущества использования коллектива объектов очевидны. Это и больший радиус действия, и расширенный набор выполняемых функций, и более высокая вероятность выполнения задания, достигаемые за счет перераспределения подцелей между объектами коллектива в случае выхода из строя некоторых из них.
Для достижения поставленной цели в коллективах независимо от их природы используются некоторые стратегии коллективного управления. Анализируя их, можно выделить стратегии централизованного и децентрализованного управления (рис. 1) [3]. В свою очередь стратегия централизованного управления коллективом объектов включает единоначальное и иерархическое управление.
К преимуществам централизованного едино-начального управления можно отнести простоту его организации и алгоритмизации. Однако такое управление коллективом объектов
1 НИИ Многопроцессорных вычислительных систем Таганрогского государственного радиотехнического университета, г. Таганрог.
2 Таганрогский государственный радиотехнический университет, г. Таганрог.
Оi = l,N (рис. 2) предполагает значительную
определенность условий решения задачи и длительный период ее решения. Поэтому при использовании этой стратегии решение задачи коллективного управления стремятся получить заранее, до начала действий. Затем спланированные действия реализуются по принципу программного управления без учета заранее непредвиденных изменений в среде (как, например, в промышленных автоматизированных производствах).
Частично указанный недостаток устраняется при использовании иерархического коллективного управления (рис. 3). Здесь ЦУУ (командир 1-го уровня) управляет небольшим количеством подчиненных, которые в свою очередь являются командирами второго уровня, в подчинение каждого из которых входит своя подгруппа объектов и т.д.
В отличие от единоначального коллективного управления при иерархическом управлении существенно снижается сложность задачи, решаемой отдельным командиром, что в свою очередь повышает уровень оперативности принятия решений. Однако, с другой стороны, усложнение структуры управления может приводить к значительным задержкам (и даже сбоям) в передаче команд от верхнего до нижнего уровня.
Существенным недостатком всех систем управления, использующих централизованную стратегию, является их низкая живучесть. Действительно, выход из строя центрального управляющего устройства (или командира) приводит к
Рис. 1. Стратегии коллективного управления
выходу из строя всей системы в целом или ее части (в случае иерархической организации системы).
Указанных недостатков лишены системы коллективного управления, использующие стратегию децентрализованного управления (см, рис. 1). Суть этой стратегии заключается в том, что каждый член коллектива самостоятельно принимает решение о своих действиях, пытаясь при этом внести максимально возможный вклад в достижение общей, коллективной цели.
Преимущества децентрализованной стратегии коллективного управления определяются следующими факторами. Во-первых, задача, решаемая каждым членом коллектива, будет не сложной, поскольку он решает задачу оптимизации только своих действий в составе коллектива, не пытаясь оптимизировать действия всего коллектива в целом. Во-вторых, системы с децентрализованным коллективным управлением обладают высокой живучестью. Действительно, поскольку в них нет ЦУУ или командира, то все члены коллектива равны, поэтому выход из строя или уничтожение любого из них не приводит к выходу из строя всего коллектива в целом. Причем высокая живучесть системы достигается без ка-ких-либо дополнительных затрат, а только лишь за счет самой децентрализованной организации системы управления.
К недостаткам стратегии децентрализованного коллективного управления следует отнести сложность ее алгоритмизации, поскольку каждый член коллектива должен четко понимать коллективную задачу и уметь соответственно выбирать такие свои действия, которые приводят к наилучшему ее решению с точки зрения всего коллектива.
Можно выделить два типа систем, использующих децентрализованную стратегию коллектив-
ного управления: системы с коллективным управлением и системы со стайным управлением [3, 4]. Коллективное управление подразумевает, что объекты, входящие в коллектив, имеют возможность обмениваться через канал связи друг с другом информацией с целью оптимизации коллективных действий (рис. 4).
К преимуществам систем, использующих стратегию коллективного управления, следует отнести возможность оптимизации коллективных действий. Но, с другой стороны, такая организация системы требует наличия высоконадежного канала связи, причем выход этого канала из строя приводит к потере возможности коллективного взаимодействия.
В этом плане наиболее живучими системами коллективного управления являются системы, использующие стратегию стайного управления (рис. 5).
Стайная стратегия управления подразумевает, что каждый объект, входящий в коллектив, не имеет прямой информационной связи с другими объектами и более того - у него нет информации ни о том, сколько объектов входят в коллектив, ни о том, каковы их характеристики, ни о том, какие действия они совершали ранее и ка-
Рис. 2. Централизованное единоначальное управление
Рис. 3. Централизованное иерархическое управление
Канал обмена информацией
Рис. 4. Децентрализованное коллективное управление
Рис. 5. Децентрализованное стайное управление
кие действия они планируют совершить в ближайшее время. Тем не менее, очевидно, что для того чтобы совместными усилиями достичь общей коллективной цели, каждый объект должен согласовывать свои действия с действиями всех остальных объектов коллектива.
Стайные принципы поведения широко используются в живой природе. Наглядным примером являются действия муравьев, мелких рыб и птиц. Примером естественной формы стайного поведения является также поведение животных, охотящихся стаей: волков, гиен и т.п.
Стайная стратегия поведения издавна используется в вооруженных конфликтах. В древние времена так действовали племена кочевников, в
частности, татаро-монголы. Некоторые авторы [4] считают, что стайный принцип будет наиболее эффективным принципом действий в вооруженных конфликтах будущего.
ЗАДАЧА СТАЙНОГО УПРАВЛЕНИЯ
В общем случае задачу управления коллективом интеллектуальных объектов можно сформулировать следующим образом. Предположим, что некоторый коллектив, состоящий из N объектов О^ (;' = 1,ЛГ), воздействует на некоторую
среду Е (являющуюся объектом управления для коллектива) в условиях заранее неизвестной ситуации в среде. Будем считать, что состояние каждого объекта О) описывается вектором
= 0 = 1, Л/), а состояние сре-
ды - вектором Е(г) = (ег, е2,..., ек). Пусть кроме
того каждый объект 0,0-1^) может выполнять некоторые свои действия, описываемые вектором АДг) = {а[) = с помощью которых он может изменять как состояние среды, так и состояния других объектов коллектива. В общем случае эти изменения определяются системами вида:
~ ^(^1,А1,...,8ЛГ,АЛ,,Е), ; = Щ (1)
^ОД.А^-^.А^Е). (2)
ш
На состояния объектов и среды, а также на
действия объектов в конкретных ситуациях могут налагаться некоторые ограничения, в общем случае определяемые системами неравенств:
в(81,82,...,8дг,Е)<0, (3)
А-,,. „, вдг, Ал ,Е) < 0, (4)
которым должны удовлетворять допустимые состояния объектов коллектива и их действия. Целью действий коллектива объектов является преобразование среды из исходного (текущего) состояния Е° в некоторое целевое состояние Е* оптимальным образом, например, за минимальное время [3].
Задачей синтеза стайного управления является разработка алгоритма выбора каждым объектом своих действий для достижения в условиях неопределенности поставленной перед коллективом цели. Неопределенность заключается в отсутствии у каждого объекта прямой информации о наличии и действиях других объектов коллектива. В то же время он располагает информацией о своих индивидуальных возможностях по трансформации своего состояния в,- и среды Е за счет своих индивидуальных действий. Иными словами, каждый объект <9„ входящий в стаю, не имеет выражений (1)-(4), описывающих возможности всей стаи в целом и его действительное влияние на среду в составе стаи, а имеет (в начальный момент времени) только "усеченные" выражения:
&(8,.,Е)*0, 4(8(.,А„Е)<0,
(5)
(6) (7)
которые описывают его исходное "представление" о возможностях его индивидуального влияния на среду.
Правые части дифференциальных уравнений (1), (2) и (5), (6) - некоторые, в общем случае нелинейные функции, при которых существует единственное решение этих уравнений с учетом ограничений (3), (4) и (7).
Перейдем к построению алгоритма выбора объектом своего очередного действия А? таким образом, чтобы оптимальным образом с точки зрения всей стаи пытаться достичь цели.
СИНТЕЗ СТАЙНОГО УПРАВЛЕНИЯ
Поскольку объект Oi имеет лишь выражения (5)-(7), а не выражения (1)-(4), то он должен
как-то подстраивать свои действия под действия всей стаи. Очевидно, что в условиях неопределенности это можно осуществить только на основе информации о реакции среды на действия всех объект
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.