Сегодня даже на бытовом уровне жизнь людей немыслима без квантовой механики, теории относительности и кибернетики. Сотовые телефоны, компьютеры, вся современная электроника, не говоря уже о полупроводниковых лазерах, — все это квантовые приборы. Техника, созданная человеком, в отличие от объектов природы, является результатом инженерного творчества, неотделимого от процессов управления — в частности, группировками таких объектов, как город, заселенный людьми, или, скажем, боевой древнегреческий корабль. Построенный и оснащенный корабль — это просто вещь, а корабль с командой и пассажирами — это уже «киберобъект». Такой «киберобъект» под управлением специально обученного человека (умелого кормчего) приобретает принципиально новые свойства, которыми не обладают его отдельные части. Например, сам по себе парусник не может плыть против ветра, а умелый (обладающий опытом успешного выполнения определенных операций) экипаж корабля с такой задачей справляется. Для использования «умения» в целях управления одна из составных «частей» киберобъекта (актор — субъект, движимый собственными тактическими мотивами и обладающий для этого соответствующим опытом и «знаниями») наделена памятью, в которой запечатлена «правильная» последовательность действий, обычно приводящая к успеху выбранного сценария действий.

Актуальным приложением киберфизики является управление действиями группировок интеллектуальных роботов, формирование операционной и информационной инфраструктуры Интернета вещей и т. п. Основные проблемы, которые здесь возникают, связаны с повышением автономности и надежности функционирования объектов при снижении нагрузки на оператора и требований к вычислительной мощности ЦОД, размещенного в центре управления. Одним из наиболее перспективных методов, зарекомендовавшим себя в задачах организации взаимодействия распределенных динамических структур, является использование сетецентрических и кибернетических технологий организации информационного обмена между всеми членами группы.

Каждый элемент сети пересылает доступную ему информацию в единый центр, аккумулирующий все данные и отвечающий за принятие стратегических решений. В условиях неопределенности окружающей среды, объект, помимо реализации стратегических указаний от единого центра, руководствуется собственным восприятием пространства. Все вместе это позволяет сформировать коллективный интеллект, или интеллект роя (Swarm Intelligence, SI) [1]. Каждый робот группировки состоит из аппаратно-программной части и актора. Разделение функций принятия тактических и стратегических решений позволяет упростить процесс отработки технологии и удешевить киберфизические объекты.

Сеть киберфизических объектов функ-ционирует следующим образом: оператор задает роботам стратегическую цель, например разведку местности; акторы в облачной среде обмениваются данными и формируют последовательность простых операций, которые должен реализовать каждый робот, входящий в группу, для достижения поставленной цели; команды на выполнение операций передаются киберфизическим объектам, которые контролируют процесс выполнения при помощи локально доступной информации от сенсоров (рис.1). Благодаря нескольким контурам контроля (локальный контур на роботе, контроль цели в облачной среде и мониторинг со стороны оператора) можно гарантировать достижение поставленной цели в условиях неопределенности окружающей среды. Любое изменение среды приводит к возмущению в информационном пространстве, и, таким образом, киберфизическая система способна учесть новые факторы и откорректировать свое поведение для минимизации возможных потерь.

Рис. 1. Взаимодействие группировок роботов через акторов информационно-вычислительных процессов
Рис. 1. Взаимодействие группировок роботов через акторов информационно-вычислительных процессов 

 

Система управления группировкой киберфизических объектов делится на блоки наблюдения, идентификации, принятия решений и реализации операций (рис. 2), что предполагает наличие мультипротокольного интерфейса информационного обмена с внешней средой, онтологической модели взаимодействия и сценариев действий. Кроме того, необходимо иметь гиперграф операций, ребра которого задают ограничения, а узлы определяют последовательность действий, формирующую сценарий достижения целей; и наконец, нужна подсистема актуаторных устройств, используемых для выполнения последовательности операций.

Рис. 2. Киберфизическая модель системы управления
Рис. 2. Киберфизическая модель системы управления

 

Взаимодействие всех этих блоков может осуществляться на базе универсальной сетецентрической платформы управления [2], позволяющей использовать стандартные средства организации информационного обмена для объединения различных технологий управления, относящихся как к физическим, так и к виртуальным компонентам киберфизической системы. Сетевые структуры, используемые не только для реализации информационных сервисов, но и для управления киберфизическими объектами, могут быть развернуты в облаке, как это реализовано в платформе управления киберфизическими объектами «Пилигрим» (рис. 2).

Платформа «Пилигрим» (рис. 3) построена на инструментах и технологиях OpenStack [3] и имеет восемь уровней. Уровни 1–3 — инфраструктурные и могут быть размещены в любой облачной среде, например Amazon Web Services. Программные компоненты платформы уровней 4–6 размещаются в частном облаке или ЦОД. Уровень 7 отвечает за передачу данных, а на восьмом уровне размещаются агенты и операторы. Интерфейсы и протоколы взаимодействия платформы открыты, что обеспечивает расширяемость функциональности и возможность применения в разных сферах.

Рис. 3. Облачная платформа управления киберфизическими объектами
 Рис. 3. Облачная платформа управления киберфизическими объектами

 

«Пилигрим» предоставляет сервис масштабируемых вычислительных ресурсов (виртуальных машин), образуя единое вычислительное пространство управления киберфизическими объектами с использованием акторного механизма взаимодействия и организации интегрированной среды обмена сообщениями. Каждый киберфизический объект имеет свой отдельный поток с логическим адресом, по которому отправляется сообщение и может быть получен ответ. Актор объекта имеет непосредственную связь со своим агентом (роботом, датчиком или удаленным сервисом), отправляющим оперативную информацию и получающим управляющие сигналы. Акторы могут обмениваться информацией между собой, но сам процесс информационного обмена физически локализован в ЦОД. Кроме акторов киберфизических объектов, в платформе «Пилигрим» реализованы акторы-сервисы, предоставляющие вспомогательные услуги, такие как доступ к базам данных, топографической информации, средствам поиска в Интернет и т. д.

Важной особенностью платформы является возможность построения картины оперативной ситуационной обстановки, к которой может обратиться любой актор киберфизического объекта и на основе полученной информации передать управляющую команду своему агенту. Кроме того, предусмотрена возможность настройки актора на определенные события, генерируемые другими акторами на основе сообщений, присылаемых их агентами. Благодаря встроенным в платформу средствам защиты, размещение акторов киберфизических объектов возможно в частном или даже публичном облаке, что позволяет организовать обслуживание в одном облаке различных группировок объектов.

***

Предложенный в платформе «Пилигрим» сетецентрический метод организации информационного обмена позволяет реализовать различные классы алгоритмов управления распределенными киберфизическими объектами, функционирующими в условиях пространственно-временной неопределенности. Платформа может быть использована как для работы в среде Интернета вещей, например при построении умного дома, так и для управления сколь угодно крупными группировками мобильных роботов.

Литература

  1. Леонид Черняк. Интеллект роя для ИТ // Открытые системы. СУБД. — 2014. — № 2. — С. 41–43. URL: http://www.osp.ru/os/2014/02/13040047 (дата обращения: 12.11.2014).
  2. Заборовский В.С., Мулюха В.А., Пашкин М.П., Попов С.Г. Сетецентрические алгоритмы управления для телематических сервисов, толерантных к задержкам. Труды СПИИРАН, вып. 8(31), 2013, С. 163–176.
  3. Владимир Заборовский, Алексей Лукашин. Высокопроизводительная защищенная облачная среда // Открытые системы. СУБД. — 2013. — № 6. — С. 10–13. URL: http://www.osp.ru/os/2013/06/13036845 (дата обращения: 12.11.2014).

Владимир Заборовский (vlad@neva.ru), Алексей Лукашин (lukash@neva.ru) — сотрудники, Политехнический университет, (Санкт-Петербург); Владимир Мулюха (mva@rtc.ru) — сотрудник, ЦНИИ Робототехники и технической кибернетики, (Санкт-Петербург). Статья подготовлена на основе материалов доклада, представленного авторами на пятом Московском суперкомпьютерном форуме (МСКФ-2014, грант РФФИ 14-07-20284г). Работа выполняется при поддержке РФФИ (грант № 13-07-12106 офи_м).