ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИTECHNICAL SCIENCESОбзорная статьяУДК 004.031.6+623.746.4-519:004ББК 32.971.322.5+39.52-05Д 58DOI: 10.53598/2410-3225-2022-1-296-62-76Интеграция сетей и вычислений для построения системы
управления роем дронов как сетевой системы управления
(Рецензирована)Виталий Анатольевич ДовгальМайкопский государственный технологический университет,Адыгейский государственный университет, Майкоп, Россия, urmia@mail.ruАннотация. В последнее время усиливается значение практического применения мультиагентных систем, таких как рои дронов, что обусловлено появлением множества устройств, способных коммуницировать между собой с целью их кооперативного поведения. Однако автоматизация управления роем дронов является сложной задачей из-за наличия по­стоянно изменяющихся условий окружающей среды и ограничений каналов беспроводной свя­зи, используемых каждым беспилотным летательным аппаратом в стае. Для решения ука­занных проблем в статье предлагается рассматривать рой дронов как сетевую систему управления (Networked Control Systems, NCS), в которой управление всей системой осуществ­ляется в рамках сети беспроводной связи. Такой подход обусловлен тесной взаимосвязью ме­жду сетевыми и вычислительными системами, используемыми для эффективной поддержки основных функций управления роем: сбора и обмена данными, принятия решений по распреде­лению команд управления и т.п. Представлен обзор принципов разработки самоорганизующе­гося роя дронов в качестве NCS посредством интеграции сетевой системы и вычислительной системы. Кроме того, проводится анализ интеграции указанных систем для повышения про­изводительности роя дронов.

---

Ключевые слова: рой беспилотных летательных аппаратов, сетевые системы управ­ления, беспроводные сети, внутрисетевые вычисленияReview PaperIntegration of networks and computing to build a drone swarm
management system as a network management systemVitaliy А . DovgalMaikop State University of Technology, Adyghe State University,
Maikop, Russia, urmia@mail.ruAbstract. Recently, the importance of the practical application of multi-agent systems, such as swarms of drones, has been increasing, due to the emergence of many devices capable of communicat­ing with each other for the purpose of their cooperative behavior. However, automating drone swarm control is challenging, due to the presence of constantly changing environmental conditions and the limitations of the wireless communication channels used by each unmanned aerial vehicle in the flock. To solve these problems, the paper proposes to consider a swarm of drones as a network control sys­tem (Networked Control Systems, NCS), in which the entire system is controlled within a wireless communication network. This approach is due to the close relationship between network and comput­ing systems used to effectively support the main functions of swarm management: data collection and exchange, decision-making on the distribution of control commands, etc. The paper provides an over­view of the principles of developing a self-organizing drone swarm as an NCS through the integration of a network system and a computing system. In addition, the paper analyzes the integration of these systems to improve the performance of a swarm of drones.Keywords: drone swarms, networked control systems, wireless networks, in-network computingВведениеБеспилотные летательные аппараты (БПЛА, дроны) - это автономные или уда­ленно пилотируемые летательные аппараты, которые имеют большой набор сценариев применимости благодаря своей универсальности, низкой стоимости и простоте развер­тывания [1]. Сценарии применимости охватывают как военные, так и гражданские об­ласти [2]. В военных целях БПЛА предотвращают гибель и ранения личного состава, а также используются для распознавания объектов наблюдения. Гражданское примене­ние дронов еще более разнообразно и включает в себя сбор актуальной информации об объектах, находящихся на поверхности Земли, обеспечение беспроводной связи (изо­бражения и видео, из удаленных мест), доставку товаров и управление дорожным движением [3]. Индивидуальные ограничения беспилотных летательных аппаратов приводят к трудностям при выполнении длительных задач, таких как охват больших географических районов и своевременное предоставление важной информации. Для более эффективного выполнения указанных задач все чаще и чаще в настоящее время дроны используются для выполнения некоторого задания (например, поисковой опе­рации) не поодиночке, а в составе организованной группы, которую можно назвать ро­ем (или стаей) [4].

---

Каждый беспилотник в рое может быть рассмотрен как простой агент в сетевой системе управления, а совокупность всех агентов роя представляет собой мультиагент- ную систему, в которой все необходимые задачи распределяются между всеми дронами на основе интеграции сетевой и вычислительной систем, что позволяет решать слож­ные задачи, поставленные перед стаей дронов [5]. Таким образом, разработка интегри­рованной системы управления роем дронов позволит повысить эффективность усилий по координации поведения беспилотных летательных аппаратов, что позволит обеспе­чить более широкий охват территории, более высокую гибкость и надежность за счет резервирования.Разрабатываемые системы управления роем беспилотных летательных аппара­тов могут быть построены на основе как децентрализованного управления полетом, так и с единым центром управления (как централизованная система). Поскольку в боль­шинстве случаев используются беспроводные каналы коммуникации, то помимо про­чих вопросов необходимо решать технические проблемы, связанные с обеспечением безопасности передачи данных и вычислительной производительности агентов стаи (например, [6]). Кроме того, много усилий направлено на преодоление ограничений, связанных с масштабируемостью системы агентов, обусловленной изменением качест­ва беспроводных каналов связи, а также предотвращение столкновений и управление формированием стаи, потенциально влияющие на успешность выполнения миссии. Ис­пользование самоорганизующегося поведения системы роя беспилотных летательных аппаратов требует интеграции сетевых и вычислительных систем. Желательным пред­ставляется также использование какого-либо известного контроллера, который доста­точно часто обновлял бы статус всей системы роя [4].Тесная консолидация сетевой и вычислительной системы позволит получить си­нергетический эффект, проявляющийся в том, что каждая из этих двух систем должна извлекать выгоду из присутствия другой: например, сетевая система должна иметь воз­можность находить лучшие каналы передачи к близлежащим беспилотным летатель­ным аппаратам и/или лучшие пути обмена данными с удаленными агентами при ис­пользовании оценок (или прогнозов на основе некоторого алгоритма искусственного интеллекта) от вычислительной системы о качестве используемых путей беспроводной передачи данных. Настоящая статья описывает современный подход к разработке са­моорганизующихся роев дронов в качестве сетевых систем управления посредством интеграции сетевых и вычислительных систем, включая их эффекты взаимодействия.

---

1. 
   Рой беспилотных летательных аппаратов как сетевая система управления
   

Стая дронов в большинстве случаев ориентирована на выполнение некоторой поставленной миссии, которая может отличаться масштабом и сложностью, требуя раз­вертывания сетей с различными стратегиями - начиная от невзаимодействующего при­менения (один или группа невзаимодействующих беспилотных летательных аппаратов связаны с наземным центром управления (см. рис. 1)) и заканчивая многокластерным взаимодействующим применением нескольких стай, использующихся для более мас­штабных миссий (см. рис. 3) и представляющих собой крайне сложную систему, пере­дающую данные через наземную или спутниковую платформу. В таких миссиях рой беспилотных летательных аппаратов может быть смоделирован как сетевая система управления (Networked Control Systems, NCS) [7].

1. 
   Модель сетевой системы управления
   

NCS - это вычислительная система, управление в которой реализуется в замкну­том контуре через сеть связи. В рое дронов, рассматриваемом в модели NCS, управ­ляющие воздействия и сигналы обратной связи передаются между системными вычис­лительными блоками или агентами в форме информационного пакета. Типичная NCS обеспечивает свою функциональность с помощью двух основных элементов:

1. 
   вычислительной системы, предназначенной для сбора данных с помощью датчиков, принятия решения и исполнения команды с помощью исполнительных ме­ханизмов;
   
2. 
   сети, предназначенной для обмена информацией, в которую включены моду­ли связи, использующие стандарты и протоколы (например, управление доступом к среде и маршрутизация).
   

За обработку данных отвечают установленные на каждом дроне бортовые ком­пьютеры, обладающие микросервисами для выполнения конкретных задач, таких как зондирование, принятие решений (например, управление полетом), воздействие на ок­ружающую среду или на сам рой [8]. Интеграция дронов в сеть позволяет изменить функционирование всей стаи за счет эффективной реализации замкнутого цикла, ти­пичного для NCS. Преимуществом такого объединения является повышение эффектив­ности действий каждого дрона, позволяя им вести себя как группа из нескольких аген­тов, которые работают вместе, стремясь достичь общей цели. Развертывание роев дро­нов в значительной степени зависит от беспроводных и сетевых технологий для пере­дачи определенных данных и команд управления между дронами или между дронами и наземным управлением, что приводит к развертыванию роев дронов на основе двух стратегий: без взаимодействия и с взаимодействием.

---

2. 
   Стратегия развертывания роев дронов без взаимодействия
   

Указанная стратегия предполагает подключение каждого беспилотника стаи напрямую к наземной станции управления, которая используется для мониторинга их статуса (например, местоположения, состояния датчиков, сетевых конфигураций), принятия решений и отправки новых команд, таких как новые путевые точки. Рас­сматриваемая стратегия является простым примером сети, которая не может быть до­полнительно разделена. Такого рода стратегию можно рассматривать как единую NCS, предполагающую, что каждый беспилотный летательный аппарат может создать замкнутый контур управления для оптимизации своей работы. Так как дрону все еще необходимо взаимодействовать с наземным центром управления, то необходимо под­держивать связь для выполнения миссии, используя системы сбора, связи, обработки данных и управления.

1. 
   Топология сети
   

В стратегии развертывания роев дронов без взаимодействия беспилотные лета­тельные аппараты управляются наземной станцией, что предполагает существование эффективных каналов восходящей и нисходящей связи, как показано на рисунке 1, что позволяет наземному пункту управления передавать параметры полета беспилотникам и принимать от них данные. В случае совместного использования нескольких беспи­лотных летательных аппаратов связь между ними не может осуществляться напрямую или через наземную станцию. На рисунке 1 показан случай с несколькими беспилот­ными летательными аппаратами.Рис. 1. Развертывание роев дронов без взаимодействия Fig. 1. Deployment of drone swarms without interactionВ этой простой стратегии развертывания имеется двунаправленная линия связи от каждого дрона к наземной системе управления, позволяющая напрямую передавать данные и команды управления, относящиеся к конкретному приложению. Эту страте­гию рекомендуется использовать при малой площади охвата, выполняющейся миссией для несложных сценариев. Основное ограничение этой стратегии - наземная станция управления является единственной точкой отказа, в которой может произойти отклю­чение всей сети вместе с задержками передачи, достигающими высшей точки из-за длинных беспроводных линий связи, направленных на охват более широкой области. С точки зрения связи стратегия развертывания без взаимодействия основывается на точ­ной модели канала «воздух-земля», конструкции антенны и модели мобильности.

---

Смотрите также файлы

• Прочитайте текст и выполните задания 1 А.Ф.Кони. Искусство речи на суде.docx

• Сор 1 за раздел 1А Отношения и пропорции Тема.docx

• Орловский Государственный университет им. Тургенева Презентация.pptx

• Инструкция по применению вакцины туберкулезной (бцжм) сухой (для щадящей первичной иммунизации) вакцины бцжм АлмМа Ахмед.pptx

• Исполнитель студентка гр. 392 Мс, актуальность темы задачи Провести наблюдение за собственным образом жизни.pptx