Modeling of project activities for UAV modernization to conduct swarm drone attack missions

Abstract

This study addresses the critical issue of modernizing existing unmanned aerial vehicles (UAVs) to enhance their applicability in the contemporary conditions of hybrid warfare. The research focuses on adapting the structural design of UAVs through reengineering, enabling their deployment in swarm attack operations against high-priority enemy targets. Thus, this publication explores the essential measures for planning project activities related to UAV modernization, aiming to align their capabilities with the operational needs of military forces on the battlefield. The primary objective of this study is to develop a comprehensive set of mathematical and simulation models that facilitate the planning of UAV modernization projects. The models are intended to optimize new functions related to control, coordination, and navigation, enabling UAVs to perform as part of drone swarms in military missions. This research analyzes the existing challenges in reengineering high-tech systems for evolving operational environments and presents possible UAV reengineering strategies. A particular emphasis is placed on the component-based approach to designing new UAVs or upgrading existing ones. The study categorizes UAV components into three types within the architecture of modern high-tech systems: existing components, components requiring modernization, and newly developed components. The findings highlight the necessity of balancing the reuse of existing components with the integration of innovative technologies. While innovative components enhance UAV capabilities, they also increase project duration, costs, and associated risks – factors that are particularly critical during a state of war. This study also examines the currently deployed UAV models to assess their suitability for modernization projects. In the initial stages of UAV modernization, expert assessments from specialists in complex system manufacturing and military operations are used to evaluate and rank potential modernization options. These qualitative evaluations, represented as linguistic variables, were processed using the lexicographic ordering of alternatives to identify the most reasonable option for implementation. Integrating new components into existing UAV architectures necessitates optimizing reengineering decisions under constraints such as limited time, budget, and heightened risks due to national security conditions. To address this, an optimization model based on integer (Boolean) programming was developed for selecting the most rational UAV component architecture. Additionally, significant attention is given to structuring the sequence of project activities, estimating the project completion time, and evaluating the risks associated with UAV modernization. A simulation model was constructed to analyze the lifecycle of new UAV components or the modernization of existing ones within a specified time scale. The entire modernization project was also simulated to assess the feasibility and efficiency. Using the agent-based platform AnyLogic, interactive simulation modeling of the UAV modernization processes was conducted. The scientific novelty of this research lies in the development of original models that enable comprehensive UAV analysis for modernization. These models facilitate the selection of new UAV components, assess modernization project timelines and risks, and apply simulation modeling to evaluate the sequence of project activities. The research findings provide a foundation for planning UAV modernization processes to enhance their operational effectiveness in modern hybrid warfare. By integrating aerial operations with ground-based military actions, this approach contributes to strengthening national defense capabilities.

Формується та вирішується актуальна задача дослідження модернізації існуючих БПЛА для їх використання в сучасних умовах гібридної війни. Дослідження, яке проводиться, спрямоване на адаптацію існуючої структури БПЛА, шляхом реінжинірингу, для забезпечення можливостей проведення бойових дій в формі ройових атак за актуальними цілями противника. Тому, актуальна тема запропонованої публікації, в якій досліджуються необхідні заходи щодо планування проєктних дій, пов’язаних з модернізацією існуючих БПЛА та їх наближення до потреб військових на полі бою. Метою публікації є створення комплексу математичних та імітаційної моделей, за допомогою яких можна планувати проєкт модернізації БПЛА за напрямком виконання нових функцій управління, координації та навігації, для використання у військових місіях рою дронів. Проаналізовані існуючі проблеми реінжинірингу високотехнологічних виробів для використання в умовах застосування, які змінюються. Представлені можливі стратегії реінжинірингу БПЛА. Особлива увага приділяється компонентному підходу для створення нових, або модернізації існуючих БПЛА. Відокремлюються можливі типи компонент, які входять до архітектури сучасного високотехнологічного виробу (існуючі компоненти, компоненти, які необхідно модернізувати, нові компоненти). Зроблено висновок про необхідність пошуку компромісу між існуючими компонентами, які повторно використовуються, та новими (інноваційними) компонентами. Інноваційні компоненти призводять до збільшення часу, витрат та ризиків проєкту модернізації, що необхідно враховувати в період воєнного стану країни. Аналізуються існуючі БПЛА для використання в проєктах модернізації. На початкових етапах проєкту модернізації БПЛА, для вибору найкращого варіанту серед можливих, використовуються якісні оцінки експертів (фахівців виробництва складних виробів, військових) у формі якісних значень лінгвістичної змінної. За допомогою лексикографічного впорядковування варіантів формується раціональний варіант для участі в проєкті модернізації. Втілення нових компонент в існуючу архітектуру БПЛА потребує пошуку оптимальних рішень щодо реінжинірингу в умовах скорочення часу, витрат та ризиків особливого стану країни. Створюється оптимізаційна модель для вибору раціональної компонентної архітектури БПЛА з використанням цілочисельного (булевого) програмування. Велика увага приділяється дослідженню послідовності проєктних дій щодо модернізації БПЛА, для оцінки часу виконання проєкту та ризиків його реалізації. Створена імітаційна модель для аналізу, у заданому масштабі часу, життєвого циклу створення нових (або модернізації існуючих) компонент, а також проєкту модернізації у цілому. За допомогою агентної платформи Any Logic проводиться інтерактивне моделювання проєктних дій щодо модернізації БПЛА. Наукова новизна дослідження пов’язана зі створенням оригінальних та нових моделей, які дозволять проаналізувати існуючі БПЛА для їх подальшої модернізації, обґрунтувати вибір нових компонент в архітектурі виробу, провести оцінку часу, ризиків реалізації проєкту модернізації БПЛА в умовах особливого стану країни, шляхом імітаційного моделювання послідовності проєктних дій. Результати дослідження доцільно використовувати при плануванні процесу модернізації існуючих БПЛА для наближення їх можливостей до вимог сучасної гібридної війни, де потрібно інтегрувати дії в повітрі з діями військових на полі бою, що забезпечить підвищення обороноздатності країни.