CC BY
27
УДК 629.78.007
ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩАЯ МОДЕЛЬ ТРЕНАЖЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ КОСМОНАВТОВ
© 2009 г. И.Г. Сохин
ФГБУ «НИИЦПК им. Ю.А. Гагарина»
State Organization «Y.Gagarin Research & Test Cosmonaut Training Center»
Рассматривается подход к сложной операторской деятельности космонавтов в системе «ЦУП— экипаж-ПКО» с позиций нелинейных динамических систем, имеющих состояния неустойчивости. Предложена концепция адаптивного моделирования на тренажерах устойчивых состояний компетентности космонавтов как способности к деятельности с гарантированным качеством и надежностью в условиях управляемой неопределенности.
Ключевые слова: подготовка космонавтов; система «ЦУП-экипаж-ПКО»; обеспечение безопасности космического полета; нештатная и аварийная ситуации; моделирование состояний компетентности; процессно-компетентностный подход; гарантированные качество и надежность деятельности; управляемая неопределенность.
The article reviews an approach to study a complex cosmonaut activity in «MCC-crew-spacecraft» system from the position of non-linear dynamic system having unstable states. The concept of adaptive modeling the cosmonauts' competence states by trainers is proposed. The stable cosmonauts' competence state is considered as an ability of cosmonauts to ensure the reliability of space screws activity in controlled uncertainty conditions.
Keywords: cosmonauts training; «MCC-crew-spacecraft» system; space flight safety; off-nominal and emergency situations; competence states modeling; competence based training; the reliability of space screws activity; controlled uncertainty.
Особенностью профессиональной деятельности космонавтов является необходимость приобретения первичного «космического» опыта в наземных условиях. Парадокс заключается в том, что в настоящее время отсутствует возможность обучения космонавтов в натурных условиях, как это происходит у летчиков, моряков, которые после первичной наземной подготовки приобретают профессиональный опыт деятельности на реальном самолете или корабле. В отличие от них космонавты, впервые включенные в состав экипажей пилотируемого космического объекта (ПКО), должны приобретать «космический» опыт в процессе полунатурной моделируемой деятельности на тренажерах. Поэтому к тренажерной подготовке космонавтов предъявляются очень высокие требования. Для успешного выполнения программы космического полета и обеспечения безопасности наземная тренажерная подготовка космонавтов должна гарантировать требуемые качество и надежность деятельности членов экипажей ПКО во всевозможных экстремальных ситуациях космического полета, устойчивость к воздействию неблагоприятных факторов космического полета и адекватные действия в нештатных (аварийных) ситуациях. Принцип «натаскивания» до автоматизма в результате многочисленных повторений здесь не работает. Нужны новые эффективные методологические подходы к информационно-управляющим процессам подготовки космонавтов в условиях моделируемой деятельности. Актуальной становится проблема не просто имитировать на тренажерах динамику функционирования ПКО, а целена-
правленно моделировать саму информационно-психологическую структуру деятельности космонавтов в системе «ЦУП - экипаж - ПКО» с целью достижения требуемого качества их подготовленности к полету.
Основу информационно-психологической структуры операторской деятельности человека составляет триада следующих классов психических процессов
[1 - 3]:
1) когнитивно-информационные;
2) регулятивно-волевые;
3) эмоциональные.
С позиций теоретико-информационных и общекибернетических подходов первый класс триады (когнитивные процессы) может интерпретироваться как «информация», регулятивно-волевые процессы - как «управление, регуляция» на основе «информации». Эмоциональные процессы могут рассматриваться как усилитель когнитивно-информационных и регулятив-но-волевых процессов. При таком информационном подходе к психике становится возможным преломление общих принципов системного анализа и теории информации к организации информационных процессов в структуре психических явлений.
При тренажерной подготовке космонавт выступает одновременно в двух ролях. В моделируемой на тренажере системе «ЦУП - экипаж - ПКО» он является управляющей системой, в задачу которой входит управление состояниями ПКО. В системе подготовки космонавт выступает в роли объекта управления, на который направлены управляющие воздействия в виде
моделируемых на тренажере заданий. Целью управления системы подготовки является достижение требуемого состояния подготовленности космонавта. В основе информационного управления состояниями подготовленности космонавтов при их моделировании на тренажерах лежит фундаментальный принцип кибернетики, известный как принцип необходимого разнообразия Эшби. Кратко принцип Эшби может быть сформулирован так: «разнообразие управляющей системы должно быть не меньше разнообразия объекта управления». Согласно данному принципу неопределенность объекта управления можно понизить до желаемого уровня только увеличив энтропию управляющей системы, при этом для управления нужно располагать возможно более точной и полной информацией об управляемом объекте и внешней среде. Математически этот принцип может быть определен через энтропию объекта управления и управляющей системы:
H(Y / U) = H(Y)max - H(U) + H(U / Y):
(1)
где H(Y/U) - энтропия состояния космонавта после получения управляющего воздействия U; H(Y)max -исходная безусловная энтропия состояния подготовленности космонавта; H(U) - энтропия управляющей системы; H(U/Y) - условная энтропия управляющей системы после получения сообщения о состоянии подготовленности космонавта.
Выражение (1), определяющее предельные возможности управления, показывает, что для повышения качества управления, т.е. уменьшения энтропии H(Y/U), необходимо:
- уменьшать разнообразие состояний подготовленности космонавта H(Y);
- увеличивать разнообразие управляющих воздействий H(U), приближая его к разнообразию состояний космонавта H(Y);
- уменьшать неоднозначность управляющих воздействий H(U/Y) относительно состояний космонавта, что возможно при наличии полной информации о состояниях космонавта и внешней среде.
Иными словами, нужно стремиться к тому, чтобы на каждое возможное состояние подготовленности космонавта имелось свое управляющее воздействие, чтобы существовала возможность использования управляющих воздействий в зависимости от состояния и чтобы всякий раз обеспечивался выбор того воздействия, которое соответствует состоянию космонавта. Фактически речь идет об адаптивном управлении состояниями подготовленности космонавтов. Для уменьшения разнообразия состояний космонавтов H(Y) необходим переход от оценки состояний подготовленности космонавтов по выходным параметрам операций (которых очень много) к внутренним агрегированным состояниям их операторских функций (компетентности).
В рамках разрабатываемого автором процессно-компетентностного подхода к подготовке космонавтов [4] введены три ключевые категории - «пространство входов», «состояния компетентности» и «про-
странство выходов», представляющих в соответствии с учением Аристотеля три стороны единого процесса. Заметим, что подобный метафизический подход принят в современной теоретической физике - бинарной геометрофизике [5]. Согласно Аристотелю, «пространство входов» и «пространство выходов» представляют возможности - два крайних состояния системы. Для осуществления перехода от возможности к действительности необходима третья сторона, их связывающая, которой является «состояние компетентности» космонавтов. Каждая из этих категорий по существу является моделью, имеющей собственные структуру и количественную меру на множестве своих элементов. Причем пространства входов и выходов относятся к объекту, с которым взаимодействуют космонавты. Состояние компетентности является внутренней характеристикой космонавтов и характеризует качество их операторских функций, таких как контроль и оценка состояния ПКО, прогноз развития событий, принятие решений, планирование действий, исполнение, внутригрупповое взаимодействие и т.п. Оно, в отличие от первых двух категорий, является абстрактной категорией, которая не может быть измерена непосредственно, а должна определяться через отношения двух других категорий. Задачей подготовки является достижение такого итогового состояния компетентности космонавта, которое гарантированно обеспечивало бы требуемое качество и надежность результатов его деятельности в космическом полете в допустимом диапазоне «входов». Поскольку три рассматриваемые категории связаны между собой определенными отношениями, целенаправленное моделирование «входов» с учетом реакций «выходов» по существу ведет к моделированию состояний компетентности космонавтов. Поэтому процесс целенаправленного, соответствующего индивидуальным возможностям космонавта, моделирования «входов» будем называть адаптивным моделированием компетентности космонавтов.
Модель деятельности экипажа ПКО в космическом полете (также как в условиях моделируемой деятельности на тренажере) может быть представлена следующей схемой (рис. 1).
Вход U
Нормы деятельности
Экипаж ПКО
(X)
Выход Y
• Цели
• Состояние ПКО
• Ресурсы
• Устойчивость
• Выполнение ПрП
• Обеспечение БКП
Рис. 1. Модель деятельности космонавтов в космическом полете
Деятельность космонавтов в космическом полете рассматривается как процесс их взаимодействия с окружающей средой, которая для космонавтов представлена воздействиями и реакциями ЦУП и ПКО.
Здесь входами и являются: цели деятельности, определяемые программой полета и указаниями ЦУП; состояния ПКО; имеющиеся ресурсы экипажа, включающие средства и способы осуществления деятельности в данных конкретных условиях. Выходом Y процесса является качество результатов деятельности экипажа по отношению к ожидаемому воздействию на состояние ПКО: обеспечение устойчивости состояний ПКО; выполнение программы полета (ПрП); обеспечение безопасности (БКП). Нормы деятельности являются нормативно-правовыми регуляторами способов осуществления деятельности космонавтов, правил поведения и ответственности. Экипаж ПКО в модели представлен состоянием его компетентности Х.
Следует отметить важные особенности рассматриваемого процесса деятельности космонавтов в реальном космическом полете. Во-первых, воздействия на космонавтов среды, главным образом нештатных состояний ПКО, носят случайный характер. Вследствие этого деятельность космонавтов в космическом полете связана с той или иной степенью неопределенности входной информации. Во-вторых, взаимодействие космонавтов со средой носит характер отрицательной обратной связи - деятельность экипажа направлена на устранение рассогласований между фактическим и требуемым состояниями ПКО, обеспечения устойчивости его состояний. В-третьих, экипаж ПКО сам является сложной нелинейной системой, имеющей как устойчивые, так и неустойчивые состояния. Поэтому гарантируемые качество и надежность деятельности экипажа ПКО определяются исключительно его устойчивыми состояниями. Отсюда следует вывод, что в целях обеспечения гарантированных результатов деятельности космонавта необходимо определить диапазон неопределенности (или, что равносильно, диапазон параметров «входов»), при которых деятельность космонавта остается устойчивой. Это устойчивое состояние деятельности при определенном уровне сложности «входов» характеризует состояние компетентности космонавта.
Для введения количественной меры неопределенности «входов», ценности информации, получаемой космонавтом в процессе обучения, предлагается использовать динамическую теорию информации, развиваемую на основе синергетического подхода [6]. Сложная операторская деятельность космонавтов в системе «ЦУП - экипаж - ПКО» рассматривается с позиций нелинейных динамических систем, имеющих состояния неустойчивости. В отличие от традиционных линейных подходов к деятельности человека-оператора сложных систем человек - машина, в которых линейность означает пропорциональность отклика системы силе внешнего воздействия и применяется принцип суперпозиции «входов», синергетический подход основан на нелинейности сложных систем. С позиций синергетики эволюция сложных систем, в том числе и человека, характеризуется увеличением сложности, создания новых более совершенных упорядоченных структур [7]. Цель обучения человека заключается в том, чтобы с помощью самоорганиза-
ции уменьшить информационную меру расхождения между внутренней моделью мира в сознании и реальной окружающей средой. Синергетикой было доказано, что в основе возникновения и эволюции информации лежит неустойчивость. Неустойчивость является непременным условием генерации новой ценной информации. Воспринимать, хранить и передавать информацию можно (и даже лучше) в устойчивых процессах. Однако создавать ценную информацию можно только в условиях неустойчивости. Применительно к теории динамических систем «информация есть запомненный выбор одного варианта из нескольких возможных и равноправных» [6]. Данное определение имеет ряд преимуществ: оно четко, понятно и широко используется в естественных науках; позволяет понять механизмы деятельности человека с естественнонаучной точки зрения; допускает введение меры -количества ценной информации.
Когда делается выбор одного варианта из п возможных (реализующихся априорной вероятностью р„ /-1,2,...,п), количество информации выражается формулой
п
1 ="£ Р/ Р/,' = 1 п . (2)
/
Ценность информации зависит от цели, которая преследуется: чем в большей мере информация помогает достижению цели, тем более ценной она считается. Для ведения количественной меры ценной информации в деятельности космонавта необходимо рассмотреть два принципиально различных способа выбора информации - рецепцию и генерацию [6]. Рецепция информации - выбор, сделанный на основании информации, которую человек принимает извне. На языке теории динамических систем рецепция информации означает перевод системы в одно определенное состояние независимо от того, в каком состоянии она находилась ранее. Рецепция информации осуществляется космонавтом при выполнении установленных процедур, изложенных в бортовой документации. Генерация информации - выбор, сделанный случайно, без подсказки извне. Космонавт генерирует новую ценную информацию в нерасчетных нештатных ситуациях, т.е. когда система «ЦУП - экипаж - ПКО» переходит в неустойчивое состояние, выход из которого априорно не известен.
Рецептируемая и генерируемая информация определены на разных множествах. Рецептируемая информация определена на множестве объектов предметной деятельности с их структурой и семантикой. При генерации происходит обработка (перекодировка -перевод с языка одного множества на язык другого) и свертка информации - уменьшение ее количества при сохранении ее ценности. Поэтому генерируемая информация - это некая абстракция, кодирующая объекты действительности и не имеющая отношения к семантике. Как при рецепции, так и при генерации, способность космонавта воспринимать или генерировать зависит от информации, которую он уже содержит, т.е. от его компетентности.
Для определения ценности информации удобно использовать нормированную меру ценности [5]
V = Р ~ Р (0 < V< 1), (3)
1 - р
где р - вероятность достижения цели до получения информации, а Р - после.
Априорная вероятность р зависит от информационной тары или, что то же, полного количества информации I в выражении (2): р=2-. При равновероятности событий р = 1/ п полная информация I = п . Апостериорная информация Р может быть
как больше, так и меньше р. В последнем случае ценность отрицательна и такая информация является дезинформацией.
Согласно формуле (3), ценность информации зависит от величины р - априорной вероятности достижения цели, т.е. от того, какой предварительной информацией располагает космонавт перед выбором варианта. Эту предварительную осведомленность определим как когнитивную составляющую компетентности космонавта. Если предварительная осведомленность космонавта отсутствует, т.е. р = 1/п , и при этом после получения информации цель достигается наверняка (Р = 1), то ценность информации максимальна и равна 1. Ценность информации эволюционирует во времени. При решении проблемы выбора ценной становится та информация и у (х, ¿) из множества возможных вариантов и^ (х, t), / = 1, N, которая привела к выбору '-го удачного варианта (Р/=1) и вытеснению других вариантов (^¿'=0).
Таким образом, подготовка космонавтов может рассматриваться как информационно-динамический процесс, в котором в результате моделирования на тренажерах деятельности космонавтов в усложняющихся условиях ими генерируется новая ценная информация. Совокупность ценной информации, которой обладает космонавт в текущий момент, характеризует состояние его компетентности. Для генерации новой ценной информации, являющейся главным атрибутом развития, необходимо сочетание двух условий моделирования деятельности на тренажерах: наличие неустойчивости, мультистационарности «пространства входов» (для выбора космонавтами какого-нибудь одного из нескольких вариантов) и запоминание выбранных космонавтами состояний «пространства выходов». Модель «входов» должна быть мультистационарной, чтобы структурировать пространство признаков «входов» в соответствии с возможными стационарными состояниями системы «ЦУП - экипаж - ПКО». В процессе подготовки происходит эволюция состояний компетентности космонавтов, создание новых более совершенных упорядоченных информационных структур. Эволюцию состояний компетентности космонавтов, как и любых других самоорганизующихся систем, можно представить как чередование устойчивых и неустойчивых стадий (которые проявляются в правильных или ошибочных действиях космонавтов). Этот вывод под-
тверждается экспериментальными данными стадий становления навыков человека-оператора (автоматизация навыка, высокоавтоматизированный навык, деавтоматизация навыка, вторичная автоматизация навыка).
На основе вышеприведенных общеметодологических положений была предложена многоуровневая концептуальная схема адаптивного моделирования на тренажерах состояний компетентности космонавтов (рис. 2).
Основная идея этой концепции связана с необходимостью абстрагирования от частных свойств предметной деятельности и выделения структурно-информационных отношений в абстрактном виде, неискаженном частностями. Такие отношения можно описать в виде математических структур.
Информационная модель управления состояниями компетентности космонавтов в ходе тренировок на тренажерах представлена как многоуровневый двусторонний процесс прямого и обратного «восхождения от абстрактного к конкретному». Подготовка космонавтов на тренажерах рассматривается как дискретный процесс с рекуррентным изменением входных воздействий П(() от очередной тренировки к следующей. В целях адаптации входных воздействий к текущему состоянию компетентности космонавта используются вышестоящие уровни, представленные абстрактными информационными объектами. Информационные объекты вышестоящего уровня порождают информационные объекты нижестоящего уровня.
Нижний уровень модели представлен объектами реальной предметной деятельности космонавтов в системе «ЦУП - экипаж - ПКО». Здесь входами П(/)сП являются временные ряды полетных операций и нештатных ситуаций, моделируемых на тренажерах и являющиеся входными воздействиями на космонавтов на ¿-й тренировке. Пространственно-временная структура и входов изоморфна структуре деятельности космонавтов в космическом полете. Выходами У(() являются зафиксированные отклонения состояний системы «ЦУП - экипаж - ПКО» относительно области допустимых состояний, определяемых нормами деятельности. На этом уровне инструктором реализуется программа тренировки на тренажере и собираются данные о выходах У(().
На втором уровне происходит изоморфное преобразование входных и выходных данных, определенных на разных множествах. Вектор Пф(/+1) = = <и1,.,ип>, определяемый на четвертом уровне и описывающий сложность (неопределенность) входных сигналов в факторном пространстве оценочных признаков и, порождает множество П(/+1) полетных операций и нештатных ситуаций, сложность которых соответствует сложности вектора П ф(/+1). Вектор У ф(0 = = < уь..., ут >, получаемый в результате оценочного преобразования У(/), описывает меру отклонения состояния системы «ЦУП - экипаж - ПКО» как результат операторской деятельности космонавтов У(() относительно области устойчивых допустимых состояний
Удоп(0.
Рис. 2. Концептуальная схема адаптивного моделирования на тренажерах состояний компетентности космонавтов
Вектора Ц9^) и Уф(t) используются на следующем уровне для идентификации состояний компетентности космонавтов как нелинейных отображеий Хф(() = =ЛЩЪ, Р(0; ЦЧЫ), Р(Ы);..., Цф(/=0), Г(/=0)}.
На следующем уровне формируется вектор входных воздействий Ц^+1) = <иь...,ип> для очередной тренировки по разности текущего Хф(() и требуемого Хтрф^+1) состояний компетентности космонавта. Фак-торизованный вектор Ц^+1) = <иь...,ип> определяет неопределенность входных воздействий на очередной тренировке в зависимости от достигнутого состояния компетентности космонавта и выбранной стратегии обучения.
На уровне оперативного планирования выбирается траектория обучения в фазовом пространстве компетентности, отвечающая требованиям и ограничениям подготовки и индивидуальным возможностям кон-
кретного космонавта. Задание требований к итоговому состоянию компетентности космонавта, а также управление подготовкой в целом осуществляется на уровне стратегического планирования.
Таким образом реализуется адаптивное моделирование на тренажерах состояний компетентности космонавтов в условиях управляемой неопределенности входных воздействий. Адаптивность обучения достигается за счет оптимизации сложности управляющих воздействий в соответствии состояниями компетентности космонавта. Пределы управления, обеспечивающие определенное гарантированное качество деятельности космонавтов в условиях космического полета, обусловлены устойчивостью результатов моделируемой деятельности космонавтов к некоторому диапазону сложности входных воздействий.
Выводы
1. Ключевыми категориями концепции адаптивного моделирования на тренажерах и любых других средствах подготовки состояний компетентности космонавтов выступают «пространство входных воздействий», «пространство выходных реакций», «состояния компетентности космонавтов». Результатом такого моделирования является управляемое состояние компетентности космонавтов, обеспечивающее гарантированные качество и надежность деятельности экипажей ПКО в определенном диапазоне условий космического полета.
2. Концептуальная схема адаптивного моделирования на тренажерах состояний компетентности космонавтов представлена как двусторонний многоуровневый процесс прямого и обратного преобразования структурно-информационных объектов разного уровня абстрактности.
3. Дуальные отношения между категориями рассматриваемой триады позволяют определять третью категорию как производную первых двух. Отношение Ц х Y ^ X позволяет оценивать состояния компетентности X космонавтов. Отношение и х X ^ Y дает возможность прогнозировать результаты деятельности космонавтов Y при определенных условиях деятельности и и состоянии компетентности космонавтов X. Отношение X х Y ^ и позволяет целенаправленно моделировать на тренажерах входные воз-
Поступила в редакцию
действия и для достижения требуемого состояния компетентности космонавтов.
4. Для формализации отношений между рассматриваемыми категориями целесообразно использовать технологии «мягких вычислений», включающие в себя математический аппарат экспертных систем, нейронных сетей и теории нечетких множеств.
5. Предложенная концепция адаптивного моделирования на тренажерах состояний компетентности космонавтов может быть применена для подготовки операторов других сложных систем человек - машина. Кроме того, результаты моделирования компетентности операторов могут использоваться при проектировании систем и анализе происшествий, связанных с устойчивостью операторской деятельности.
Литература
1. Веккер Л.М. Психические процессы. Т. 1. Л., 1974. 334 с.
2. Веккер Л.М. Психические процессы. Т. 3. Л., 1976. 342 с.
3. Веккер Л.М. Психические процессы. Т. 3. Л., 1981. 326 с.
4. Сохин И.Г. Комплексная подготовка экипажей МКС как управляемый технологический процесс : монография. Звездный городок, 2007. 178 с.
5. Владимиров Ю.С. Метафизика : 2-е изд., перераб., и доп. М., 2009. 568 с.
6. Чернавский Д.С. Синергетика и информация: Динамическая теория систем. 3-е изд., доп. М., 2009. 304 с.
7. Майнцер К. Сложносистемное мышление: Материя, ра-
зум, человечество. Новый синтез : пер. с англ. / под ред. и предисл. Г.Г. Малинецкого. М., 2009. 464 с.
19 октября 2009 г.
Сохин Игорь Георгиевич - канд. техн. наук, доцент, ведущий научный сотрудник ФГБУ «НИИЦПК им. Ю.А. Гагарина». Тел.(495) 526 3870; 8-916-249-62-05. E-mail: isokhin@yandex.ru
Sokhin Igor Georgievich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, chief research officer of State Organization «Y.Gagarin Research & Test Cosmonaut Training Center», Ph. (495) 526 3870, 8-916-249-62-05. E-mail: isokhin@yandex.ru_
