CC BY
53
УДК 629.735
МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ПОДДЕРЖКИ ЭКИПАЖА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СТЕНДА ПОЛУНАТУРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
А.В. Бабиченко, А.Б. Сухомлинов, А.С. Шевадронов, А. А. Бабиченко, А. А. Воробьев, И. А. Елесин, В.Р. Кожин, М.В. Тектов
Рассмотрены вопросы полунатурного моделирования перспективной системы интеллектуальной поддержки экипажа летательного аппарата, включающей в свой состав экспертную систему, которая на основе анализа текущей информации и правил, размещенных в базе знаний, формирует в реальном времени рекомендации для экипажа по действиям в конкретных ситуациях. Экипаж, следуя рекомендациям, предъявляемым посредством информационно-управляющего поля кабины, управляет объектом, избегая попадания в опасные ситуации.
Ключевые слова: моделирование, база знаний, экспертная система, стенд, алгоритмы.
В современных и перспективных летательных аппаратах (ЛА) для снижения нагрузки на экипаж и сосредоточения внимания экипажа непосредственно на выполнении боевых задач все больше вводится автоматизированная поддержка экипажа при решении задач самолетовождения и контроля. На данный момент во всех комплексах бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО) или самолетном оборудовании в той или иной мере реализована различная автоматизированная поддержка экипажа на всех этапах полета, а именно:
- предполетная подготовка ЛА к вылету;
- взлет ЛА;
- выполнение навигационных задач;
- выполнение боевых задач;
- посадка ЛА;
- послеполетная оценка действий экипажа и готовность бортового оборудования и ЛА к последующему вылету.
Внедрение информационных и когнитивных технологий для поддержки решения этих задач может существенно разгрузить экипаж и позволить ему сосредоточиться на других, более сложных задачах. Таким образом, авионика ЛА развивается в направлении интеллектуализации, т.е. поэтапной передачи бортовому оборудованию функций принятия решения в контуре управления. Для этого в состав комплекса бортового оборудования (КБО) вводится система интеллектуальной поддержки (СИП), ядром которой является интегрированный в бортовую сеть вычислитель со специальным функциональным программным обеспечением (ФПО) - бортовая экспертная система (ЭС), которая на основе анализа текущей информации и в соответствии с правилами, записанными в программируемой ба-
70
зе знаний, в реальном масштабе времени осуществляет идентификацию полетных ситуаций и формирование рекомендаций по действиям для экипажа. Эти рекомендации посредством информационно-управляющего поля кабины (ИУП) предъявляются экипажу, который или действует в соответствии с ними, или принимает собственное решение [1].
Важнейшим инструментом отработки интеллектуального контура управления является стенд моделирования систем КБО, ЭС и действий экипажа в различных полетных ситуациях [2]. Таким инструментом в данной работе является многофункциональный стенд комплекса бортового оборудования (МСКБО), который обеспечивает моделирование одновременного полета основного и дополнительного ЛА разных типов, их бортового оборудования, фоноцелевой обстановки и окружающего пространства, а также элементов контура интеллектуальной поддержки [3].
МСКБО представляет собой многофункциональный реконфигури-руемый стенд имитационного математического моделирования бортового оборудования ЛА в различных полетных режимах, обеспечивающего выполнение демонстрационных, учебных и научно-исследовательских работ
[3].
На рис. 1 изображена организация рабочих мест и обмена между
ними.
Рис. 1. Рабочие места МСКБО
71
МСКБО состоит из объединенных в локальную вычислительную сеть топологии «звезда» электронно-вычислительных машин (далее по тексту ЭВМ), рабочих мест и компонентов:
- рабочее место основное (далее по тексту РМО) в кабине рассчитано на работу двух человек - оператора и инструктора. На РМО проводятся основные виды научно-исследовательских, учебных и демонстрационных работ в соответствии с целевым назначением МСКБО. Оператор -собственно исследователь (при выполнении научно-исследовательских работ и учебно-исследовательских заданий) или учащийся (при выполнении учебных и демонстрационных работ);
- рабочее место дополнительное (далее по тексту РМД) для имитации других ЛА из при групповом взаимодействии ЛА. Это рабочее место представлено одной ЭВМ, которая объединяет в себе те же математические модели, что и для РМО, и является упрощенной версией РМО (отсутствие макета кабины как таковой, упрощенная форма визуализации зака-бинного пространства, неполный состав имитаторов и моделей), но с тем же функционалом;
- рабочее место программиста (далее по тексту РМП) предназначено для разработки и редактирования отдельных модулей МСКБО при подготовке исследовательских и учебных работ, формирования полетного задания, обработки результатов моделирования;
- рабочее место инструктора (далее по тексту РМИ) предназначено для изменений условий полета: задание метеоусловий, имитация отказа систем, изменение фоноцелевой обстановки. Инструктор также является руководителем оператора-учащегося (при выполнении учебных и демонстрационных работ) или коллегой оператора-исследователя (при выполнении научно-исследовательских работ и учебно-исследовательских заданий);
- рабочее место администратора сети (далее по тексту РМА). Администратор следит за правильной работой сервера;
Прототип бортовой ЭС как ключевой элемент интеллектуального контура управления реализован на отдельном вычислителе и содержит основные компоненты ЭС: базу знаний, машину логического вывода, прогнозирующие модели особых ситуаций, средства интерфейса. Предъявление сформированных ЭС рекомендаций осуществляется с помощью специально выделенного монитора в составе стенда.
Интеграция ЭС в работу стенда осуществлялась включением в состав МСКБО ещё одной вычислительной машины (ЭВМ ЭС) и отдельного монитора для отображения рекомендаций оператору от ЭС. Таким образом, параллельно привычному контуру управления создается интеллектуальный контур: информация с датчиков (ЭВМ КБО), помимо ЭВМ БЦВМ, также поступает и в ЭВМ ЭС, выходом которой, в свою очередь, являются рекомендации, поступающие на систему отображения информации (СОИ).
В общем случае СИП содержит следующие компоненты:
- контроль и управление циклограммой работы специального ФПО;
- интерфейсы подключения к информационным потокам и взаимодействия с бортовым оборудованием, буферы обмена;
- прогнозирование моделей, оценка текущего состояния, формирование рекомендаций;
- базы знаний по группам особых ситуаций и базы данных;
- накопление знаний и обработка статистических данных;
- индикация рекомендаций.
Все указанные компоненты представляют собой программные продукты на соответствующей аппаратной платформе - специальной или универсальной ЭВМ.
Также в состав стенда введены элементы контура интеллектуальной поддержки (ЭС, монитор для визуальной индикации рекомендаций, система объективного контроля (записи результатов работы) ЭС, программный имитатор действий экипажа по отработке рекомендаций ЭС - для автоматизации экспериментов и исключения человеческого фактора при их проведении).
Структурная схема стенда моделирования показана на рис. 2, где пунктирными линиями выделены основные компоненты стенда, реализованные на базе универсальных вычислителей (ЭВМ):
- математические модели основного ЛА и его общесамолетного/ общевертолетного оборудования (ЭВМ ЛА);
- математические модели систем комплекса бортового оборудования (КБО) и ИУП основного ЛА (ЭВМ КБО РМО и ЭВМ ИНД);
- математические модели дополнительного ЛА, его КБО и ИУП (ЭВМ РМД);
- имитатор БЦВМ для основного и дополнительного ЛА (ЭВМ БЦВМ с ОС Linux);
- прототип экспертной системы основного ЛА (ЭВМ ЭС).
Также компонентами стенда являются:
- полноразмерный макет кабины ЛА с органами управления и аналого-цифровыми преобразователями для основного ЛА (кабина WAGO) и упрощенные органы управления для дополнительного ЛА (ОУ РМД);
- сенсорные мониторы - имитаторы индикаторов ИУП основного ЛА (СОИ) и дополнительного ЛА (монитор ИНД);
- две системы визуализации закабинного пространства - для основного и дополнительного ЛА (СВ РМО и СВ РМД).
Математические модели ЛА основаны на численном интегрировании системы нелинейных дифференциальных уравнений динамики с возмущающими и управляющими силами и моментами.
Математические модели измерительных датчиков и систем КБО формируют сигналы соответствующих систем с учетом инструментальных и методических погрешностей.
Имитаторы БЦВМ и ИУП реализуют типовые алгоритмы ФПО современных бортовых вычислителей.
Сенсорные мониторы стенда обеспечивают имитацию и прототипи-рование любых кадров авиационных индикаторов и их кнопочного обрамления.
Рис. 2. Схема стенда моделирования системы интеллектуальной
поддержки экипажа
Обмен между отдельными компонентами стенда осуществляется по каналам Ethernet в соответствии с протоколами информационного взаимодействия.
Распределение основных моделей по разным вычислителям и их информационное сетевое взаимодействие, а также независимые органы управления моделями основного и дополнительного ЛА обеспечивают квазиреальное моделирование одновременных физических процессов, протекающих в контурах управления ЛА.
Операторы основного и дополнительного рабочих мест, управляя поведением соответствующих ЛА, создают различные полетные ситуации в интересах исследования. Оператор рабочего места инструктора (на
74
рис. 2 не показано) посредством сетевого взаимодействия имеет возможность задавать метеоусловия, имитировать отказы систем, изменять фоно-целевую обстановку.
Основные данные, получаемые в ходе эксперимента, записываются на диск для последующего анализа.
Для обеспечения повторяемости эксперимента при исследовании в контур управления вводится программная модель действий экипажа (на рис. 2 не показана), включающая в себя блок запаздывания (имитатор осмысления индицируемой информации и принятия решения), нейро-мускульный блок (имитатор воздействия на органы управления), корректирующий блок (имитатор адаптивных свойств квалифицированного оператора). Модель действий экипажа включается в контур управления параллельно человеку-оператору стенда и формирует управляющие сигналы для моделей систем КБО.
Порядок отладки СИП с моделью действий экипажа предполагает следующие действия.
1. Запуск стенда в соответствии с нормативным документом.
2. Оператор стенда производит виртуальный взлет ЛА и осуществляет горизонтальный полет.
3. Оператор стенда намеренно создает опасную ситуацию, на примере, устремляя ЛА к поверхности Земли.
4. Далее оператор передает управление программной модели действий экипажа, выбрав на мониторе соответствующий пункт.
5. По истечении определенного времени в зависимости от высоты и скорости полета ЭС обнаруживает опасную ситуацию и формирует соответствующую рекомендацию, которая появляется на СОИ.
6. Модель действий экипажа создает управляющее воздействие в соответствии с рекомендацией и выводит ЛА из опасной ситуации.
7. При устранении ОС условия формирования рекомендации исчезают, и она пропадает с индикаторов СОИ.
8. Оператор снова берет управление на себя и при необходимости возвращается к п.2.
Входные и выходные параметры модели записываются на жесткий диск для последующего анализа. Такой эксперимент позволяет настроить и отладить алгоритмы работы модели действий экипажа.
Основные особенности и возможности стенда моделирования с прототипом ЭС:
- моделирование движения одного или двух ЛА над программируемым рельефом любой сложности;
- исследование качества работы ЭС и корректности формируемых рекомендаций;
- исследование влияния погрешностей систем КБО на качество управления и формирования рекомендаций ЭС;
- исследование влияния характеристик экипажа как динамического звена на качество отработки формируемых ЭС рекомендаций по управлению;
- формирование массивов данных для постобработки результатов моделирования;
- прототипирование человеко-машинного интерфейса интеллектуального контура управления;
- масштабируемость основных моделей и используемых в ЭС баз знаний.
При разработке СИП были выполнены следующие работы:
- разработаны прогнозирующие модели системы интеллектуальной поддержки экипажа;
- встроена в многофункциональный стенд комплекса бортового оборудования оригинальная система объективного контроля;
- разработаны и отлажены интерфейсные модули подключения системы интеллектуальной поддержки экипажа к многофункциональному стенду комплекса бортового оборудования;
- разработаны методики моделирования системы интеллектуальной поддержки экипажа на базе многофункционального стенда комплекса бортового оборудования;
По результатам проделанных работ можно сделать следующие выводы, что современные пилотажно-навигационные комплексы в особых ситуациях перегружают экипаж информацией и не в достаточной степени поддерживают экипаж при принятии решения, и известные системы могут быть применимы только в гражданской авиации, в основном малоскоростной и маломаневренной, они не предназначены для работы в автономном режиме, то есть сильно зависят от данных, приходящих извне (от специальных наземных служб), а спектр решаемых задач для помощи пилоту не так широк и ограничен задачами предупреждения о столкновении.
Эффективным средством интеллектуальной поддержки экипажа является экспертная система на основе продукционной базы знаний, формирующая конкретные рекомендации пилоту в особых ситуациях. Многофункциональный стенд комплекса бортового оборудования в совокупности с интерфейсными модулями и системой объективного контроля позволяет проводить исследования экспертной системы.
Список литературы
1. Интеллектуальная поддержка экипажа / Г.И. Джанджгава, Д. А. Базлев, А.П. Прядильщиков, А.В. Бабиченко, А.Б. Сухомлинов // Материалы Девятого международного аэрокосмического конгресса. М., 2018. С.109 - 111.
2. Актуальные вопросы создания бортовых систем интеллектуальной поддержки экипажа / Г.И. Джанджгава, А.В. Бабиченко, Д. А. Базлев, Г.И. Герасимов, В.В. Кавинский, М.И. Орехов, А.П. Прядильщиков // Авиакосмическое приборостроение. 2018. № 12. С. 21 - 34.
3. Многофункциональный стенд комплекса бортового оборудования / В.И. Ахрамеев, А.Ю. Гузяков, С.Е. Яговцев, А.Н. Алексеев, А.В. Бабиченко, М.И. Семенов, А.Б. Сухомлинов // Навигация, наведение и управление летательными аппаратами: тезисы докладов 3-й Всероссийской научно-технической конференции. М.-Раменское, 2017. Т. 2. С. 59.
Бабиченко Андрей Викторович, д-р техн. наук, профессор, директор, aba-bichenkoarpkb.ru, Россия, Раменское, АО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро»
Сухомлинов Алексей Борисович, ведущий инженер, gsuhomlinovarpkh.ru, Россия, Раменское, АО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро»
Шевадронов Александр Сергеевич, инженер-исследователь,
ashevadronovarpkb.ru, Россия, Раменское, АО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро»,
Бабиченко Анастасия Андреевна, инженер, bahichenko a@bk.ru, Россия, Москва, АО «Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики»
Воробьев Александр Анатольевич, учебный мастер, avorobievarpkb.ru, Россия, Раменское, АО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро»
Елесин Илья Алексеевич, учебный мастер, ielesinarpkb.ru, Россия, Раменское, АО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро»
Кожин Владислав Романович учебный мастер, vkozhinarpkb. ru, Россия, Раменское, АО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро»,
Тектов Матвей Викторович учебный мастер, mtektovarpkb. ru, Россия, Раменское, АО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро»
MODELING OF INTELLECTUAL CREW SUPPORT SYSTEM USING THE SEMINA TURAL SIMULA TION STAND
A.V. Babichenko, А.В. Sukhomlinov, A.S. Shevadronov, A.A. Babichenko, A.A. Vorobyov, I.A. Elesin, V.R. Kozhin, M. V. Tektov
Мodeling issues are considered for the perspective system of intellectual support onboard crew of the aircraft, including the expert system, which based on real-time information and the rules, placed in the knowledge base, forms real-time recommendations for the crew on actions in specific situations. The crew, following the recommendations made by means of the informational and managing field of the cabin, controls the object, avoiding or countering dan-gerous situations. Specific modeling issues were considered.
Key words: knowledge base, expert system, test bench, algorithms.
77
Babichenko Andrey Viktorovich, doctor of technical sciences, professor, director, ababichenkoarpkb. ru, Russia, Ramenskoye, JSC «Ramenskoe Design Company»
Sukhomlinov Aleksey Borisovich, leading engineer, asuhomlinova rpkb.ru, Russia, Ramenskoye, JSC «Ramenskoe Design Company»
Shevadronov Alexander Sergeevich, research engineer, ashevadronovarpkb.ru, Russia, Ramenskoye, JSC «Ramenskoe Design Company»
Babichenko Anastasia Andreyevna, engineer, bahichenko aabk. ru, Russia, Moscow, JSC «Central Research Institute of Automation and Hydraulics»
Vorobyev Aleksandr Anatolyevich, laboratory assistant, avorobievarpkb.ru, Russia, Ramenskoye, JSC «Ramenskoe Design Company»
Elesin Ilya Alekseevich, laboratory assistant, ielesina rpkb.ru, Russia, Ramenskoye, JSC «Ramenskoe Design Company»,
Kozhin Vladislav Romanovich, laboratory assistant, vkozhinarpkb. ru, Russia, Ramenskoye, JSC «Ramenskoe Design Company»
Tektov Matvey Viktorovich, laboratory assistant, mtektovarpkb.ru, Russia, Ramenskoye, JSC «Ramenskoe Design Company»
УДК 629.7.054.07
РЕСУРСНЫЕ ИСПЫТАНИЯ ЗЕЕМАНОВСКИХ ЛАЗЕРНЫХ ДАТЧИКОВ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ
В. Д. Голубев, Н.Е. Мерзликина, А.О. Синельников, М.Е. Грушин, Е.В. Сухов
Рассмотрена новая конструкция катодного узла зеемановского лазерного датчика угловой скорости, исследован ее ресурс. Предложена оптимизированная методика ускоренных испытаний зеемановских лазерных датчиков угловой скорости на ресурс. Представлены предварительные результаты ресурсных испытаний. Приведена оценка стабильности основных выходных параметров зеемановских лазерных датчиков угловой скорости в процессе длительной работы.
Ключевые слова: лазерный гироскоп, зеемановский лазерный датчик вращения, методика испытаний, ресурс.
Постановка задачи. В связи с постоянным ростом требований разработчиков навигационных систем к зеемановским лазерным гироскопам (ЗЛГ) [1] и расширением областей их применения происходит активное развитие технологии производства в части модернизации конструкции как самого гироскопа, так и его чувствительных элементов - зеемановских датчиков угловых скоростей (ДУС).
