CC BY
44
УДК 629.735
ПРОТОТИПИРОВАНИЕ БОРТОВОЙ ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ
А.В. Бабиченко, А.С. Шевадронов, А. А. Воробьев, И. А. Елесин, М.В. Тектов, В.Р. Кожин
Рассмотрены вопросы разработки продукционной базы знаний для использования в составе системы интеллектуальной поддержки экипажа перспективного летательного аппарата, прототипирования и стендовой отработки бортовой экспертной системы для особых ситуаций, включая вопросы проектирования, кодирования и тестирования базы знаний.
Ключевые слова: особая ситуация, база знаний, CLIPS, программное обеспечение, экспертная система, прототип.
Интеллектуализация пилотажно-навигационных комплексов (ПНК) как процесс постепенной передачи от экипажа к комплексу задач принятия и реализации решений по управлению летательными аппаратами (ЛА) и его вооружением вызван необходимостью своевременного реагирования на развитие особых ситуаций и психофизиологическую разгрузку экипажа при решении сложных многофакторных задач. Интеллектуализация имеет 2 этапа: первый этап - советующие (информационные) системы, второй этап - замкнутые информационно-управляющие системы. До 80 % решений основных функциональных задач комплекса бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО) может быть качественно улучшено путем более тонкой обработки информации и учета множества факторов [1].
Известные зарубежные и отечественные системы интеллектуальной поддержки экипажа сосредоточены на максимально полном и удобном информировании экипажа о ситуации, при этом часто информационный поток увеличивается, а вся нагрузка по анализу обстановки, принятию решения и его выполнению ложится на экипаж. В состав ПНК вводится экспертная система (ЭС), формирующая в реальном времени на основе текущей информации от комплекса бортового оборудования (КБО), экспертные рекомендации по управлению ЛА в различных ситуациях, которые предъявляются экипажу посредством информационно-управляющего поля кабины (ИУП). Экипаж может следовать рекомендациям, сокращая время на принятие решения, или принимать решение самостоятельно.
В общем виде структура ЭС показана на рис. 1 и содержит следующие компоненты, соответствующие основным задачам системы [2]:
- верхний уровень - контроль и управление циклограммой работы специального функционального программного обеспечения (ФПО);
- интерфейс - подключение к информационным потокам и штатное взаимодействие с бортовым оборудованием;
39
- функциональное ядро - прогнозирование моделей, оценка текущего состояния (фактов), формирование рекомендаций;
- информационное ядро - базы знаний по группам особых ситуаций и базы данных (статистика);
- технологическая часть - накопление знаний и обработка статистических данных.
Рис. 1. Общая структура ЭС
Все указанные компоненты представляют собой программные продукты на соответствующей аппаратной платформе - специальной или универсальной электронной вычислительной машине (ЭВМ).
Модули интерфейса обеспечивают прием информации от основной вычислительной системы комплекса, а также выдачу сформированных рекомендаций в специальное ФПО для их предъявления экипажу. Так, в качестве средства предъявления рекомендаций используется индикация - рекомендации предъявляются визуально с помощью многофункционального индикатора (МФИ). Могут быть задействованы другие каналы человеко-машинного интерфейса, например, кинестетический, акустический (речевой) и т.д.
Прогнозирующие модели - это модули, формирующие дополнительную информацию для ФПО ЭС, которую не формирует штатное ФПО БЦВМ. Главным образом, это - модели развития особых ситуаций, а также вспомогательные расчеты дополнительных параметров. Эти модули являются частью ФПО ЭС.
Формирование рекомендаций - это окончательная подготовка данных, полученных от машины логического вывода ЭС, для последующей передачи средствам человеко-машинного интерфейса.
Бортовая база знаний - это информационное ядро ЭС. В БЗ в определенной форме (в виде продукций) записаны правила (логические связи), позволяющие на основе приходящих параметров проанализировать возникновение опасной ситуации и выдать подходящие рекомендации в зави-
40
симости от степени этой опасности. Если база экспертных знаний сформирована правильно, то следование формируемым рекомендациям обеспечивает сокращение времени принятия решения и соответственно уменьшение риска опасного развития особой ситуации. Бортовая база знаний имеет ряд специфических свойств:
- структурированность по видам особых ситуаций и режимов работы;
- наращиваемость базы знаний при расширении круга решаемых задач: глубина анализа, цикличность и динамичность работы;
- взаимодействие с основными компонентами ПНК в режиме реального времени.
Учет этих свойств обязателен при разработке прототипа бортовой базы знаний. Кроме того, при создании базы знаний должны быть решены следующие основные задачи:
- построение моделей особых ситуаций, на распознавание и парирование которых рассчитана ЭС;
- построение графа состояний, моделирующего ход рассуждений эксперта;
- определение входных, выходных и внутренних состояний (фактов), обеспечивающих устойчивую работу ЭС;
- построение прогнозирующих моделей для особых ситуаций;
- определение логики взаимодействия с экипажем;
- разработка механизма наращивания базы знаний.
Машина логического вывода - это специальный алгоритм, осуществляющий формирование логического вывода на основе последовательного применения правил из базы знаний к известной совокупности данных, поступающих от источников информации.
Технологическая часть состоит из бортовой и наземной частей и предназначена для организации анализа входных и выходных потоков данных с целью извлечения новых знаний, их формализации в виде новых правил (продукций) и записи в виде дополнений (расширений) к основной БЗ.
При этом часть модулей разрабатывается на стандартном для бортового ФПО языке программирования С/С++. Это модули интерфейса, прогнозирующие модели, частично - формирование рекомендаций. Остальные модули - база знаний, машина логического вывода и основная часть формирования рекомендаций - разрабатываются на специальном языке разработки продукционных баз знаний CLIPS, достоинствами которого являются:
- свободное распространение и открытая документация;
- наличие встроенных алгоритмов машины логического вывода;
- возможность работы с задачами реального времени и интеграции с другими языками программирования;
- достаточно высокая производительность;
- четко сформулированный и понятный синтаксис.
Общая структура функционального программного обеспечения (ФПО) прототипа ЭС представлена на рис. 2. Ядром ЭС являются правила логического вывода, структурированные в виде базы экспертных знаний, и машина логического вывода - алгоритм получения экспертной оценки ситуации и способа реагирования на нее путем применения правил из базы знаний к фактам - текущей информации, поступающей от штатной вычислительной системы ПНК (на схеме - БЦВМ) и специальных прогнозирующих моделей для оцениваемых ситуаций. Прогнозирующие модели не являются принадлежностью ФПО БЦВМ, поэтому они так же, как и ядро ЭС, реализуются в ЭВМ ЭС. Предъявление сформированных рекомендаций на стенде осуществляется с помощью специального монитора.
Основными компонентами ЭС являются бортовая база знаний, в которой в определенной форме (в виде продукций) записаны правила (логические связи), и машина логического вывода, осуществляющая формирование логического вывода на основе последовательного применения правил из базы знаний к известной совокупности данных, поступающих от источников информации (измерительных систем, каналов информационного обмена, вводимых экипажем). В базе знаний размещаются правила, позволяющие на основе приходящих параметров проанализировать возникновение опасной ситуации и выдать подходящие рекомендации в зависимости от степени этой опасности.
Обмен данными в ФПО ЭС происходит в 3 этапа:
1) поток данных в базу знаний экспертной системы;
2) поток данных в БЦВМ;
3) вывод рекомендаций пилоту посредством индикации.
Бортовая база знаний имеет ряд специфических свойств:
- структурированность по видам особых ситуаций и режимов работы ПНК как объектов распознавания и управления;
- модульность и наращиваемость базы знаний при расширении круга решаемых задач: глубина анализа, цикличность и динамичность работы;
- взаимодействие с основными компонентами ПНК в режиме реального времени.
Учет этих свойств обязателен при разработке прототипа бортовой базы знаний. Кроме того, при создании базы знаний должны быть решены следующие основные задачи:
- построение моделей особых ситуаций, на распознавание и парирование которых рассчитана ЭС;
- построение графа состояний, моделирующего ход рассуждений эксперта;
- определение входных, выходных и внутренних состояний (фактов), обеспечивающих устойчивую работу ЭС;
построение прогнозирующих моделей для особых ситуаций; определение логики взаимодействия с экипажем; разработка механизма наращивания базы знаний.
Рис. 2. Общая структура функционального программного обеспечения
прототипа ЭС
Таким образом, основными задачами разработки ФПО ЭС и БЗ являются:
- постановка и формализация функциональных задач как основы построения ЭС и БЗ;
- программирование БЗ, машины вывода и других компонентов ЭС;
- интеграция компонентов ЭС с ФПО комплекса.
Математической основой формализации функциональных задач для
построения ЭС и БЗ является модель особой ситуации [3]. Программирование компонентов ЭС включает в себя работу как с языками программирования семейства С, так и со специализированными языками для разработки ЭС. Рекомендуемым инструментальным средством разработки динамических ЭС для комплексов БРЭО являются язык и среда программирования СЫР8. Возможности данного языка программирования обеспечивают эффективную интеграцию СЫР8-кода и С-кода основного ФПО.
Интеграция компонентов ЭС в виде СЫР8-кода с основным ФПО в виде С-кода может быть выполнена путем подключения компонентов ЭС в виде динамических библиотек и обмена данными через дисковое пространство.
Проведенные исследования показали высокую эффективность решения задач по заблаговременному распознаванию особых ситуаций и формированию практических рекомендаций по действиям экипажа ЛА с помощью экспертных систем.
Список литературы
1. 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.
2. 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.
3. Разработка базы знаний прототипа бортовой экспертной системы / А.В. Бабиченко, А.Б. Сухомлинов, Е.С. Земляный, А.А. Воробьев, М.В. Тектов, В.Р. Кожин, И.А. Елесин, Т.И. Задорнова, А.С. Шевадронов // Авиакосмическое приборостроение. 2018. № 12. С. 44 - 54.
4. Джанджгава Г.И., Бабиченко А.В., Орехов М.И. Интеллектуальная авионика: разработка и моделирование // Четвертая Всероссийская научно-техническая конференция «Навигация, наведение и управление летательными аппаратами»: тезисы докладов. М.: ФГУП «ГосНИИАС», 2019. С. 4 - 6.
Бабиченко Андрей Викторович, д-р техн. наук, профессор, директор, aba-bichenko@rpkb.ru, Россия, Раменское, АО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро»
Шевадронов Александр Сергеевич, инженер-исследователь, ashe-vadronov@rpkb.ru, Россия, Раменское, АО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро»,
Воробьев Александр Анатольевич, учебный мастер, avorobiev@rpkb.ru, Россия, Раменское, АО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро»,
Елесин Илья Алексеевич, учебный мастер, ielesin@rpkb.ru, Россия, Раменское, АО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро»
Тектов Матвей Викторович, учебный мастер, mtektov@rpkb. ru, Россия, Раменское, АО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро»,
Кожин Владислав Романович, учебный мастер, vkozhin@rpkb. ru, Россия, Раменское, АО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро»
PROTOTYPING OF ON-BOARD EXPERT SYSTEM
A.V. Babichenko, A.S. Shevadronov, A.A. Vorobyov, I.A. Elesin, M.V. Tektov., V.R. Kozhin 44
The article deals with the development of a rule-oriented knowledge base for use in the system of intellectual support for the crew of a prospective aircraft, prototyping and bench testing of an on-board expert system for special situations, including issues of designing, coding and testing the knowledge base.
Key words: special situation, knowledge base, CLIPS, software, expert system, prototype.
Babichenko Andrey Viktorovich, doctor of technical sciences, professor, director, ababichenkoarpkb. ru, Russia, Ramenskoye, JSC «Ramenskoe Design Company»
Shevadronov Alexander Sergeevich, research engineer, ashevadronov@rpkb.ru, Russia, Ramenskoye, JSC «Ramenskoe Design Company»,
Vorobyev Aleksandr Anatolyevich, laboratory assistant, avorobiev@rpkb. ru, Russia, Ramenskoye, JSC «Ramenskoe Design Company»,
Elesin Ilya Alekseevich, laboratory assistant, ielesin@rpkb.ru, Russia, Ramenskoye, JSC «Ramenskoe Design Company»,
Tektov Matvey Viktorovich, laboratory assistant, mtektov@rpkb. ru, Russia, Ramenskoye, JSC «Ramenskoe Design Company»,
Kozhin Vladislav Romanovich, laboratory assistant, vkozhin@rpkb. ru, Russia, Ramenskoye, JSC «Ramenskoe Design Company»
УДК 629.7.054.07
ВЛИЯНИЕ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ВЫХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗЕЕМАНОВСКИХ ДАТЧИКОВ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ
А.О. Синельников, А.А. Катков, Н.Р. Запотылько, И.И. Савельев
Представлены результаты исследования выходных характеристик зееманов-ских лазерных датчиков угловых скоростей с корпусами резонаторов, изготовленных из различных стеклокерамических материалов. Проведен сравнительный анализ основных параметров изготовленных приборов. Даны рекомендации по применению различных стеклокерамик для изготовления корпусов и деталей оптических резонаторов лазерных датчиков угловых скоростей.
Ключевые слова: лазерный гироскоп, зеемановский лазерный датчик угловых скоростей, стеклокерамика, выходная характеристика.
Введение. Создание современных высокоточных систем ориентации и навигации с длительным временем непрерывной работы на базе лазерных гироскопов (ЛГ) [1] требует разработки технологии изготовления оптических элементов с использованием стеклокерамического материала со специальными свойствами.
