Software & Systems

Для управления космическими аппаратами (КА) используется наземный автоматизированный комплекс управления (НАКУ) [1]. Одним из основных средств НАКУ являются наземные станции командно-измерительной системы (НС КИС). По радиоканалам НС КИС осуществляется информационный обмен между НАКУ и КА. Эта станция предназначена для непрерывного выполнения задач управления, измерения орбитальных параметров, контроля и поддержания технических и баллистических характеристик КА, находящихся в ориентированных и неориентированных режимах функционирования [2].

Положительные перспективы развития НАКУ связаны с введением в эксплуатацию новых средств, удовлетворяющих повышенным требованиям надежности, функциональности и мобильности. Развитие систем НС КИС связывается с использованием технологий искусственного интеллекта для управления, диагностирования состояний оборудования и прогнозирования ситуаций.

Визуализация текущей информации о состоянии наблюдаемых объектов и окружающей среды, о ходе выполнения команд центра управления полетом (ЦУП) и о собственном состояния является одной из важнейших задач управления НС КИС. С этой целью специально для НС КИС разрабатываются интерфейсы, способные отражать числовую информацию, поступающую от различных источников, а также формировать ее в виде графиков и таблиц. Главная задача визуализации – предоставлять ЛПР информативное графическое отображение текущей ситуации, аккумулирующее контролируемые данные в единый образ.

Рассмотрим действующие способы отображения состояния НС КИС на примере интерфейса командно-измерительной станции головного предприятия космической связи. Интерфейс НС КИС предназначен для отображения текущей информации, включая телеметрическую информацию; информацию о состоянии окружающей среды (метеоинтформация): температура, влажность, направление ветра и др.; состояние аппаратуры НС КИС; командную информацию.

Следует отметить многофункциональность интерфейса, на котором располагается информация не только о внутреннем состоянии НС КИС, но и об окружающей среде, о контролируемом объекте, а также командная информация [3]. Все это делает простую графическую визуализацию динамических процессов недостаточно информативной и эффективной. Диспетчеру сложно следить за всеми изменениями, происходящими одновременно в разных частях экрана, что мешает целостному восприятию ситуации.

Для облегчения восприятия человеком больших массивов данных стали активно применяться полиэкраны, которые не только отражают текущие данные, но и формируют графический образ ситуации. Чтобы отобразить текущую ситуацию, необходимо многомерные данные представить в особом графическом виде, для чего подойдет только такой графический образ, в котором можно удачно сопоставить каждое из условий задачи отдельной части изображения. Синтезированный графический образ должен позволять ЛПР использовать свойства абстрактного изображения для визуального решения поставленной задачи. Именно такой графический образ, с помощью которого можно решить задачу, называют когнитивным, то есть способствующим пониманию ситуации. Когнитивная графика часто применяется в задачах с большим объемом анализируемой информации [4, 5]. Она позволяет представить данные в более понятном для ЛПР виде, что существенно сокращает время ее обработки.

Анализ деятельности оперативно-диспетчер­ского персонала сложного объекта показал, что достаточно использовать трехуровневую систему представления информации об управляемом объекте или процессе, включающую уровень системы (или объекта) в целом, на котором сообщается о том, в каком (нормальном, аномальном или критическом) состоянии она находится и в каких подсистемах возникли отклонения; уровень подсистемы, на котором выявляется состояние конкретной подсистемы; уровень непосредственно измеряемых параметров с указанием значений параметров и динамики их изменения [5].

Цветояркостный образ состояния НС КИС

Специально для НС КИС разработан интеллектуальный интерфейс, предназначенный для формирования когнитивного графического образа ситуаций, возникающих в процессе работы НС КИС. Дополнительно он отслеживает и фиксирует события, требующие особого внимания или принятия решений. На основе трехуровневой системы предоставления информации о контролируемом объекте разработано отображение, объединяющее два верхних уровня. Слияние образов состояния всей системы и ее подсистем способствует сокращению времени восприятия визуализируемых данных. Таким образом, получена следующая структура системы предоставления информации о состоянии НС КИС:

−     уровень системы, на котором отображается состояние НС КИС в целом и выделяются подсистемы, в работе которых возникли отклонения;

−     уровень подсистем и их параметров, на котором выявляется состояние конкретной подсистемы, указываются значения параметров и их отклонения от нормы.

Графический когнитивный образ при этом отображает следующие контролируемые пункты:

1) состояние телеметрии (наличие телеметрических кадров и частота их поступления);

2) метеоусловия: температура (градус С), давление (мм рт. ст.), влажность (%), направление ветра (градус), скорость ветра (м/сек.);

3) антенная система (АС) (номер работающего комплекта, точность наведения АС (градус), информация о необходимости поправки работающего комплекта АС (поправка ручная или поправка автоматическая), ситуация отказа работающего комплекта);

4) передатчик (номер работающего комплекта и его параметры: аттенюатор (дБ), температура (градус С), мощность передаваемого сигнала (Вт));

5) аппаратура НС КИС (номера работающих комплектов блоков аппаратуры, их работоспособность);

6) уровень (дБ) и мощность (Вт) передаваемого сигнала;

7) состояние установок из ЦУП;

8) расхождение между фактическим временем и временем навигационного приемника (НАП) (мкс);

9) название режима функционирования НС КИС (работа, имитатор промежуточной частоты (ПЧ), имитатор высокой частоты (ВЧ), имитатор низкой частоты (НЧ), подготовка);

10)       обмен служебной информацией и передача специальной информации.

На уровне системы выделяются цветом подсистемы, в которых возникли отклонения. На рисунке 1 представлено соответствующее обобщенное когнитивное представление уровня системы. Данный образ является модификацией круговой диаграммы, разбитой на секторы. Все секторы пронумерованы так, чтобы их названия совпадали с названиями пунктов списка, расположенного выше.

Появление аномального значения какого-либо из контролируемых параметров фиксируется изменением цвета сектора, отвечающего за соответствующую этому параметру подсистему НС КИС. В качестве примера приведем ситуацию, при которой наведение АС нуждается в автоматической поправке. Начальный угол приема НАП – 5о, следовательно, при отклонении АС на 6о теряется связь со спутником. В этом случае НС КИС не имеет возможности полноценно функционировать. На рисунке 2 приведено графическое

отображение аномального состояния по точности наведения АС.

На уровне подсистем происходит детализация ситуации. При щелчке клавишей мыши по одному из секторов появляются уточняющие образы, на которых можно просмотреть информацию о причинах некорректной работы НС КИС. Если какой-либо из параметров вышел из нормы, то оранжевый или красный цвет сектора дает знать о том, где произошли сбои в работе системы или возникли неблагоприятные условия. Рассмотрим детально отдельные компоненты контролируемой информации.

Метеоданные. На рисунке 3 представлен когнитивный графический образ метеоданных, приемлемых для нормальной работы НС КИС. В состав этого образа входит прямоугольник, разбитый на пять прямоугольных областей. В центральной зоне в один ряд расположены овалы, символизирующие значения метеопараметров (индикаторные фигуры). Числовые значения контролируемых метеоданных указаны на каждом индикаторном образе. Названия параметров и единицы их измерения находятся в нижней части образа. Для удобства будем называть образы такого типа прямоугольной диаграммой. Если параметры не влекут за собой сбои работы станции, то овалы лежат в пределах

центральной зоны. Если значение параметра превысит норму, то соответствующий ему образ будет накладываться на область, расположенную выше центральной. Если значение параметра занижено, овал перекроет область, расположенную ниже центральной.

На рисунке 4 показано, что при падении температуры до –45° соответствующий овал накладывается на зону, расположенную ниже всех остальных областей, предупреждая об опасности выхода из строя аппаратуры. Очень высокая скорость ветра, например 32 м/с, может привести к большим разрушениям. В таком случае соответствующий образ достигает верхней области, граничащей с центральной, что свидетельствует о приближении к пределам нормы ветровых нагрузок на НС КИС.

Прямоугольная диаграмма используется также для отображения параметров передатчика и установок из ЦУП.

Антенная система. При работе НС КИС важнейшим критерием является точность наведения АС. Для когнитивного отображения точности наведения предложен способ представления данных, который для удобства будем называть секторной диаграммой. Опишем отличительные особенности этого метода. Диаграмма представляет собой совокупность секторов (рис. 5).

Можно выделить два сектора: сектор большего радиуса, разбитый на пять областей, и сектор меньшего радиуса. Центральную часть большего сектора занимает область, соответствующая значениям параметров, находящихся в пределах нормы. По обе стороны от нее расположены области, отвечающие за аномальные и приближающиеся к аномальным значения параметров. Стрелка указывает угол отклонения от цели. По тому, в какой области она находится, можно судить о допустимости величины этого отклонения. Сектор меньшего радиуса лежит поверх описанного сектора и меняет свой цвет в зависимости от значения контролируемого параметра подобно расположению стрелки. Для удобства будем называть этот однотонный сектор индикаторным сектором.

Справа от индикаторного сектора указано значение угла отклонения. Обязательным является наличие информации о точности наведения АС по азимуту и точности наведения АС по углу места. На рисунке 5 показан когнитивный образ состояния АС. Указатель отклонения в виде черной стрелки расположен в центральной зоне, что говорит о нормальном положении действующего комплекта АС.

Потеря связи со спутником является критической ситуацией для функционирования НС КИС. В случае отказа АС необходима быстрая реакция оперативно-диспетчерского персонала. Поэтому предлагается фиксировать время последнего отказа АС и время последнего восстановления АС в верхней части образа. В случае необходимости ручной или автоматической поправки АС информация об этом появляется в правой нижней части образа.

Секторная диаграмма используется для отображения точности наведения АС, расхождения во времени, уровня сигнала, мощности сигнала.

Для визуализации работоспособности и состояния приборов применяется цветовое матричное представление. Работающий прибор или узел подсвечен зеленым цветом, а неработающий – серым. Если прибор отказал, то соответствующий прямоугольник станет красным.

Разработка журнала событий

Важной составной частью интеллектуального интерфейса является журнал событий. Программа накапливает списки событий, на основе которых будет проводиться прогнозирование. Событие регистрируется в журнале сразу после его обнаружения. В журнале три категории записей: ошибки, предупреждения и сведения.

В каждой записи расположены данные, относящиеся к событию:

·    дата и время, когда произошло событие;

·    тип события (ошибка, предупреждение или сведение);

·    источник события;

·    все зафиксированные данные о состоянии НС КИС, сопровождающие событие.

К последнему пункту относятся:

1) информация о наличии и частоте поступления кадров телеметрии (ТМ);

2) метеоданные (Метео);

3) информация о точности наведения действующего комплекта АС (АС);

4) данные передатчика (ПРД);

5) информация о состоянии аппаратуры (АКИС);

6) данные уровня и мощности сигнала (Сигнал);

7) данные установок из ЦУП (F(t));

8) информация о расхождении во времени НАП.

Для просмотра занесенных в журнал событий необходимо нажать левой клавишей мыши на кнопку главной формы «Просмотреть события». В списке формы журнала событий располагаются сведения о произошедших сбоях в работе станции, предупреждения и информация о времени восстановления нормальной работы, сопровождающаяся значениями контролируемых параметров. Пример содержания списка журнала событий представлен в таблице.

Кнопка «Очистить» позволяет удалить из дерева формы все зарегистрированные ранее события. После нажатия на нее журнал будет пуст, если не поступили новые сообщения, или отобразит следующие произошедшие события. Щелчок по кнопке «Показать все» приведет к занесению в дерево формы всех событий, зафиксированных за период просмотра файла информации функционального контроля.

В графе, отведенной для описания события, содержится текст, описывающий это событие. Предположим, в локальное время t произошли значительные отклонения в n контролируемых параметрах. Обозначим: НКП – название контролируемого пункта, в работе которого произошел сбой или для которого возникло предупреждение; НПП – название подпункта/параметра НКП; ед. – единица измерения НПП; М – значение, соответствующее НПП.

Тогда текст описания будет иметь следующую структуру:

НКП1: НПП1(ед.1)=М1;

НКП2: НПП2(ед.2)=М2;

…; НКПn: НППn(ед.n)=Мn.

Например, если вышел из строя блок аппаратуры, произошел отказ ПРД или АС, то в этом поле будут приведены перечень названий неработоспособных приборов и номера их комплектов.

Реализация когнитивного дополнения

Когнитивное дополнение интерфейса реализовано в среде разработки CodeGear Delphi 2007 for Win32. Необходимую скорость выполнения данного приложения обеспечивает использование пакета Graphics32 с открытыми исходными кодами. Пакет содержит набор функций, классов, компонентов и элементов управления, разработанных для высокоэффективного программирования графическими средствами. Дерево журнала событий создано при помощи компоненты Virtual Treeview с открытыми исходными кодами, являющейся одним из самых гибких и доступных средств создания контроля элементов управления в виде дерева и/или списка на сегодняшний день.

Итак, интеллектуальный интерфейс опирается на применение методов когнитивного формализованного представления состояния предметной области в виде цветояркостных моделей и служит для поддержания режима работы, контроля, диагностики и прогнозирования состояний технических систем НС КИС. На основе интерфейса и его когнитивного приложения оператор визуально оценивает состояние НС КИС и окружающей среды. Целесообразность разработанных форм индикации состоит в обеспечении надежного и эффективного взаимодействия ЛПР с ЭВМ, в повышении оперативности за счет сокращения аналитической работы, компактности и наглядности геометрических форм представления информации. Экспериментальное программное обеспечение, реализующее когнитивное дополнение, встроено и испытано в составе НС КИС нового поколения [3].

Литература

1.   Энциклопедия космонавтики. URL: http://kosmonavti­ca.ru/tag/kompleks-upravleniya/ (дата обращения: 23.03.2009).

2.   Развитие наземного комплекса управления космическим аппаратом «KazSat» / Ю.М. Урличич [и др.] // Развитие космической деятельности в Республике Казахстан на 2005-2007 годы: матер. Междунар. конф., посвященной итогам выполнения Гос. прогр. Алматы. 2007. С. 19–20.

3.   Смирнов С.В. Средства когнитивной графики для отображения текущего состояния наземных станций командно-измерительных систем // Авиакосмическое приборостроение. 2008. № 3. С. 47–57.

4.   Вагин В.Н., Еремеев А.П. Базовые принципы конструирования интеллектуальных систем поддержки принятия решений реального времени для мониторинга и управления сложными техническими объектами // Использование методов искусственного интеллекта «…» (Переславль-Залесский, 26–27 ноября 2003 г.): тр. Третьего расшир. сем. М.: Физматлит, 2003. С. 79–97.

5.   Хачумов В.М., Ксенофонтова Е.В. Образный анализ и диагностика сложных процессов // Математические методы распознавания образов (ММРО-11): докл. 11-й Всерос. конф. (Пущино, 23–29 ноября 2003 г.). М., 2003. С. 201–204.