Программные продукты и системы

В процессе организации космических полетов всегда учитывается повышенный риск возникновения опасности. Поэтому одной из самых важных задач управления полетами современных пилотируемых космических аппаратов (КА) является обеспечение безопасности экипажа и живучести космического корабля, на котором выполняется полет. В соответствии с принятыми подходами [1] основными условиями успешного решения этой задачи должны быть своевременное обнаружение и ликвидация нештатных, в том числе и аварийных ситуаций на борту КА.

Под нештатной ситуацией понимается совокупность обстоятельств, обусловленных действием возмущающих факторов и представляющих угрозу безопасности или выполнению задач полета, под аварийной ситуацией – совокупность множеств катастрофических и критических нештатных ситуаций [2]. В таких случаях большое значение имеет быстрое и точное информирование всех специалистов, участвующих в ликвидации возникшей ситуации, о параметрах, характеризующих ее развитие, и вариантах действий, которые должны нормализовать обстановку.

С учетом увеличения продолжительности космических полетов и значительного повышения объемов информации, которыми обмениваются КА и центр управления полетом, в настоящее время для повышения уровня безопасности управления полетом Российского сегмента (РС) Международной космической станции (МКС) создается автоматизированная система поддержки принятия решений (АСППР) в аварийных ситуациях.

Процесс выработки и принятия решений в ходе парирования аварийной ситуации включает в себя комплекс задач, связанных с получением и переработкой информации о состоянии объекта управления, прогноза его состояния, разработкой и выбором оптимального варианта решения и превращением его в управляющие воздействия. Такой многоплановый и многошаговый процесс достаточно плохо поддается формализации и во многом зависит от способностей, знаний и опыта ЛПР – специалистов главной оперативной группы управления (ГОГУ).

Основной целью разработки АСППР в аварийных ситуациях является использование новых методов и средств для улучшения показателей оперативности и эффективности действий ГОГУ на основе оптимального представления необходимой информации и повышения обоснованности принимаемых решений, в частности, при парировании аварийных ситуаций, связанных с возникновением на МКС разгерметизации, пожара или выброса токсических веществ.

Эти цели достигаются в рамках создаваемой системы реализацией следующих функций.

1.     Концентрация, обобщение и отображение всей информации, необходимой персоналу управления и экипажу для однозначного и цельного представления о состоянии МКС, как об осуществляемых, так и о последующих действиях.

2.     Оперативный прогноз возможных изменений особо важных параметров состояния РС МКС в ходе парирования аварийной ситуации.

3.     Анализ имеющихся ресурсов и вариантов их эффективного использования для ликвидации возникшей ситуации.

4.     Автоматизированная поддержка принятия решений в ходе парирования аварийной ситуации с учетом использования имеющегося опыта, инструкций, методик и справочных материалов, а также интеллектуальных технологий и методов принятия решений.

5.     Имитационное моделирование процесса развития аварийных ситуаций в целях накопления информации, отработки методик и подготовки персонала к действиям в аварийных ситуациях.

АСППР в аварийных ситуациях создается как открытая модульная система с учетом возможности ее поэтапного наращивания.

На рисунке 1 приведена обобщенная структурная схема создаваемой системы.

На первом этапе была решена задача разработки средств, обеспечивающих эффективные действия по ликвидации разгерметизации на МКС.

Оперативная оценка ситуации производится на основе анализа поступающей с борта МКС телеметрической информации, докладов экипажа и сведений, вводимых специалистами ГОГУ.

При разгерметизации основными параметрами, характеризующими возникновение и развитие аварийной ситуации, являются изменение давления в отсеках станции и допустимое время нахождения экипажа в разгерметизированном отсеке.

Фиксация, организация обработки, хранения и отображения информации осуществляются таким образом, чтобы для всех специалистов ГОГУ и членов экипажа обеспечивались единое однозначное и комплексное представление ситуации, осуществляемых и последующих действий. Вся поступающая в систему информация хранится в БД. В процессе анализа и ликвидации аварийной ситуации используются хранящиеся в БД сведения справочного характера, в том числе характеристики космических аппаратов, модулей, отсеков, резервные объемы воздуха (средства наддува и используемые в них газы), а также параметры оперативного состояния (конкретная конфигурация станции, состояние люков между модулями станции, параметры атмосферы, текущее давление в отсеках, расчетные значения других параметров, характеризующих процесс парирования аварийной ситуации).

В процессе оперативной оценки ситуации используются модели прогноза важных параметров и модели использования ресурсов. При этом осуществляется расчет наиболее важных характеристик ситуации:

–      объем аварийного сегмента;

–      темп падения давления в этом сегменте;

–      текущие и прогнозные значения давления в каждом из отсеков станции;

–      резервное (допустимое) время нахождения экипажа в отсеке.

Расчет резервного времени выполняется по номограммам либо по формуле

где Tрез – резервное время; t1мм – темп падения давления; Pнач – начальное давление; Pмин – минимальное допустимое давление (490 мм рт. ст.).

Пересчет темпа падения давления при закрытии или открытии люка выполняется на основе следующего выражения:  где  – новое значение темпа падения давления; Vbefor – объем сегмента перед открытием/закрытием люка; Vafter – объем сегмента после открытия/закрытия люка.

После открытия люка, изолирующего два сегмента МКС, имеющих разное давление, давление между люками выравнивается за счет перетекания газа из сегмента с большим давлением в сегмент с меньшим давлением.

Результирующее давление вычисляется по формуле

В процессе комплексной оценки ситуации прогнозируются варианты использования дополнительных ресурсов, в том числе запасов воздуха, кислорода, азота в баках и переносных блоках наддува в системе; осуществляются расчеты массы газа в соответствующих емкостях, времени наддува, изменения давления в отсеке при использовании средств наддува.

Результаты комплексной оценки ситуации отображаются на форматах специалистов оперативной группы управления. Основным форматом отображения состояния МКС при возникновении разгерметизации является главное окно общего плана МКС, на котором отображаются конфигурация станции, местонахождение членов экипажа, имеющиеся ресурсы, состояние люков, значения давления в отсеках и резервного времени (рис. 2). Негерметичные сегменты выделяются цветом.

Другим важным форматом является отображение действий членов экипажа и специалистов группы управления в соответствии с предусмотренным для соответствующей ситуации алгоритмом. На рисунке 3 в качестве примера показаны алгоритмы действий членов экипажа в двух смежных сегментах станции. После закрытия люков между сегментами определяется негерметичный сегмент (в негерметичном сегменте давление продолжает падать), и алгоритм регламентирует последовательность дальнейших действий в зависимости от результатов измерения давления в соответствующих сегментах МКС. На схеме алгоритма выделяются действия, выполненные ранее, выполняемые в данный момент, и действия, которые должны выполняться впоследствии.

Информация о выполнении экипажем определенных операций в соответствии с нормативным алгоритмом вводится специалистами группы управления полетом, ответственными за парирование аварийной ситуации, на основании докладов экипажа.

В случае выхода ситуации за рамки условий, предусмотренных инструкцией, используются дополнительные средства поиска вариантов решений, которые должны обеспечивать ликвидацию аварийной ситуации. Прежде всего осуществляется автоматизированный поиск соответствующих возникающей ситуации справочных данных, методических материалов, пособий, инструкций и методических указаний.

Для выбора рекомендуемых вариантов решений предполагается использование классических методов теории принятия решений, основанных на представлении процесса парирования аварийной ситуации в виде марковской цепи с дискретными состояниями Sj. Каждое состояние характеризуется вектором параметров, определяющих данное состояние. Полагается, что переход из преды- дущего состояния Sj в последующее Sk осуществляется на основе реализации решения di и существует система ˂S, D, F˃, где F – некоторый оценочный функционал, позволяющий качественно оценить эффективность принимаемого решения для каждой пары (di, Sk)ÎD×S. Задача поиска рациональных решений сводится к построению матрицы оценочного функционала, то есть к определению значений fik, которые отражают эффективность перевода системы в состояние Sk.

Подсистемой АСППР в аварийных ситуациях является интеллектуальная система поддержки принятия решений, которая позволяет осуществлять в режиме реального времени поиск рационального варианта использования бортовых ресурсов МКС в процессе парирования аварийных ситуаций. Система реагирует на события для распознавания проблемной ситуации, осуществляет распределение ресурсов и вырабатывает план, который предусматривает варианты перемещения членов экипажа и использования бортовых средств при парировании аварийной ситуации. Далее системой осуществляется мониторинг исполнения построенного сценария действий по парированию аварийной ситуации; при расхождении факта с планом или при поступлении новых событий (изменении развития аварийной ситуации) запускается перепланирование для построения нового плана с учетом новых факторов, выявленных при развитии и парировании аварийной ситуации. Данная задача решается с использованием мультиагентных технологий, которые в последнее время получают все большее распространение при управлении ресурсами в реальном времени.

Каждой подсистеме станции, бортовому средству или члену экипажа поставлен в соответствие программный агент, действующий от его имени и по его поручению. Такой агент представляет собой автономную программу, которая может реагировать на события, принимать решения и взаимодействовать с другими агентами или пользователями, реализуя внутренний встроенный цикл управления без требования внешних инструкций.

Выделяются два основных класса агентов, которые находятся в постоянном поиске друг друга: агенты потребностей и агенты возможностей. Цель агента потребностей – найти для себя наилучшую по заданным параметрам возможность для реализации, а цель агента возможностей – максимально эффективно использовать свой ресурс. В качестве типов агентов потребностей выбраны агент формирования команды для парирования аварийной ситуации (организует поиск подходящих ресурсов для решения задачи парирования аварийной ситуации), агент аварийной ситуации (находит возможные варианты планов действий для космонавта по использованию бортовых средств и выбирает из них наиболее оптимальный по критерию «максимальный прирост резервного времени» или «быстрый путь»), агент запроса на возможность действия (получает возможность использования бортового средства, возможность перехода из отсека в отсек и др.). В качестве типов агентов возможностей выбраны агент бортового средства (информирует о состоянии бортового средства и дает рекомендации по их использованию), агент космонавта (обеспечивает выполнение рекомендаций по использованию бортовых средств), агент маршрута (строит маршрут с учетом оценки проходимости, времени движения, положения космонавта и бортового средства, реагирует на события), агенты отсеков, люков (используются для получения информации, оповещения о событиях и проведения расчетов по запросам от других агентов или по событиям, например, если люк закрывается, оповещается агент маршрута, который его использует).

Таким образом, в процессе принятия решений при парировании аварийной ситуации агенты обеспечивают решение следующих задач: фиксация отклонений при использования ресурса от планируемых значений; прогноз дальнейшего уровня изменения ресурса относительно планируемого; выяснение критичности отклонения (если событие критичное, предлагается вариант оптимального перераспределения ресурса для обеспечения работоспособности системы в целом); обнаружение и по возможности устранение причины отклонения.

В результате формируются варианты планов с рекомендациями по использованию бортовых средств.

Поиск подходящих ресурсов и выработка рекомендаций для членов экипажа по использованию бортовых средств производятся на основе онтологии знаний об объектах, отношениях, процессах и свойствах подсистем и узлов МКС.

Онтология – средство формализации знаний о предметной области, реализуемое на основе семантической сети, которая образуется классами понятий и отношений, играющих роль связей [3]. В онтологии выделены особые подклассы понятий: объекты (сущности, характеризуемые свойствами и состояниями: «модуль», «отсек», «люк», «средство наддува», «экипаж»), процессы (цепочки действий по изменению состояний объектов: «падение давления» в отсеке, «перемещение» космонавта), отношения (связывают объекты и конструируют сложные объекты из простых, на- пример, средство наддува «находится в» отсеке, экипаж «использует» средство наддува, модуль «стыкуется» с другим модулем), свойства (отражают способность объектов вступать во взаимодействие, например, отсек «имеет» объем, объект «имеет» горючесть), атрибуты (характеризуют состояние свойств или отношений: «текущее давление», «темп падения давления», «резервное время», «текущая масса»). С использованием онтологии можно специфицировать конкретные факты и строить формализованные модели описания конкретной ситуации (текущей конфигурации станции, расположения и состояния объектов, бортовых средств, космонавтов и др.).

В процессе планирования агенты обращаются к онтологии для получения необходимой информации.

Для отработки и проверки корректности и эффективности формируемых рекомендаций применяется имитационное моделирование процесса возникновения и развития аварийной ситуации, в котором принимают участие специалисты ГОГУ. Имитационная модель используется также для подготовки персонала ГОГУ к действиям в условиях возникновения аварийной ситуации и в случае возникновения аварийной ситуации при отсутствии данных телеметрии.

При имитационном моделировании аварийной ситуации на МКС данные о текущих значениях параметров не поступают в систему по каналам телеметрии с борта МКС, а вычисляются в имитационной модели МКС.

Для запуска процесса моделирования, контроля и управления им используется главное окно имитационной модели, содержащее панель отображения ситуации на МКС. Перед началом моделирования вводятся начальные условия, которые определяют исходную ситуацию. При этом задаются начальные значения давления в отсеках, имеющиеся ресурсы, состояние люков, местонахождение членов экипажа. Начальные условия могут задаваться либо из состава заранее подготовленных данных, накапливаемых в БД в xml-формате, либо пользователем непосредственно перед проведением тренировки.

На рисунке 4 показана структурная схема процесса моделирования.

После ввода начальных условий в БД осуществляется процесс моделирования в заданном масштабе времени. Рассчитываются изменение давления в каждом отсеке, количество оставшихся ресурсов в средствах наддува, резервное время и другие параметры, характеризующие моделируемую ситуацию.

Моделируемые параметры аварийной ситуации МКС отображаются в главном окне (рис. 2). Изменение параметров состояния МКС, используемых при имитационном моделировании аварийной ситуации, может производиться как с форматов ввода неинструментальной информации параметров МКС, так и на схеме МКС с помощью манипулятора «мышь».

Для обеспечения отображения степени опасности и улучшения восприятия моделируемой картины в целом производится выделение изолированных сегментов МКС и выделение цветом зон с разным уровнем разгерметизации.

В модели имеются средства ввода управляющих воздействий для отображения действий экипажа, связанных с их перемещением, перекрытием люков, использованием средств наддува.

На рисунке 5 представлена структура программного обеспечения базовой части разрабатываемой системы.

В настоящее время система используется специалистами ГОГУ для повышения оперативности и обоснованности решений, принимаемых на основе автоматизации обработки, анализа и оптимального представления информации. Одновременно осуществляется поэтапное развитие системы для расширения ее функциональных возможностей, в том числе в направлении опережающего распознавания и предупреждения возникновения нештатных и аварийных ситуаций.

Литература

1.     Береговой Г.Т., Ярополов В.И., Баранецкий И.И. Справочник по безопасности космических полетов. М.: Машиностроение, 1989. 336 с.

2.     Соловьев В.А., Лысенко Л.Н., Любинский В.Е. Управление космическими полетами. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. Ч. 1. 476 с.

3.     Скобелев П.О. Онтологии деятельности для ситуационного управления предприятиями в реальном времени // Онтология проектирования. 2012. № 1 (3). С. 6–38.

References

1.     Beregovoy G.T., Yaropolov V.I., Baranetsky I.I., Spravochnik po bezopasnosti kosmicheskikh poletov [Spaceflights safety guide], Moscow, Mashinostroenie, 1989.

2.     Solovyov V.A., Lysenko L.N., Lyublinskiy V.E., Upravlenie kosmicheskimi poletami [Spaceflights control], Part 1, Moscow, BMSTU, 2009.

3.     Skobelev P.O., Ontology of designing, 2012, no. 1 (3), pp. 6–38.