Software & Systems

Программа проведения научных исследований на борту Российского сегмента (РС) Международной космической станции (МКС) включает эксперимент «Виртуальные руководства научными космическими экспериментами» (ВИРУ), целью которого является сравнительный анализ эффективности подготовки и проведения опера- торами космических экспериментов (КЭ) с использованием нового вида электронной бортовой документации – альтернативы традиционным бумажным инструкциям. Результатом эксперимента должен быть вывод о целесообразности использования на борту компьютерной безбумажной технологии [1].

Для проведения эксперимента ВИРУ создан и эксплуатируется, начиная с 34-й экспедиции МКС, программно-технический комплекс, включающий наземную и бортовую части [2]. На Земле осуществляются предварительное обучение экипажей, студийная подготовка мультимедиа-материалов, компоновка и редактирование управляющих XML-структур, обработка и анализ log-файлов, поступающих с орбиты по итогам сеансов работы экипажей [3].

Основные преимущества бортового комплекса ВИРУ:

–      широкое использование средств мультимедиа наряду с традиционной, тестовой, подачей инструктивного материала;

–      быстрый доступ к разделам документа;

–      перекрестные связи разделов инструкции с соответствующими справочными данными и описаниями возможных нештатных ситуаций;

–      автоматическое формирование log-файлов, характеризующих действия оператора при прохождении предписанной последовательности действий;

–      возможность ведения экипажем листа регистрации с субъективными оценками их работы с виртуальными руководствами; эти данные после проведения КЭ передаются по российским каналам связи на Землю, где происходит их обработка.

В настоящее время для проведения КЭ ВИРУ на борту МКС используется персональный компьютер RSK2 (Think Pad A61P). Ограниченные возможности бортовой вычислительной техники определили общий подход к структуре и методологии проекта.

При создании специального ПО ВИРУ исходили из следующих положений.

1.     Семантика информационных массивов в значительной степени остается традиционной. Это делается для поддержания преемственности в обучении экипажей, сохранения достижений отечественной школы подготовки космонавтов. Сохранены рубрикация бумажной бортовой документации, последовательность подачи материала, разбиение содержания на разделы и бортовые процедуры, компоновка справочного материала. Введена возможность отображения текста выполняемых действий в таком же виде, в каком он представлен в бумажной бортовой документации – со специальными символами и принятыми сокращениями.

2.     ВИРУ строится на принципах мультимедиа. Обеспечивается связная подача графического, видео- и анимационного иллюстративного материала, сопровождаемого дикторскими голосовыми комментариями и рекомендациями; такая компоновка позволяет воспроизводить виртуальное руководство в виде фильма, который можно остановить и прокрутить снова с заданной точки.

3.     Действия с экспериментальным оборудованием в интерьерах МКС отображаются в композиции с 3D-моделями внутренних пространств станции.

4.     Для информационного обеспечения бортовой части комплекса основная обработка и подготовка мультимедийных материалов выполняются на Земле; орбитальные средства ориентируются на быстрый доступ к локальным хранилищам информации.

5.     Виртуальные руководства конфигурируются в целевые версии: для первоначального обучения экипажей, получения конкретных справочных данных по предписанным действиям, сопровождения реальной работы, оценки знаний оператора. Поддерживается возможность использования комплекса ВИРУ для любых новых КЭ без изменения программного кода.

6.     Терминальные модули ВИРУ создаются для использования в условиях повышенной мобильности, имеют возможность адаптации к персональным предпочтениям. Разработана версия для планшетного компьютера под ОС Windows.

Для реализации этих принципов в комплекс ВИРУ включены сценарное ядро, процессорные и сетевые утилиты, библиотека управляющих XML-файлов и хранилище мультимедиа-ресурсов.

Модуль ВИРУ – мощный процессорный узел, в котором в заданном порядке компонуются и воспроизводятся визуальные и акустические сцены, формируемые из массивов разнородной информации. Эта информация предварительно обрабатывается, приводится к единым форматам и пространству имен, дополняется специально создаваемыми 3D-, видео- и звуковыми клипами.

На рисунке 1 представлена информационная схема комплекса ВИРУ.

Информационное обеспечение ВИРУ на уровне управления осуществляется внешним редактором, формирующим XML-структуры на основе традиционной БД. Редактор связывает наличные массивы мультимедиа и классической информации в сложную адресную сеть, обеспечивая возможность быстрого доступа к содержимому хранилищ мультимедиа и файловым структурам БД.

При разработке ВИРУ применен так называемый сценарный подход к планированию, подготовке и реализации процессов информационной поддержки экипажа.

Сценарное программирование заключается в создании для каждого моделируемого процесса индивидуальной управляемой временной шкалы. Процессы, визуальные и параметрические модели объектов вкладываются друг в друга, как в реальной среде. В результате формируется програм- мная конструкция, адекватно моделирующая иерархию элементов реального объекта или процесса, создается виртуальный прототип реального объекта.

В программном смысле сценарий – это распределенная по управляемой шкале времени совокупность команд, обработчиков событий, ссылок, условных и безусловных функций и операторов, обеспечивающих ситуационное моделирование и воспроизведение визуальных, акустических, текстовых и иных информационных блоков. Такой аспект программирования идеально подходит для задач информационной поддержки действий космонавтов и наземного персонала. Сценарное ядро контролируется внешними XML-описаниями, на основе которых специальными программными синтезаторами формируются

–      визуальные оболочки и художественные элементы;

–      виртуальные органы навигации;

–      множества переменных, определяющих свойства системы;

–      входные и выходные информационные потоки;

–      локальные настройки и регулировки.

Сценарное ядро генерирует векторную графическую информацию, подключает текстовые и звуковые фрагменты, управляет средствами виртуальной (2D-3D) реальности и терминальными подсистемами, взаимодействует со средствами отображения и сетевой системой.

В качестве программной платформы для реализации сценариев ВИРУ выбран специальный сценарный язык ActionScript, ориентированный на исполнение мультимедиа-сценариев. В его арсенале имеются специальные функции обработки временных последовательностей, покадровое представление временной шкалы, эффективные средства взаимодействия с мультимедиа-приложе­ниями. Имеется мощный аппарат создания и внедрения анимированной векторной графики.

Главной точкой привязки мультимедиа к управляющей структуре является действие – нижний уровень иерархического дерева. Однако иллюстрации и дикторские комментарии могут сопровождать любой из выбранных пунктов на любом иерархическом уровне: от всплывающего заголовка или предупреждения до одиночного воздействия на активный элемент сцены.

После автономного или внешнего запуска программы активируются сохраненные или вводятся новые настройки, осуществляется выбор темы, генерируются органы виртуального управления и навигации. Запускается сценарная циклограмма, под управлением которой загружаются и анализируются актуальные управляющие XML-описания и организуется воспроизведение элементов мультимедиа, извлекаемых из хранилища. Визуальные элементы выводятся в окнах ВИРУ, управляемых отдельными программными модулями по специальным ситуационным планам.

Программный комплекс не требует инсталляции и устанавливается на персональный компьютер простым копированием в произвольную папку. Продукт работает под управлением ОС Windows 2000/XP/Vista/7/8 и нечувствителен к смене сервис-пакетов и обновлениям.

Программный комплекс состоит из общего пакета программ и набора специфических приложений для каждого эксперимента.

Главный управляющий XML-файл содержит иерархическую структуру данной инструкции, условные переходы, коды времени, тексты заголовков и текстовых полей, предупреждения.

Информация для каждого блока, в том числе иерархическая, вводится в виде атрибутов. Последовательность выполняемых операций представляется в виде простой цепочки, а иерархические признаки дерева и внутренние логические переходы определяются атрибутами и позицией тега в дереве.

Для каждого эксперимента созданы индивидуальные библиотеки, в которых размещаются файлы видео- и флэш-анимации (упакованные в форматы SWF и FLV), фото/графика (JPG), звуковые комментарии к действиям (mp3).

Сценарий ВИРУ реализуется в 10 кадрах шкалы времени главного исполняемого модуля control.swf, варианты обхода которого зависят от поведения оператора.

В процессе также участвуют скрипты проектора START.exe и сокет-сервера server.exe.

Ситуационная циклограмма межкадровых переходов и межмодульного взаимодействия приведена на рисунке 2.

Работа с комплексом начинается с главной страницы, которая содержит кнопки выбора космического эксперимента и вызова панели настроек.

Параметры настроек сохраняются на жестком диске.

Выбранная сессия ВИРУ начинается с заполнения страницы авторизации. Вводятся имя оператора и номер сессии, а также выбирается один из режимов работы: произвольный просмотр, автопрезентация эксперимента, интерактивная работа, воспроизведение записанной сессии.

Режим произвольного просмотра позволяет оператору осуществлять неограниченную навигацию внутри темы КЭ. При этом отображаются время пребывания оператора в данном пункте, общее время сессии, создается протокол сессии.

В режиме автопрезентации воспроизводится рекомендованная последовательность действий в заданном темпе. Протокол действий оператора не создается.

При выборе интерактивного режима в сцену вводятся активные зоны, на которые оператор воздействует касанием руки (сенсорный экран планшета) или нажатием кнопки мыши. Имитируется присутствие оператора в пространстве объекта.

Для воспроизведения авторизованной сессии по ее записанному log-файлу в режиме 4 имя сессии вводится в первую строку панели авторизации, дата-время записи – во вторую строку. По нажатии кнопки «старт» сессия из выбранного архива воспроизводится в реальном темпе.

Любой из перечисленных режимов реализуется на главном рабочем формате (рис. 3). Его экран разбит на несколько зон.

Дерево навигации (слева) отображает некоторую часть блоков дерева. Полные имена блоков выводятся в нижней строке подсказки. Блок выполняемого в данный момент действия перемещается в фокус – заданную фиксированную точку экрана. Соответственно смещается весь клип дерева.

Названия текущего раздела, подраздела и действия выводятся в двух строках-заголовках (в центре вверху). Под этими заголовками выводятся краткие описания действий со спецсимволами из бумажной инструкции.

Центральное демонстрационное поле воспроизводит иллюстрации текущего действия в виде 3D-фильма, анимации, двухмерной графики.

Действия оператора сопровождаются вызовом справок двух видов: к эксперименту в целом и к каждому действию. Справки выводятся в центральном поле в виде сложного документа с комбинированной мультимедиа-информацией.

Детальная справочная информация к действиям (схемы, таблицы, характеристики оборудования и др.) разворачивается поверх центрального поля кнопкой «Сп», общий справочный каталог по всему эксперименту – кнопкой «?».

Кнопки «ДА» и «НЕТ» предназначены для условных переходов между действиями, если оператор должет сделать логический выбор.

Кнопки активны только при наличии соотнесенного с конкретной ситуацией содержимого.

Окно предупреждений и примечаний в первый момент появляется поверх центрального поля, затем в результате активности оператора или по таймеру сворачивается в верхний правый угол.

Слева под календарем размещены два таймера: первый показывает время, прошедшее с начала данной сессии, второй – время исполнения данной операции.

По завершении работы с данным КЭ выполняется переход на страницу авторизации, где оператору предлагается заполнить так называемый лист регистрации с набором субъективных оценок об эффективности виртуального руководства.

В настоящее время эксперимент ВИРУ продолжается. По полученным с борта МКС протоколам можно сделать вывод о правильности подходов, реализованных при проектировании комплекса ВИРУ. В радиограммах космонавтов даются только хорошие личные оценки программы. Важнейшим результатом первого использования ВИРУ является также зарегистрированное сокращение общего времени проведения эксперимента на десятки минут.

Новые задания на КЭ регулярно передаются на борт МКС по российским каналам связи.

Использование созданного комплекса в бортовых и наземных условиях позволяет существенно повысить удобство, оперативность, надежность доступа персонала к инструктивным материалам, значительно расширяет функциональные возможности бортовой информационной среды, обеспечивает высокую производительность работ в сложных условиях.

Литература

1.     Жук Е.И., Гуторов А.М. Применение виртуальных руководств при подготовке к проведению научных исследований на пилотируемых орбитальных комплексах. Научные чтения памяти К.Э. Циолковского. Калуга, 2009. URL: http://readings. gmik.ru/lecture/2009-PRIMENENIE-VIRTUALNIH-RU­KOVODSTV-PRI-PODGOTOVKE-K-PROVEDENIYU-NAUCHNIH-IS­SLEDOVANIY-NA-PILOTIRUEMIH-ORBITALNIH-KOMPLEKSAH (дата обращения: 15.05.2013).

2.     Технические эксперименты и исследования на Российском сегменте МКС. Эксперимент «ВИРУ». URL: http://www. energia.ru/ru/iss/researches/techn/58.html (дата обращения: 15.05.2013).

3.     Технические эксперименты и исследования на Российском сегменте МКС. Эксперимент «Альбедо». URL: http:// www.energia.ru/ru/iss/researches/techn/62.html (дата обращения: 15.05.2013).

References

1.   Zhuk E.I., Gutorov A.M., Nauchnye chteniya pamyati K.E. Tsiolkovskogo [Scientific readings in memory of K.E. Tsiolkov­sky], Kaluga, 2009, available at: http://readings.gmik.ru/lecture/ 2009-PRIMENENIE-VIRTUALNIH-RU­KOVODSTV-PRI-PODGOTOV­KE-K-PROVEDENIYU-NAUCHNIH-ISSLEDOVANIY-NA-PILOTIRU­EMIH-ORBITALNIH-KOMPLEKSAH (accessed 15 May 2013).

2.   Tekhnicheskie eksperimenty i issledovaniya na Rossiiskom segmente MKS. Eksperiment "VIRU" [Technical experiments and researches on Russian ISS segment. Experiment “VIGU”], available at: http://www.energia.ru/ru/iss/researches/techn/58.html (accessed 15 May 2013).

3.   Tekhnicheskie eksperimenty i issledovaniya na Rossiyskom segmente MKS. Eksperiment "Albedo" [Technical experiments and researches on Russian ISS segment. Experiment "Albedo"], available at: http://www.energia.ru/ru/iss/researches/techn/62.html (accessed 15 May 2013).