Software & Systems

В настоящее время в России создается перспективная пилотируемая транспортная система (ППТС), включающая в себя многоразовый пилотируемый транспортный корабль (ПТК) нового поколения, который не только заменит пилотируемые корабли серии «Союз», но и откроет новые возможности, такие как увеличенная грузоподъемность, многоразовость, полеты к Луне [1, 2].

В отличие от ранее принятого подхода к проектированию автоматического пилотируемого корабля [3, 4], приоритет в котором отдается автоматике, а человек осуществляет функции контроля автоматических режимов и выполнения резервных режимов управления, в процессе проектирования ПТК и его составных частей предлагаются итеративное создание и экспериментальная отработка интерфейса экипажа с ПТК, обеспечивающего космонавту активное участие в контроле и управлении кораблем.

Стенд эргономической отработки (СЭО) ПТК, разрабатываемый ракетно-космической корпорацией «Энергия» совместно с Центром тренажеро- строения и подготовки персонала с 2014 г., предназначен для эргономической оценки, экспериментальной отработки вариантов информационного обеспечения экипажа ПТК, новых органов управления (ОУ) и систем отображения информации (СОИ), моделирования деятельности экипажа и процессов управления ПТК в наземных условиях. Объект испытаний – интерфейс экипажа с ПТК, включающий экспериментальные и опытные образцы ОУ и СОИ, а также информационная модель систем ПТК в виде набора дисплейных форматов для контроля и управления кораблем.

Программно-аппаратное обеспечение дает возможность подготовки вариантов информационного обеспечения экипажа ПТК с использованием системы разработки информационной модели систем ПТК и экспериментальной отработки интерфейсов экипажа при моделировании вариантов информационного обеспечения ПТК в полноразмерном макете командного отсека (КО) корабля.

Система разработки информационных интерфейсов экипажа обеспечивает создание вариантов дисплейных форматов для представления данных о процессах управления, состоянии и работе бортовых систем, а также о внешней обстановке с целью экспериментальной отработки и эргономической оценки ОУ и СОИ:

–      интерактивное создание и изменение информационных кадров с помощью программного пакета разработки;

–      создание и пополнение библиотеки графических образов для создания мнемосхем и других элементов информационных кадров;

–      настройку связей отображаемой информации с моделями систем и параметрами моделируемых процессов;

–      интерактивную настройку параметров информационных моделей;

–      отладку информационных интерфейсов экипажа.

Система моделирования предназначена для моделирования процессов взаимодействия экипажа с ПТК в автоматических и ручных режимах управления посредством технических и программных средств и обеспечивает

–      имитационное моделирование работы основных бортовых систем ПТК;

–      моделирование на рабочих местах экипажа (РМЭ) процессов контроля и управления ПТК;

–      моделирование внутренней и внешней коммуникации экипажа с использованием имитационной модели бортовой системы связи (между членами экипажа ПТК, с исследователями и операторами – рабочее место исследователя-оператора (РМ-ИО));

–      управление с РМ-ИО процессами моделирования управления ПТК экипажем, а также внешними связями стенда, отображение информации и управление стендом на РМ-ИО, регистрацию параметров процессов и характеристик деятельности испытателей ПТК на стенде;

–      разработку сценариев процессов моделирования, моделей систем ПТК, БД, ПО контроля и анализа;

–      изменение состава и конфигурации РМЭ в соответствии с задачами испытаний.

Структура и состав стенда

Стенд эргономической отработки ПТК состоит из следующих составных частей (рис. 1): полноразмерный макет КО (рис. 2), оснащенный действую- щими макетами пульта космонавтов, кресел космонавтов и другим оборудованием, необходимым для отработки режимов управления и контроля систем ПТК; технологическая стойка для размещения вычислительных средств, сетевого оборудования, системы электропитания и модулей устройств сопряжения (УСО); РМ-ИО, предназначенное для управления работой стенда и контроля проводимых космонавтами операций внутри КО; рабочее место разработчика, предназначенное для создания и корректировки интерфейсов экипажа с ПТК.

Интерьер макета КО представлен на рисунке 3. Макеты кресел позволяют отрабатывать деятельность экипажа на двух основных рабочих местах – РМЭ1, РМЭ2. Пульт космонавта установлен на поворотной раме, которая с помощью механизма может принимать два положения: рабочее и транспортное. На раме размещены три цветных жидкокристаллических сенсорных дисплея с накладными рамками для физической имитации кнопок, расположенных по периферии экрана и обеспечивающих выбор форматов, отображаемых в центральной области экрана. Каждый монитор пульта космонавта подключен к соответствующему макету процессорного блока отображения информации, представляющего собой мини-компьютер, обеспечивающий формирование изображения на экране и интерфейс с моделирующей системой. Это обеспечивает три независимых канала управления системами ПТК, ввод команд, мониторинг работы систем и управление отдельными приборами и устройствами с пульта космонавтов.

Действующий макет ручки управления движением и ориентацией (РУДО) объединяет в себе функции двух раздельных органов управления – ручки управления движением (РУД) и ручки управления ориентацией (РУО), имеющихся на существующих транспортных кораблях «Союз-ТМА». РУДО обеспечивает на стенде ручное управление двумя членами экипажа с левого РМЭ и при необходимости с правого РМЭ (левой рукой). РУДО через специализированный преобразователь сигналов, как и мини-компьютеры пульта космонавтов, подсоединены к локальной вычислительной сети стенда ПТК. Это позволяет всем составным компонентам системы обмениваться данными в процессе работы и моделирования.

Беспроводная технологическая связь обеспечивает имитацию системы связи для внутренних переговоров между двумя членами экипажа и взаимодействия с наземными операторами связи.

Комфортные условия работы в командном отсеке обеспечиваются набором вытяжных вентиляторов и светильниками. Контроль (наблюдение) за действиями экипажа с целью оценки их выполнения ведется на РМ-ИО в реальном времени с помощью отдельной IP-камеры. 

РМ-ИО оснащено монитором большой диагонали, на котором отображаются состояние каждого из сенсорных мониторов пульта космонавтов, вспомогательная информация о ходе отработки интерфейсов и изображение IP-камеры также для отслеживания выполнения и отработки интерфейсов. Помимо наблюдения, исследователь-оператор может вмешиваться в процесс управления и при необходимости вызывать форматы и управлять системами ПТК: выдавать команды управления, работать с информационными кадрами и форматами, изменять конфигурацию форматов на РМЭ.

ПО стенда

Для работы стенда используются специализированное ПО формирования моделей и форматов, отображаемых на пульте космонавта, на основе коммерческой версии системы Master SCADA; ПО режима захвата экранов пульта космонавтов Lite Manager; ПО технологической связи Team Speak; ПО работы с IP-камерой командного отсека ПТК.

Загрузка системного и прикладного ПО осуществляется на следующих компонентах стенда: АРМ разработчика – после включения загружаются ОС Windows и среда разработки информационных интерфейсов экипажа; АРМ исследователя-оператора – после включения загружаются ОС Windows и системное ПО для выполнения операций захвата экранов пульта космонавтов Lite Manager и организации технологической связи Team Speak, ПО работы с IP-камерой командного отсека ПТК, а также прикладное ПО управления работой стенда; мини-компьютеры, обеспечивающие вывод информации на пульт космонавтов, – после включения загружаются ОС Windows, системное ПО организации технологической связи Team Speak и прикладное ПО отображения форматов Master SCADA [5].

Специализированное ПО формирования моделей и форматов, отображаемых на пульте космонавта, представлено программным продуктом Master SCADA – программным пакетом для проектирования систем диспетчерского управления и сбора данных. Основными свойствами являются модульность, масштабируемость и объектный подход к разработке. Система предназначена для сбора, архивирования, отображения данных, а также для управления различными технологическими процессами. Помимо создания так называемого верхнего уровня, система дает возможность программировать контроллеры с открытой архитектурой. Таким образом, Master SCADA позволяет создавать единый комплексный проект автоматизации [6, 7].

Функционал MasterSCADA может быть расширен за счет использования дополнительных мо- дулей. В базовый функционал входят среда раз- работки, внутренний архив данных, сообщений и документов, OPC DA- и OPC HDA-клиенты, редактор мнемосхем, редактор отчетов, модуль трендов и модуль журналов, обработка данных, базовые библиотеки функциональных блоков, формирование расписаний и событий. В опциональный набор входят возможность создания сетевого проекта, резервирование, взаимодействие с БД, отраслевые библиотеки функциональных блоков. Проект разрабатывается в единой интегрированной среде (независимо от модульного состава программы). Основным способом создания структуры проекта является установление связей между элементами проекта (объектами, функциональными блоками и переменными) в дереве объектов. При дублировании и копировании связи могут восстанавливаться. При создании проекта могут использоваться стандартные функциональные блоки (ФБ исполни- тельных механизмов, математические блоки, об- работка сигналов и т.д.) либо самостоятельно разработанные пользователем на языках программирования ST, FBD и C#.

Использование MasterSCADA как средства проектирования отработки интерфейсов экипажа обусловлено тем, что применяемое ПО позволяет относительно просто создавать и изменять сцена- рии моделирования. Для разработки модели системы ПТК используется многофункциональный графический редактор, позволяющий строить мнемосхемы различной сложности с помощью как готовых визуальных элементов из библиотеки, так и новых элементов, создаваемых разработчиком. Логика работы любой системы описывается специализированным скриптом, работа которого обеспечивает моделирование числовых параметров и последующее отображение изменения состояния функциональных блоков на мнемосхемах системы. Такое разделение и наличие достаточно простого пользовательского редактора позволяет при необходимости дорабатывать и изменять получаемые визуальные представления дисплейных форматов в процессе отработки различных эргономических характеристик.

Режим захвата экранов пульта космонавтов обеспечивает программный продукт Lite Manager Free, который обладает основными функциями и позволяет одновременно управлять несколькими компьютерами (до 30) [8]. Преимущества продукта: управление и просмотр удаленного рабочего стола компьютера Remote Desktop, файловый менеджер для работы с файлами и папками, управление питанием компьютера. LiteManager предоставляет понятный и простой интерфейс для удаленного администрирования. Выбираются необходимый режим работы, управление компьютером, передача файлов, просмотр процессов и т.д., осуществляется подключение к удаленному компьютеру. Компьютеры могут отображаться в виде эскизов, на которых видно их текущее состояние. В режиме управления удаленным рабочим столом можно использовать функции Drag&Drop, системный буфер обмена, переключаться между мониторами удаленного компьютера. После автозагрузки ПО и завершения процесса включения стенда выбираются эскизы в главном окне программы удаленных рабочих столов мини-компьютеров пульта космонавтов и выполняется команда их вывода на общий монитор для наблюдения действия и удаленного управления. ПО Lite Manager может быть настроено на дублирование экранов как в 100 %-ном, так и в уменьшенном или увеличенном масштабе.

Специализированное ПО технологической связи Team Speak – программа, предназначенная для голосового общения посредством технологии VoIP [9]. От классического телефона отличается практически неограниченным количеством абонентов, разговаривающих одновременно. ПО состоит из серверной и клиентских частей (серверная часть установлена на АРМ исследователя-оператора, клиентские – на двух мини-компьютерах пульта космонавтов). Для того чтобы пользоваться Team Speak, необходимо знать адрес сервера, на котором установлена серверная часть программы, и пароль, если он требуется для соединения. Для полноценной работы с Team Speak пользователю требуются наушники или колонки и микрофон – в данном случаем используются беспроводные гарнитуры Logitech Wireless Headset Mono H820e. Процесс общения представляет собой конференцию в реальном времени, в которой разговаривающие могут произносить реплики одновременно. Во избежание этого каждый участник может заблокировать лично для себя звук от другого участника. Возможен режим записи всех сообщений в отдельный аудиофайл.

Выбор данного ПО обусловлен тем, что оно полностью реализует все требуемые задачи по созданию циркуляров голосовой связи и отображению дублей экранов пульта космонавта, а также по оперативному изменению параметров и настройке приложений для новых задач на РМ-ИО.

Конструктивные особенности построения макета КО

При проектировании макета ПТК использовались следующие принципы: подобие макета проекту КО по размерам, форме и внутренним объемам, модульность конструкции макета, минимальные весовые характеристики, технологичность сборки и разборки макета [10]. Корпус макета ПТК выполнен из сборно-разборного основания с установленными на нем шестью модулями наружной обшивки. Конструкция основания и наружные обводы корпуса выполнены из алюминиевых тонкостенных прессованных профилей и листового алюминия. На основании макета, кроме ограждающей конструкции, установлены все элементы интерьера: каркасы кресел, кресла, конструкции механизма пульта космонавтов и другие. Они не связаны с конструкцией ограждения, что позволяет в процессе компоновки, монтажа и отработки эргономических характеристик оперативно удалять любой из модулей ограждения, не внося радикальных изменений в конструкцию интерьера КО, оперативно вносить изменения в компоновку интерьера без существенной переделки всей конструкции макета (рис. 4).

Механизм пульта космонавтов в макете КО функционально подобен механизму, созданному в процессе проектно-конструкторской разработки ПТК, и позволяет устанавливать пульт в транспортное и рабочее положение (рис. 5, 6).

Это дает возможность эргономической оценки компоновки рабочих мест космонавтов в КО ПТК и своевременного внесения изменений в конструкцию пульта на этапе выпуска рабочей документации.

Модульное построение макета КО ПТК позволяет вносить изменения в конструкцию макета на стадиях проектно-конструкторской проработки ПТК по результатам эргономической оценки рабочих мест экипажа. В итоге экспериментальной от- работки интерфейсов экипажа с кораблем вносятся корректировки в проект ПТК.

Представленный стенд эргономической отработки ПТК рассматривается в качестве пилотажного средства, обеспечивающего эффективное взаимодействие экипажа с высокоавтоматизированным космическим кораблем на разных уровнях: контроль и управление отдельными системами, выполнение полетных операций, контроль и оперативное изменение полетных задач и программы полета в целом.

СЭО ПТК должен обеспечить решение этой за- дачи на базе РКК «Энергия» с использованием но- вых программных, технических, конструктивных и технологических решений.

Литература

1.     Корабль нового поколения (ПТК НП). URL: http://kos­molenta.com/index.php/new-tech/ptknp (дата обращения: 20.08.2015).

2.     Афанасьев И. Перспективный транспортный корабль нового поколения // Новости космонавтики. 2014. № 09. С. 58–61.

3.     Голиков Ю.Я. Современные концепции автоматизации и подходы к человеку и технике // Психол. журнал. 2002. Т. 23. № 1. С. 18–30.

4.     Кукин О.Н., Серов М.В. О реализации методов инженерно-психологического проектирования пилотируемых космических аппаратов. Человеческий фактор: проблемы психологии и эргономики. 2013. № 4 (67). С. 34–38.

5.     Общая информация о MasterSCADA. URL: http://www. masterscada.ru/?additional_section_id=26 (дата обращения: 20.08.2015).

6.     Среда пользовательского программирования и автоматизация проектирования в MasterSCADA. URL: http://isup.ru/ articles/2/763/ (дата обращения: 20.08.2015).

7.     MasterSCADA – полнофункциональный пакет программ для разработки АСУ ТП. URL: http://www.rlda.ru/Master­SCADA.htm (дата обращения: 20.08.2015).

8.     Удаленное управление компьютерами при помощи бесплатной программы LiteManager. URL: http://www.ixbt.com/soft/ litemanager.shtml (дата обращения: 20.08.2015).

9.     Установка и настройка TeamSpeak 3. URL: https://cfire. mail.ru/forums/showthread.php?t=132893 (дата обращения: 20.08.2015).

10.  Шукшунов В.Е., Циблиев В.В., Потоцкий С.И. Тренажерные комплексы и тренажеры. Технологии разработки и опыт эксплуатации. М.: Машиностроение, 2005. 384 с.