Программные продукты и системы

Все современные авиационные тренажеры включают в себя ПО рабочего места инструктора (РМИ). Данная работа посвящена технологиям создания компонента авиационных симуляторов, а именно РМИ, также в ней детально рассмотрены подходы к его построению.

Производители авиационных тренажеров зачастую вынуждены индивидуально проектировать данный компонент под свою вычислительную платформу. Однако выявление типовых функций РМИ может обеспечить возможность быстрого прототипирования ПО, что значительно упростит и сократит время разработки ПО такого типа. Функционал данного ПО направлен на задание параметрической информации бортового оборудования и управление тренажером при обучении пилотов [1, 2]. Цель исследования, освещенного в статье, – найти типовые и основные функции ПО РМИ, используемые при обучении пилотированию.

Предметом изучения были рекомендации авиационных стандартов, применяемых при разработке тренажеров, литература по данной предметной области, а также консультации с практикующими обучение пилотами-инструкторами.

Основными пользователями данного ПО являются пилоты-инструкторы. Они должны разрабатывать учебные программы подготовки пилотов, методики ведения летной подготовки, уметь применять на практике методику выполнения маневров и схем полета, по которой намерены проводить летную подготовку.

В соответствии с методическими рекомендациями по подготовке пилотов обладатель квалификационной отметки «пилот-инструктор» должен иметь знания о возможностях человека применительно к летной подготовке, а также об опасностях, связанных с имитацией отказов систем на воздуш- ном судне, уметь контролировать самостоятельные полеты пилотов-курсантов, проводить летную подготовку, необходимую для выдачи свидетельств частного пилота, коммерческого пилота, пилота многочленного экипажа и для внесения квалификационной отметки о праве на полеты по приборам и квалификационной отметки пилота-инструктора.

Основным средством при подготовке пилотов на авиационном тренажере во время летной сессии для пилота-инструктора является ПО РМИ, посредством которого он может задавать параметры обучения и возмущающее воздействие на подсистемы, контролировать работу тренажера.

В гражданской авиации в полнопилотажных тренажерах РМИ размещено в кабине тренажера, в авиационных симуляторах военного назначения – за пределами тренажера, что никак не влияет на типовой набор функций ПО.

ПО РМИ является прикладной программой с использованием графического пользовательского интерфейса, с системным модулем инициализации и ввода/вывода данных от подсистем тренажера.

Общими принципами построения ПО РМИ являются комплексность, которая реализуется путем создания системы, гибко настраиваемой для работы с различным сочетанием программных и аппаратных средств, и модульность, реализуемая последовательным делением структуры всей программы на программные модули, что должно обеспечивать наращивание функциональности [3].

Для предоставления инструктору возможности обучать пилотов самолетовождению по ранее разработанным методикам данное ПО имеет управляющие элементы графического пользовательского интерфейса, посредством нажатия на которые инструктор может задавать возмущающее воздействие на подсистемы тренажера, менять числовые значения параметров подсистем тренажера, а также элементы индикации необходимых параметров, чтобы была возможность следить за корректным обучением пилотированию.

Структура программы РМИ может быть подразделена на следующие составные части:

-     программный модуль общего функционала, в том числе обработка управляющих элементов графического пользовательского интерфейса приложения;

-     интерфейсный программный модуль обмена информацией приложения РМИ с подсистемами тренажера.

В свою очередь, программный модуль общего функционала включает в себя следующие составляющие:

-     программный модуль графического пользовательского интерфейса;

-     модуль общих настроек приложения, взаимодействующий с элементами графического пользовательского интерфейса приложения;

-     модель взаимодействия с интерфейсным уровнем приложения для изменения и индикации параметрической информации посредством графического пользовательского интерфейса.

На интерфейсном уровне программный модуль РМИ взаимодействует с математическими моделями, имитирующими работу бортовых систем самолета.

Так как ключевым фактором в создании ПО РМИ является его функциональность, чаще всего для разработки такого вида программ выбирают методологию FDD Agile (Feature driven development Agile), основанную на модификации гибкой (Agile) методологии, – подход к разработке ПО, управляемый функциональностью, который включает пять основных видов деятельности:

-     разработка общей модели;

-     составление списка необходимых функций системы;

-     планирование работы над каждой функцией;

-     проектирование функции;

-     реализация функции [4].

Функционал ПО РМИ схож с функционалом всего авиационного тренажера как комплекса вычислительных систем с математическими моделями, так как затрагивает управление всеми подсистемами тренажера при обучении пилотированию.

Математические модели самолета, имитирующие работу подсистем, являются основными составляющими для любого тренажера [5].

Согласно рекомендациям стандарта ARINC 610 ревизии C – Руководству по проектированию авиационного оборудования и ПО для использования в учебных устройствах (Guidance for design of aircraft equipment and software for use in training devices), нестандартные для самолета процедуры (функции) в симуляторе могут быть разбиты на три основные категории: начальные условия, репозиция, па- раметры заморозки, что, как правило, отражено в графическом пользовательском интерфейсе про- граммы. ПО РМИ взаимодействует с математи- ческими моделями самолета и позволяет задавать параметры обучения полету – начальные условия, такие как географическое местоположение самолета, высота, скорость, заполнение топливом самолета, метеоусловия и параметры внешних воздействий, таких как температура, давление и ветер.

В более ранней версии стандарта ARINC 610 руководства по проектированию и интеграции авиационного и радиоэлектронного оборудования в тренажерах упоминаются рекомендации IATA по применению семнадцати основных функций симулятора (табл. 1), которые находят отражение в ПО РМИ.

Функции ПО РМИ, как и функции тренажера, могут быть разделены на следующие категории: контроль симуляции, сценарий настроек обучения, оптимизация, установки технического обслуживания, специфические функции для военного применения.

Функции управления и взаимодействия ПО РМИ сгруппированы в графическом пользовательском интерфейсе с учетом вышеупомянутых категорий.

Таблица 2 демонстрирует принадлежность функций к категориям.

Во время тренировочной сессии может понадобиться так называемая заморозка состояния самолета для того, чтобы приостановить обучение, дать экипажу дополнительные инструкции или обсудить его поведение. Эти функции могут потребовать полной заморозки процесса моделирования или остановки некоторых выбранных параметров самолета. Во время замораживания полета движение самолета приостанавливается, в то время как самолетные системы (математические модели, имитирующие работу самолетных систем) продолжают функционировать нормально и информационный обмен сохраняется.

Для этого в функциях ПО РМИ предусмотрены кнопки графического пользовательского интерфейса: заморозка полета, заморозка местоположения, заморозка высоты, заморозка топлива.

Типичными примерами использования инструктором функции заморозки во время обучения пилотированию могут служить следующие ситуации.

·     Если экипаж вылетает за пределы полигона или допускает ошибку в процессе пилотирования, инструктор приостанавливает моделирование для того, чтобы обсудить с ним эту ситуацию.

·     При переходе к следующей учебной задаче замораживание моделирования может позволить обучаемым установить измененную конфигурацию самолета без выполнения полета с расширенным маневром. Например, замораживание положения самолета при заходе на посадку дает время для снижения скорости приземления и выбора правильного положения закрылков.

·     В конце полета может возникнуть необходимость заморозить моделирование перед передачей тренажера другому пилоту для продолжения полета в условиях, которые только что были установлены.

·     Во время выполнения маневра инструктор может заморозить моделирование для того, чтобы объяснить функцию системы или состояние, которое является переходным и пропадает в конце выполнения маневра.

В процессе работы тренажера замороженные параметры (переменные, участвующие в информационном обмене) остаются константами, а информационный обмен сохраняется с заданной циклограммой.

В течение тренировочной сессии летного состава может понадобиться перестановка место- положения самолета (репозиция) или внешних воздействий, соответствующих задаче обучения. Использование данной функции ПО РМИ ведет к изменению географического местоположения самолета, высоты, курса, скорости.

Данная функция изменения местоположения самолета касается установки условий максимального взлетного веса самолета и условий видимости III категории или условий посадки при заходе на посадку с боковым ветром. Изменение параметров может выражаться в шаговом изменении на новое значение или поворотом как непрерывное динамическое изменение от начального значения до конечного. Например, инструктор может  повернуть положение самолета. В число изменяемых параметров в соответствии со справочником пилота входят широта, долгота, курс, высота и воздушная скорость; остаток топлива, ресурсы и полезная нагрузка; внешние воздействия, такие как температура, давление и состояние ветра.

Во время летной сессии (сеанса обучения пилотированию) может возникнуть необходимость сохранить конкретную установку моделирования и позже сделать ее доступной для повторного вызова во время сеанса обучения. Инструктор может использовать функцию вызова кадра для сохранения параметров самолета в любое время, не прерывая обучения. Функция повторного вызова кадра может быть полезной, если инструктор хочет иметь возможность вернуться к конкретной точке в сце- нарии обучения студентов. Это может быть ис- пользовано и для настройки начальных установок состояния. Кадры также могут быть использованы для сохранения состояния конкретных самолетных систем. Кадр плана полета системы самолетовождения является наиболее общим примером.

Для каждой конкретной модели самолета зафиксирован набор отказов подсистем. Главный и типичный функционал программы включает в себя возможность симулировать, задавать отказы подсистем авиационного симулятора во время тренировочной сессии.

Основное назначение пилотажного учебного оборудования состоит в том, чтобы безопасно обучать ненормальным и срочным процедурам. Инструктор должен иметь возможность устанавливать и снимать отказы при симуляции пилотажного оборудования тренажера таким образом, чтобы все аварийные и экстренные случаи в учебных про- граммах могли должным образом усваиваться, но без трудоемкой реконфигурации в конце каждого учебного сценария.

Сбой может быть определен как единственный физический элемент воздушного судна, который вышел из строя. Влияние отказа будет распространяться через все моделирование таким же образом, как на самолете, с физическим влиянием, индикацией систем кабины экипажа, предупреждающими сообщениями и сигналами тревоги.

Во всех этих случаях ПО должно предусматривать возможность использования других функций моделирования, таких как замораживание или перемещение, и переустановки индикаторов кабины и самолетных систем в состояние отсутствия отказов при завершении сценария обучения.

Обучение пилотированию военных самолетов и обучение пилотированию гражданских воздушных судов имеют много общего, но для пилотирования военных самолетов необходимо освоение дополнительных функций, которые часто требуются для обучения тактическим операциям [6].

Часто встречающимися дополнительными функциями ПО РМИ являются функции сообщений метеосводок (ATIS – Automatic Terminal Information Service – служба автоматической передачи информации в районе аэродрома), отслеживание траектории полета по навигационным картам.

Таким образом, для обеспечения гибкости настройки для любого уровня тренажера и его вычислительной сети, наращивания функционала, а также возможности использования в тренажерах, требующих вычислений в реальном времени, структура ПО РМИ должна характеризоваться модульностью, под которой понимается логическое разделение составляющих программы на подпрограммы [3, 5].

Для предоставления инструктору возможности обучать пилотов самолетовождению по ранее разработанным методикам  задаются параметры посредством нажатия на кнопки графического пользовательского интерфейса программы РМИ, таким образом задается возмущающее воздействие на подсистемы тренажера. Объектами автоматизации являются математические модели подсистем самолета, имитаторы реальных приборов бортового ра- диоэлектронного оборудования и внешней окружа- ющей среды для визуализации закабинного пространства.

Симуляция полета реализована математическими моделями аэродинамики самолета, аэроупругости, системы автоматического управления, силовой установки, авионики, атмосферы и другими [6, 7].

Математические модели, используемые для симуляции современных воздушных судов, состоят из массивного набора нелинейных дифференциальных уравнений с большим количеством данных (табличного представления, в коде программы представлены как n-мерные массивы), аэродинамических функций, иногда зависящих от 4-5 переменных, произвольных дискретных и непрерывных функций, а также множества ограничений, наложенных на состояние различных систем самолета.

Из полученных сил и моментов, создаваемых этими системами, вычислительным комплексом создаются и решаются уравнения движения с использованием адекватного алгоритма интеграции. Это позволяет моделировать полный спектр статических и динамических условий эксплуатации воздушных судов, в том числе посадки и взлета (landing/take-off), наземного обслуживания и экстренных ситуаций, таких как отказ двигателя, потеря скорости, отказ подсистем [5].

Если уровень тренажера требует использования систем реального масштаба времени имитации полета, компьютер должен выполнять все вычисления в математической модели (моделях), в том числе обмен данными (ввод/вывод) при такте, как на реальном борту самолета, для достижения самой высокой точности исполнения [5].

Во время вызова инструктором и выполнения всех упомянутых функций информационный обмен системного модуля ПО РМИ с подсистемами тренажера сохраняется.

В ходе исследований, проводимых во время летных сессий инструкторами-пилотами, было установлено, что существующие программные решения РМИ гражданской тематики, как правило, имеют пользовательский интерфейс на английском языке. Для новых разработок такого типа ПО также было высказано пожелание использовать английский язык в графическом пользовательском интерфейсе. Данное требование обусловлено тем, что все сообщения пилотам в кабине, предупреждения об отказах оборудования выдаются на международном языке – английском.

Также в ходе консультаций с пилотами-инструкторами было выявлено, что наиболее часто используемыми функциями при обучении пило- тированию являются замораживание полета, управление подачей питания на борт, создание снимка – мгновенное сохранение состояний параметров тренажера для разбора поведения пилотов после проведения обучения.

При обучении пилотированию инструкторы, как правило, используют следующий алгоритм.

1.    Установка начального местоположения самолета (репозиция).

2.    Установка веса самолета.

3.    Установка метеоусловий.

4.    Установка дополнительных параметров (выставка инерциальной системы и пр.).

5.    Выставление отказов оборудования, если этого требует упражнение.

Данные факторы нашли отражение в проектировании графического пользовательского интерфейса программы РМИ, где наиболее часто исполь- зуемые функции заданы управляющими элементами – кнопками на экране.

Чаще всего в графическом пользовательском интерфейсе данного типа программ представлена интеграция вышеописанных функций с выделением информационных страниц программы с разделением их по категориям и дополнением навигационными картами, функцией метеосводок для конкретного аэродрома, функцией предупреждения столкновений, набором отказов для каждой конкретной модели самолета [8].

На основании вышесказанного выделим типичный для авиационных тренажеров набор функций ПО РМИ, достаточный для проектирования программы с базовыми функциями для дальнейшей модификации и добавления индивидуальных параметров под определенную модель самолета:

-     настройка состояния системы и внешних условий для построения сценария обучения;

-     заморозка;

-     мгновенное изменение местоположения (репозиции) самолета;

-     симуляция отказов подсистем воздушного судна;

-     оптимизация выполнения учебных задач и служебные функции программы.

Рекомендациями и основными направлениями для дальнейших исследований оптимальных методов такого типа программ будут следующие:

-     наиболее часто используемый пилотами-инструкторами функционал при обучении пилотированию летных составов ПО РМИ и возможные ал- горитмы использования элементов управления ПО РМИ во время обучения пилотированию для нахождения оптимальной структуры такого типа программ;

-     вопросы эргономики при проектировании графического пользовательского интерфейса такого вида программ.

Кроме того, необходимо исследовать возможность построения модели системы управления авиационным симулятором посредством ПО РМИ.

Литература

1      Красовский А.А. Основы теории авиационных тренажеров. М.: Машиностроение, 1995. 304 с.

2      Клюев Г.И. Авиационные приборы и системы: учеб. пособие. Ульяновск: Изд-во УлГТУ, 2000. 343 с.

3      Hoogstraten J.A., van de Moesdijk G.A.J. Modular programming structure applied to the simulation of non-linear aircraft models. TU Delft Publ., m-437, Delft, Netherlands, 1982 , 9 p.; URL: http://repository.tudelft.nl/islandora/object/uuid:0a0508b9-7e2a-4f61-b3ce-006644642937?collection=research (дата обращения: 22.05.2016)

4      Palmer S.R., Felsing J.M. A practical guide to feature-driven development. Prentice Hall Publ. 2002, 276 p.

5      Baarspul M. Flight Simulation Techniques with emphasis on the generation of high fidelity 6 DOF motion cues. TU Delft Publ., m-533, Delft, Netherlands, 1986, 13 p.; URL: http://repository. tudelft.nl/islandora/object/uuid:dfd19219-afd9-4faf-b2c8-03401bfc 89c0?collection=research (дата обращения: 22.05.2016).

6      Allerton D. Principles of Flight Simulation. Wiley & Sons, UK, 2009, 492 p.

7      Mulder J.A., Hollander J.G. Status of Dynamic Flight test Technology-Model Identification for Flight Simulation. SAE Techn. Pap. Series no. 810597, 1981, pp. 1–6.

8      Vazques A.A. Touch screen use on flight simulator instructor/operator stations. MS Thesis. US Naval Acad. Publ., Monterey, 1990, 78 p.