Software & Systems

Тренажерные системы являются одним из приоритетных направлений развития компьютерных технологий уже довольно длительное время. Тенденция замены обучения в боевых условиях тренировкой на тренажере особенно ярко проявляется в подготовке операторов сложных технических систем. Причем, если объектом внимания при обучении в прошлом были технический профессионализм плюс соблюдение установленных принципов, правил и порядка действий, то на современном этапе развития тренажерного обучения обращается внимание на оптимизацию работы членов экипажа (группы) с максимальным использованием его ресурсов. Важное значение приобретают решения, принимаемые руководителями, планирование и затем уже исполнение общего плана всей группой обучаемых. Именно эти тенденции обусловливают актуальность разработки тактических тренажерных систем. К таковым относятся тактические тренажеры для обучения экипажей кораблей различных классов.

Отличительной особенностью таких тренажерных комплексов является высокая сложность и многообразие проблемных ситуаций, используемых в процессе обучения. Это связано с тем, что в тренажерах данного вида роль обучаемых не определяется жесткой схемой, а предполагает творческий характер действий – решение одной и той же задачи может достигаться множеством способов.

Для любого тренажера важнейшей составляющей является система подготовки и поддержки сценария проведения занятия, который определяет поведение внешней по отношению к обучаемым среды. Современный тренажерный комплекс включает в себя не только модели технических систем, непосредственно управляемых обучаемыми (активные объекты), но и модели систем и объектов, образующих обучающую среду (пассивные объекты). Поведение таких объектов используется руководителем обучения как средство создания разнообразных проблемных ситуаций, требующих от обучаемых принятия определенных решений.    В случае тактического тренажера сложность и многообразие вариантов поведения различных объектов обучающей среды позволяют рассматривать управление обучающей средой как самостоятельную проблему, возникающую при разработке тренажера.

В настоящее время преобладающим подходом к решению данной проблемы является использование ручного управления обучающей средой со стороны преподавателя. В ходе проведения занятия он вынужден постоянно контролировать состояние объектов обучающей среды и изменять его для реализации замысла тренировки. При этом

 для управления объектами обучающей среды руководитель пользуется элементарными командами, которые обеспечиваются имитационными моделями объектов (например, изменение курса, высоты и т.п.) (рис. 1).

Современные тенденции при построении  тренажерных комплексов диктуют необходимость использования автоматизированных методов создания и поддержки сценария проведения тренировки. При этом сценарий тренировки складывается из отдельных сценариев поведения объектов обучающей среды. Автоматизированные методы подготовки оказывают существенное влияние на уменьшение нагрузок и повышение эффективности роли руководителя обучения, освобождая его от необходимости постоянно следить за вводом обстановки в систему и предоставляя ему тем самым больше возможностей и времени для контроля действий обучаемых.

Основной идеей существующих подходов к автоматизации управления обучающей средой является представление сложной обучающей среды отдельными объектами и разработка способов автоматизированного управления действиями данных объектов. В различных уже разработанных тренажерах используются простейшие способы автоматизированного управления поведением объектов обучающей среды: планы маневрирования, траектории движения, полетное задание и т.п. Основной проблемой, не решенной в существующих подходах, является моделирование сложного поведения пассивных объектов, учитывающего действия обучаемых. Управление строится на принципах последовательного воздействия на объект или в привязке ко времени, в то время как требуется ситуативное управление, основанное на событиях, которые инициируются действиями обучаемых.

Решение задачи эффективного автоматизированного управления объектами обучающей среды тренажера связано с разработкой моделей автоматизированного управления объектами. В таком случае управление объектами среды осуществляется руководителем опосредовано (рис. 2).

Отдельные модели управления являются специализированными, то есть осуществляют управление объектами при решении конкретной тактической задачи (например, поиск цели). Узкая специализация моделей приводит к необходимости разработки множества моделей, реализующих различные сценарии поведения объектов обстановки. Многообразие и сложность тактических задач, которые должны решаться объектами обстановки в тактическом тренажере, приводят к сложностям проектирования, реализации и эффективного использования моделей управления.

На этапе проектирования возникает проблема спецификации модели – необходимо обеспечить механизм однозначного описания поведения, которое должно быть реализовано моделью. Затем в процессе реализации модели необходимо обеспечить эффективный переход от спецификации к программному коду модели. Высокая сложность модели управления приводит к необходимости контролировать ход ее выполнения. Отсутствие средств контроля может привести к потере управления со стороны руководителя обучения, который должен постоянно контролировать действия объектов обстановки в ходе тренировки. В свою очередь, сложность решения тактических задач требует наличия возможности внесения достаточно частых изменений в алгоритмы управления пассивных объектов, что приводит к необходимости гибкой и расширяемой реализации моделей. Указанные сложности можно преодолеть при использовании структурного подхода к моделированию процессов управления пассивными объектами тактической обстановки.

Модель управления объектом можно представить в виде алгоритма, смысл функционирования которого заключается в выполнении объектом некоторой совокупности действий, направленных на достижение определенной цели. Для достижения цели объекту необходимо решить ряд задач – выполнить операции в определенной последовательности. Модель управления объектом можно рассматривать как сценарий, состоящий из взаимосвязанных операций (рис. 3). Выполнение такой модели заключается в передаче управления между операциями.

Отдельная операция представляет собой протяженный во времени процесс, который начинается в момент, определяемый алгоритмом управления, продолжается некоторое время и заканчивается, извещая об этом модель управления. В частности, отдельная операция может заключаться в выполнении управляющей команды объекта. В данном случае операция начинается с отправки команды имитационной модели объекта и продолжается до тех пор, пока объект не подтвердит завершение выполнения команды. Другой разновидностью операции является процесс, отслеживающий события тактической обстановки. Например,  операция может заключаться в проверке наличия целей в зоне обнаружения. Такая операция постоянно проверяет наличие целей и завершается после обнаружения цели в указанной зоне. Существенным является то, что момент начала выполнения операции определяется моделью управления, а момент завершения – самой операцией.

В сущности, операция – это имитационная модель некого процесса, который характеризуется началом, периодом выполнения и окончанием. Структурная модель управления объектом при решении тактической задачи также удовлетворяет данным условиям и может рассматриваться как операция для моделей управления более высокого уровня. Это позволяет организовать проектирование более сложных моделей управления на основе более простых.

Деление процесса управления объектами на отдельные операции обладает следующими достоинствами:

- высокая степень повторного использования (одни и те же операции могут использоваться в различных моделях управления);

- возможности мониторинга выполнения модели управления (руководитель тренировки может получать информацию о выполняемых в настоящий момент операциях);

- упрощение задачи спецификации моделей управления.

Моделирование структурных процессов управления, представляющих собой совокупность взаимосвязанных операций можно осуществить, используя формальные математические аппараты. Для моделирования процессов управления используется несколько формальных моделей: конечные автоматы, параллельные граф-схемы алгоритмов (ПГСА), сети Петри (СП). Исследование перечисленных формализмов показывает, что для решения поставленной задачи наиболее эффективным следует признать СП по ряду причин:

-  СП предлагают формальную терминологию описания процессов управления и формальную процедуру имитационного моделирования;

-  условно-событийный подход, используемый в  СП, является естественным при разработке моделей управления;

-  разработаны многочисленные расширения СП, ориентированные на иерархическое представление моделей;

-  СП эффективно описывают конфликтные ситуации, параллелизм и логические взаимосвязи процессов модели;

-  наличие графического представления позволяет реализовать наглядные средства контроля структуры и процесса выполнения моделей управления на основе СП;

-  для СП разработаны многочисленные формальные методы анализа модели, которые могут быть использованы для анализа и оценки качества функционирования процессов управления.

Структура СП предполагает использование элементов двух типов: позиций и переходов, которые связаны между собой, образуя ориентированный граф [1].

Выполнением СП управляют количество и распределение маркеров в сети. Маркеры присваиваются позициям. СП выполняется посредством срабатывания переходов. Переход может сработать только в том случае, когда выполняются условия запуска (все входные позиции содержат маркеры). При срабатывании перехода маркеры удаляются из входных позиций и помещаются в выходные позиции.

При использовании СП в качестве аппарата моделирования процессов управления отдельная операция ассоциируется с переходом сети (рис. 4). Выполнение операции связывается с процессом срабатывания перехода СП. Позиции СП моделируют условия, необходимые для выполнения операции. Если для операции созданы условия запуска, то она начинает выполнение, срабатывание соответствующего перехода происходит лишь по окончанию выполнения операции. Необходимо отметить, что СП используется исключительно для определения выполняющихся на данный момент операций. Поэтому целесообразно использовать элементарную СП, которая характеризуется тем, что в позиции может находиться лишь один маркер.

Для модели, представленной на рисунке 4, выполнение начинается с установки начальной маркировки – маркер помещается в позицию p1. После этого проверяются условия запуска переходов. Для перехода t1 условия запуска выполняются, следовательно, начинает выполняться операция op1. По окончанию окончании выполнения операции происходит срабатывание перехода: из p1 удаляется маркер, а в p2 и p3 помещается. При этом создаются условия запуска для переходов t2 и t3, что приводит к началу выполнения соответствующих операций. По окончанию окончании операции op2 происходит срабатывание перехода, и маркер перемещается из p2 в p4, обеспечивая запуск перехода t4 и выполнение операции op4. По завершении операций op3 и op4 маркеров в сети не останется, что свидетельствует о завершении выполнения структурной модели процесса управления.

Использование СП в качестве формального аппарата моделирования процессов управления не накладывает ограничений на реализацию имитационных моделей операций. Как правило, имитационные модели отдельных операций требуют указания различных параметров, некоторые из них указывает руководитель тренировки при создании модели управления. Чтобы не накладывать ограничения  на типы параметров и механизмы их передачи в модели операций, формальная сетевая модель не решает эти задачи. В связи с этим полноценная реализация моделей управления на базе СП возможна в виде программных модулей.   В рамках программной реализации можно учесть все нюансы функционирования отдельных моделей операций.

Использование объектно-ориентированного подхода при разработке программного обеспечения моделей управления позволяет реализовать общую концепцию структурного моделирования на базе СП на уровне базовых классов. Конкретная же реализация модели управления дополняется параметрами отдельных операций, интерфейсом пользователя и т.п.

Таким образом, разработка моделей управления на базе СП представляет собой последовательность этапов.

1.   Анализ моделируемого процесса управления.

2.   Разработка модели алгоритма управления в виде соответствующей СП.

3.   Анализ полученной сетевой модели с помощью формальных методов анализа СП.

4.   Программная реализация сетевой модели процесса управления.

5.   Отладка программной реализации модели в рамках тактического тренажера.

Задача анализа моделируемого Процесса управления заключается в определении основных этапов алгоритма управления. В целом алгоритм управления всегда можно разбить на ряд операций, которые выполняются последовательно, параллельно, в зависимости от выполнения некоторых условий. Детализацию процессов необходимо проводить до уровня элементарных операций или уже реализованных операций.

Множество полученных процессов образует базовое множество переходов сети ПетриСП. На этапе получения сетевой модели эти переходы соединяются согласно логике алгоритма управления путем включения в модель позиций и дополнительных переходов. Построение модели осуществляется с использованием уже имеющихся моделей на основе иерархического принципа.

На этапе анализа полученной сетевой модели осуществляется анализ созданной модели с использованием методов формального анализа сетей ПетриСП.

Полученная сетевая модель реализуется на универсальном языке программирования. Этот этап легко формализуется и заключается в реализации функции построения сетевой модели и функций обработки параметров отдельных операций.

Предлагаемый подход к моделированию задач автоматизированного управления объектами обстановки в тактических тренажерах позволяет организовать разработку программных моделей на формальной основе, с высокой степенью повторного использования. Изложенный подход реализуется в настоящее время при разработке тактического тренажера в ЗАО НИИ “Центрпрограммсистем” (Тверь).

Список литературы

1.   Питерсон Дж.. Теория сетей Петри и моделирование систем. – М.: Мир, 1984 – 263 с.

2.   Котов В.Е. Сети Петри – М.: Наука. Глав. ред. физматлит, 1984 – 160 с.

3.   K. Jensen. Coloured Petri Nets. Basic concepts, analysis methods and practical use. EATCS monographs on Theoretical Computer Science. Springer-Verlag, Berlin, 1996.

4.   Юдицкий С.А. Сценарный подход  к моделированию поведения бизнес-систем. –М.:СИНТГ, 2001 – 105 с.

5.   Мандриков В.И. Синтез математических моделей в тренажерах для подготовки экипажей управления летательными аппаратами. : Дис… канд. техн. наук – Пенза, 1999 - 205 с.

6.   Новиков Я.А. Структурное проектирование алгоритмов логического управления технологическими процессами. Системы автоматных сетей Петри. – Минск.: ИТК, 1990 – 51с.

7.   Юдицкий С.А. Логическое управление дискретными процессами. Модели, анализ, синтез. – М.: Машиностроение, 1987 – 175 с.