Статьи

Версия для печати

Все статьи | Статьи за 2012 год | Статьи из номера N1 / 2012

Интеллектуальные системы как инструмент ценностно ориентированного метода управления воздушным судном

Кирилкин В.С.,
к. т. н., доцент, профессор кафедры
лётной эксплуатации
ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский
Государственный университет гражданской авиации»

Цыбова Е.А.,
начальник отдела Центра информационных
технологий ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский
государственный университет гражданской авиации»

Анализ содержания известных методов управления показывает, что все они находятся в пространстве кибернетических представлений, причём «управление представляет собой некоторое принуждение, насилие над системой как частью среды, призванное скорректировать естественное движение, определяемое начальными условиями, исходным энергетическим состоянием и обменными процессами в системе и со средой. Наградой за это насилие является достижение цели» [1].

Динамика полёта воздушного судна (ВС) в общем случае представляет собой совокупность трёх взаимодействующих подпроцессов: хаос – процесс поиска выбора и построения траектории перехода к новой устойчивой структуре, новому состоянию; упорядочивание – изменение, появление новых функций и деятельностей, обогащение новыми связями, образовавшейся новой структуры отношений; стабилизация – устойчивый рост в рамках данной структуры со стремлением сохранения её. Все эти подпроцессы происходят одновременно, но в каждую секунду доминирует один из трёх, что позволяет характеризовать стадию развития системы. Управление при этом сводится к определению возможных состояний, выбора из них желаемого и выбора средств для подталкивания развивающейся системы к этому состоянию [2]. Новое состояние системы – цель управления.

Опыт авиационных катастроф показывает, что большое количество ошибок пилотирования связано прежде всего с ситуационной неопределённостью, когда пилот не понимает, какие действия выполняют бортовые системы автоматики. Согласно [3] в помощь пилоту «на борт рвутся» интеллектуальные системы. Среди специалистов всё чаще употребляется понятие «бортовой интеллект», которое включает совокупность знаний, используемых в полёте для выполнения полётного задания; математическое, информационное и программное обеспечение бортовой ЭВМ; модель деятельности экипажа в различных (штатных и нештатных) ситуациях. Таким образом, уменьшение ситуационной неопределённости в условиях динамически изменяющейся полётной обстановки требует активного внедрения бортовых интеллектуальных систем.

По определению [4] интеллектуальной системой управления (ИСУ) считается такая, в которой знания о неизвестных характеристиках объекта управления и окружающей среды формируются в процессе обучения и адаптации, а полученная при этом информация используется в процессе автоматического принятия решений так, что качество управления улучшается. Известно также другое определение: ИСУ – системы, в которых логическая (смысловая) обработка информации превалирует над вычислительной, что целесообразно, например, при анализе ситуаций и принятии решений [5].

В зависимости от уровня интеллектуальности различают системы: интеллектуальные «в малом», «в большом» и «в целом».

Интеллектуальные «в малом» – это такие системы, которые используют в процессе своего функционирования знания (например, в виде правил) как средство преодоления неопределённости входной информации, описания управляемого объекта или его поведения.

Интеллектуальные «в большом» – это системы, организованные и функционирующие согласно следующим принципам:
_ взаимодействие с внешним миром с использованием информационных каналов связи;
_ принципиальная открытость системы с целью повышения интеллектуальности и совершенствования собственного поведения;
_ наличие прогноза изменений внешнего мира и поведения системы;
_ наличие многоуровневой иерархической структуры, построенной в соответствии с правилом: повышение интеллектуальности и снижение требований к точности моделей по мере повышения уровня иерархии в системе, и наоборот (этот принцип получил название принципа Саридиса, или принципа IPDI:
Increasing Precision – Decreasing Intelligence, согласно которому чем ниже уровень управления, чем проще решаемая задача, тем меньше требуется знаний для её решения);
_ сохраняемость функционирования (возможно, с некоторой потерей качества) при разрыве связей или потере управляющих воздействий от внешних уровней иерархии управляющей структуры.

Интеллектуальные «в целом» – это такие системы, которые при использовании знаний на базе качественных понятий и структурных отношений между ними обеспечивают процесс регулирования объекта и в необходимых случаях проводят реконфигурацию способа регулирования и программы действий исходя из заданной глобальной цели функционирования системы.

Как показано в работе [3], общая структура алгоритмов многоуровневой иерархической системы управления ВС должна иметь три глобальных уровня управления (табл. 1), что соответствует ценностно-ориентированному методу управления [1, 6].

Согласно трём уровням управления механизм обратной связи содержит три петли, обеспечивающие корректировку поведения системы управления в соответствии с разработанной программой, корректировку программы (плана) на основе поставленной цели и изменение самой цели.

Нижний (1-й) уровень управления представляет собой уровень реализации выбранного способа достижения поставленной цели, причём для простых систем (F-системы) при любой ситуации заранее определено, как будут формироваться управляющие воздействия. В системах с адаптацией (FA-системы) предусмотрен механизм подстройки алгоритмов формирования управляющих воздействий, в структуре алгоритма кроме априорных используются апостериорные знания об объекте и его среде. Алгоритмы данного уровня наиболее разработаны.

9 декабря 2008 г. Восточно-Сибирское следственное управление на транспорте Следственного комитета при прокуратуре РФ приняло решение о прекращении уголовного дела по факту катастрофы пассажирского самолета А310 в аэропорту Иркутска на основании п. 2 ст. 24 УПК РФ в связи с отсутствием в деянии состава преступления.

Согласно заключению комплексной лётно-технической судебной экспертизы непосредственной причиной авиационной катастрофы явились нештатная работа систем управления самолета, их конструктивные недостатки, ошибки в разработке логики бортового компьютера, снижение эффективности торможения самолёта на пробеге.

Катастрофа вызвана не действиями экипажа или наземных служб – она обусловлена непредвиденной реакцией программного обеспечения самолёта на возникшую при посадке ситуацию.

Средний (2-й) уровень – это уровень, когда цель остаётся без изменений, но меняется программа, способ достижения этой цели. Алгоритм управления основан на активном использовании методов имитационного моделирования в процессе принятия решений. Авиакатастрофа с самолётом Ан-148, выполнявшим учебно-тренировочный полёт вблизи села Гарбузово Белгородской области, произошла 5 марта 2011 г. В результате катастрофы погибли все 6 человек, находившихся на борту. По предварительной информации, появившейся 9 марта 2011 г., катастрофа произошла из-за поломки указателя скорости самолёта. Ориентируясь на заниженные показания скорости, пилот увеличивал скорость до тех пор, пока у самолёта не загорелись двигатели. После этого самолёт стал разваливаться в воздухе.

Верхний (3-й) уровень – это уровень целеполагания, на котором осуществляется формирование (выбор) текущей цели функционирования ИСУ в процессе полёта ВС. Данные алгоритмы позволяют на основе наблюдения за внешней и внутренней обстановкой с использованием бортовых источников информации принимать решение о стратегии управления в интересах безопасности полёта.

Рассмотрим аварийную посадку Ту-154 в Ижме 7 сентября 2010 г. Самолёт следовал по воздушной трассе через Усинск на эшелоне 10 600 м (FL 348), когда произошёл отказ трёх бортовых генераторов из четырёх. Вследствие этого пропало электрическое питание (напряжение в бортовой сети самолёта), перестали работать навигационное и радиосвязное оборудование, а также электрические топливные насосы, оставив самолёт с оперативным запасом топлива 3300 кг, достаточным для 30 минут полёта.

Отказ электрооборудования привёл также к невозможности управления закрылками и предкрылками, в связи с этим посадочная скорость (350–380 км/ч) была значительно выше нормы (270 км/ч). С третьего захода была совершена успешная аварийная посадка. Cамолёт выкатился на 160 м за торец взлётно-посадочной полосы в кустарник и мелкий лес, в результате чего он был существенно повреждён, но обошлось без жертв.

Пилот был свободен в выборе действий ради достижения минимально возможного ущерба и, главное, спасения авиапассажиров.

Практическая реализация среднего и в особенности верхнего уровней управления является вызовом для специалистов в области интеллектуального управления [4].

Рассмотрим структуру и функции отдельных модулей системы (рис. 1), обладающей свойством интеллектуальности «в большом» и обеспечивающей выбор и реализацию наилучшей стратегии управления полётом в условиях неопределённости.

Модуль анализа обстановки на основе сенсорной информации, получаемой с датчиков ВС и отображаемой системой контроля, выделяет ситуации, существенные с точки зрения принятия решений, и на основании результатов прогноза оценивает силу опасности.

Модуль контроля безопасности прогнозирует развитие ситуаций, способствуя упреждению принятия правильных решений до момента появления реальных угроз.

Модуль принятия решений формирует рекомендации пилоту, которые он получает через командный интерфейс и систему отображения пилотажной информации (СОИ) или же управляющие воздействия, подаваемые через автопилот непосредственно на исполнительные механизмы ВС с учётом характера развития ситуации.

Рабочая база знаний (БЗ) содержит формируемые варианты управлений, которые могут изменяться и уточняться по мере обновления текущей информации. Модуль принятия решений и рабочая БЗ образуют совместно динамическую экспертную систему (ДЭС), обеспечивающую согласованную работу всех модулей бортовой ИСУ и формирование решений в реальном времени.

Модуль обучения обеспечивает формирование или коррекцию баз знаний, используемых в модулях анализа обстановки и прогноза ситуаций, коррекцию начального заполнения БЗ.

Командный интерфейс выполняет взаимодействие пилота с ВС, с одной стороны, сообщая пилоту о состоянии объекта управления и окружающей обстановке посредством бортовых информационных систем, а с другой стороны, воздействуя на ВС и его системы при помощи различных средств и органов управления.

Особенность современных датчиков состоит в широком применении в составе средств измерений вычислительных устройств, построенных на базе микропроцессоров.

Подобные устройства принято называть интеллектуальными приборами. Использование микропроцессорных систем в средствах измерений позволяет по-новому подойти к их компоновке и алгоритмам функционирования, увеличить информационные возможности, повысить точность, надёжность и быстродействие.

Полученная информация о динамике ВС и техническом состоянии бортовых систем поступает в распоряжение пилота и автопилота. Одним из главных преимуществ человека является возможность совместить в своих действиях запрограммированность операций в реальном времени с выработкой решений при возникновении нестандартных ситуаций. С ростом автоматизации человек переходит на более высокий уровень управления. В современных автоматизированных системах управления ЭВМ рассматривается как тактический инструмент, человек же является стратегом. По своим возможностям человек и машина дополняют друг друга. Человек имеет преимущества перед машиной по способам переработки информации, способности объединять разнородные элементы в единую структуру, в решении нечётко сформулированных задач, в умении оценить состояние управляемого объекта не только по прямым, но и косвенным сигналам, не предусмотренной системой управления. Чувства человека являются устройствами ввода, и они обладают большей пластичностью и гибкостью, чем устройства ввода ЭВМ. Человеку свойственно представление о цели своей деятельности, в процессе обучения и работы он способен к построению модели динамического образа управляемого объекта, являющейся психическим новообразованием, синтезированным на основе информации, полученной из информационной модели, накопленного опыта [7].

Для обеспечения работы системы как целого она должна иметь в своём составе звено, осуществляющее интеграцию остальных звеньев. Характеристики человека позволяют ему являться таким звеном, потому что человек может адаптироваться к различным условиям, полагаясь на интуицию, он способен быстро принимать решения, не имея выбора вариантов. Но человек очень быстро утомляется при выполнении однообразных действий. Многие из недостатков человека могут быть скомпенсированы автоматическими устройствами при рациональном распределении функций между пилотом и автопилотом.

Таким образом, декомпозиция процесса управления на три уровня согласно критерию достижения цели управления, рассмотренная, в частности, на примере технической системы, позволяет достигнуть того синергетического эффекта, который обеспечивается разрешением противоречий между принципами и методами методологии управления.

Литература
1. Иванова Т.Ю., Приходько В.И. Кибернетико-синергетический подход в теории управления // Менеджмент в России и за рубежом. – 2004. – № 5. – С. 132–137.
2. Бык Ф.Л., Китушин В.Г. Понятийные аспекты новой парадигмы управления // Менеджмент в России и за рубежом. – 2007. – № 5. – С. 3–8.
3. Нейрокомпьютеры в авиации (самолёты) / Под ред. В.И. Васильева, Б.Г. Ильясова, С.Т. Кусимова. Кн. 14 : учеб. пособие для вузов. – М.: Радиотехника, 2003. – 496 с.
4. Лохин В.М., Захаров В.Н. Интеллектуальные системы управления: понятия, определения, принципы построения. – В кн.: Интеллектуальные системы автоматического управления. – М.: Физматиздат, 2001.
5. Рыбина Г.В. Основы построения интеллектуальных систем: учеб. пособие. – М.: Финансы и статистика, ИНФРА, 2010.
6. Кирилкин В.С., Удачина Ю.В. Оператор – автомат в системе «человек – машина» // Проблемы лётной эксплуатации и безопасности полётов: межвузовский тематический сборник научных трудов. Вып. IV / Под ред. М.Ю. Смурова. – СПб.: СПб ГУ ГА, 2010. – С. 6–11.
7. Материалы сайта rusrep.ru/2008/36/interview_konkov/

Отдельные номера журналов Вы можете купить на сайте www.5B.ru
Оформление подписки на журнал: http://dis.ru/e-store/subscription/



Все права принадлежат Издательству «Финпресс» Полное или частичное воспроизведение или размножение каким-либо способом материалов допускается только с письменного разрешения Издательства «Финпресс».