Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Системный анализ текущего состояния и перспективных проблем согласования и принятия решений при оперативном управлении полетом объектов ракетной техники с Земли 13
1.1. Анализ объектов космической техники как объектов управления 13
1.2. Анализ процесса оперативного управление полетом с Земли как реализации последовательности операций 23
1.3. Анализ текущего состояния и перспектив развития автоматизированных систем управления полетом объектов космической техники 26
1.4. Анализ процессов принятие решений в условиях оперативного управления полетом ОКТ 32
1.4.1. Процесс выработки и принятия решений как процесс целенаправленной переработки информации 33
1.4.2. Последовательность процесса выработки и принятия решений 36
1.4.3. Организация работы специалистов оперативной смены в процессе выработки и принятия решений 44
1.4.4. Пример ситуации принятия решений при реализации плана полета Российского сегмента (PC) Международной космической станции (МКС) оперативной сменой группы управления 46
Выводы 48
Глава 2. Методологические основы принятия решений в условиях оперативного управления полетом ОКТ с Земли 50
2.1. Классическая и постнеклассическая парадигмы рациональности как методологические основы описания сложных организационно-технических систем 50
2.2. Использование элементов теории интерсубъективного управления для описания процессов принятия решений при оперативном управлении полетом ОКТ 54
2.2.1. Акторы участвующие в ходе регулирования проблемной ситуации в процессе оперативного управления полетом ОКТ 54
2.2.2. Персональные и интерсубъективные знания, использующиеся в ходе регулирования проблемной ситуации в процессе оперативного управления полетом ОКТ 57
2.2.3. Интерсубъективная модель выработки и принятия решений при оперативном управлении полетом ОКТ 63
2.3. Концепция организации подготовки и реализации взаимодействия акторов оперативного управления полетом ОКТ 68
2.4. Методические основания для разработки моделей и технологий повышающих качество принятия решений акторов АСУП ОКТ 70
2.4.1. Организация условий информационного взаимодействия акторов 70
2.4.2. Система организации взаимодействия акторов при оперативном управлении ОКТ 75
Выводы 77
Глава 3. Онтологический синтез знаний о процессах оперативного управления полетом ОКТ 78
3.1. Онтологическое моделирование процессов оперативного управления полетом ОКТ 78
3.2. Система теоретико-информационных моделей оперативного управления полетом ОКТ как основа онтологической метамодели 90
3.2.1. Теоретико-информационная модель ОКТ как объекта оперативного управления 91
3.2.2. Теоретико-информационная модель оперативного контура управления полетом ОКТ 100
3.2.3 Теоретико-информационная модель распределённого оперативного управления полётом ОКТ 108
3.2.4. Теоретико-информационная модель технологии управления полетом ОКТ 115
3.3. Использование мультиагентных систем для задач обработки информации, структурированной в онтологиях 121
3.4. Технологические средства для синтеза и управления онтологиями, описывающими процесс оперативного управления полета ОКТ 133
Выводы 139
Глава 4. Методы и технологические средства обработки информации, использующиеся для структурной организации процесса взаимодействия в ходе оперативного управления полетом ОКТ 141
4.1. Модели и методы сценарного моделирования оперативного управления полетом ОКТ 142
4.1.1. Модели формализации сценария 144
4.1.2. Формирование пространства сценариев 152
4.2. Методика оценки специалистов оперативного управления полетом ОКТ, как потенциальных акторов разрешения проблемной ситуации 158
4.3. Модель анализа формальной структуры оперативного контроля полета ОКТ 164
4.4. Технологические средства обработки информации при организации работы специалистов в ходе оперативного управления полетом ОКТ 189
Выводы 196
Глава 5. Методы и технологические средства обработки информации, использующиеся при взаимодействии акторов в ходе оперативного управления полетом ОКТ 198
5.1. Модели и методы для достижения взаимопонимания акторов при описании ситуации управления полетом 201
5.1.1. Модели для формирования системы показателей эффективности процесса оперативного управления полетом ОКТ 202
5.1.2. Модели для подготовки и разового выбора варианта решения в ходе процесса оперативного управления полетом ОКТ 213
5.1.3. Процедура выбора вариантов сценария процесса оперативного управления полетом ОКТ 215
5.2. Модели и методы для достижения взаимопонимания акторов в описании объекта управления полетом 226
5.2.1. Оценка единичного параметра, характеризующего один из аспектов функционирования объекта управления 227
5.2.2. Методы оценки комплекса параметров, характеризующих функционирование объекта управления 237
5.3. Модели оценки оперативности ситуации оперативного управления полетом ОКТ 247
5.4. Автоматизированная система поддержки принятия решений в аварийной ситуации как пример технологического средства обработки информации в ходе оперативного управления полетом ОКТ 251
Выводы 264
Глава 6. Методы и технологические средства обработки информации, использующиеся для анализа процесса взаимодействия и подготовки акторов при оперативном управлении полетом ОКТ 265
6.1. Методика анализа отклонений в работе специалистов при разрешении проблемных ситуаций в ходе оперативного управления ОКТ 266
6.2. Технология прогнозирования «узких» мест в организации процесса оперативного управления с Земли полета ОКТ 276
6.3 Модели и методы построения сценариев тренировок специалистов оперативного управления полета ОКТ 294
6.4. Функционально - моделирующие стенды как технологические средства для подготовки специалистов оперативного управления полета ОКТ 307
Выводы 317
Основные результаты 318
Литература 323
Приложение А 339
Приложение Б 356
Приложение В 361
- Анализ текущего состояния и перспектив развития автоматизированных систем управления полетом объектов космической техники
- Теоретико-информационная модель оперативного контура управления полетом ОКТ
- Оценка единичного параметра, характеризующего один из аспектов функционирования объекта управления
- Автоматизированная система поддержки принятия решений в аварийной ситуации как пример технологического средства обработки информации в ходе оперативного управления полетом ОКТ
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время на развитие процессов управления космическими полетами оказывают значительное влияние две взаимосвязанные тенденции. С одной стороны наблюдается устойчивое возрастание объемов информации, необходимой для управления полетом объектами космической техники (ОКТ) со стороны центров управления полетом (ЦУП). С другой стороны имеется тенденция объединения различных ОКТ и их ЦУПов в рамках единой наземно-космической системы направленной на достижение некоторого комплексного вектора целей. Обе эти тенденции обусловлены объективными требованиями повышения эффективности, надежности, гибкости управления космическими полетами.
В трудах В.А. Соловьева, А.С. Елисеева, В.Е. Любинского, рассматривая современные и перспективные методы теории управления космическими полетами, в качестве одним из основных факторов, обеспечивающих безопасное, надежное, эффективное управление полетом объекта космической техники (ОКТ), выделяется оптимальное решение, принимаемое ответственными специалистами группы управления полетом ОКТ. Решение выражается в планах, методиках, указаниях экипажу, управляющих воздействиях на бортовые системы и т.д. Оно направляет все действия автоматизированной системы управления полетом ОКТ для достижения целей полета.
Указанные тенденции достаточно сильно оказывают влияние на решения, принимаемые в ходе управления космическими полетами. Так в первом случае для принятия решения требуется обработка и анализ возрастающего объема информации, поступающего с борта ОКТ. Так, например, при управлении космическим кораблем «Восток», необходимо было анализировать около 400 телеметрических параметров, а при управлении полетом Российского сегмента Международной космической станции - более 80 000 телеметрических параметров. В свою очередь это служит предпосылкой для более глубокой дифференциации предметных областей управления космическими полетами, т.е. для принятия решений каждый из специалистов управления полетом должен «погружаться» все более глубоко в «свою» предметную область.
С другой стороны, надежность и эффективность функционирования наземно-космической системы, объединяющей несколько ОКТ и ЦУПов (групп управления ОКТ) и обладающей в полной мере свойствами распределенной системы управления, требуют, чтобы решения, принимаемые в рамках такой системы, были согласованы множеством различных специалистов. В свою очередь это служит предпосылкой для расширения охвата предметных областей специалистов, т.е. для принятия решения все специалисты должны быть способны образовать некое единое информационное поле.
Таким образом, возникает противоречие между требованием углубления предметных областей специалистов, участвующих в управлении космическими полетами и требованием расширения охвата предметных областей. Проблема, порождаемая данным противоречием, в общем случае решается разне-
сением во времени и последовательным решением задач управления космическими полетами. Т.е. специалисты различных ЦУПов сначала работают каждый в своей предметной области, затем с помощью ряда заранее выработанных алгоритмов действия согласовывают результаты и принимают совместное решение.
Ситуация коренным образом меняется в случае оперативного управления полетом ОКТ. Так принятие решений при оперативном управлении полетом ОКТ характеризуется высоким динамизмом процессов управления полетом, повышенным уровнем неопределенности ситуации управления, большим объемом данных, которые необходимо переработать. Особенно это характерно для парирования различных нештатных ситуаций на борту ОКТ.
Обе рассматриваемые тенденции начинают в этом случае оказывать значительное влияние. Разрешение проблемы, порождаемой столкновением этих тенденций, путем разнесения процесса принятия решения по временной оси невозможно, поскольку для оперативного управления полетом характерен жесткий лимит времени. В тоже время последствия отсутствия решения этой проблемы, проявляющиеся в виде срыва ответственных заданий, выполняющихся в ходе оперативного управления полетом ОКТ, повреждения или потери ОКТ, гибели экипажа ОКТ, безусловно, способно оказать влияние на престиж и общий уровень технического развития и обороноспособности страны.
С учетом изложенного выше, решение проблемы принятия решений в условиях увеличения сложности оперативного управления полета по причине увеличения объемов информационного обмена ЦУП и ОКТ и проявления свойств распределенного управления следует признать актуальным. Решение данной проблемы может быть осуществлено на базе разработки, совершенствования и развития методических основ, автоматизированных методов и технологических средств обработки информации, используемой специалистами в ходе принятия решений при оперативном управлении полетом ОКТ.
Для решения проблемы были проведены комплексные исследования. Исследования выполнялись в процессе решения научных и практических задач в ходе управления полетом Российским сегментом Международной космической станции.
Объектом диссертационного исследования является процесс оперативного управления полетом ОКТ.
Предмет исследований - модели, методы и технологические средства обработки информации при поддержке принятия решений в ходе оперативного управления полетом.
Целью исследования является повышение безошибочности оперативного управления космическим полетом путем разработки теоретических основ и практических средств обработки информации при поддержке принятия решений в процессе организации, реализации и анализа оперативного управления объектами космической техники.
Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие основные задачи:
-
Разработать методологическую базу в виде концепции организации подготовки и функционирования активных элементов (акторов) оперативного управления полетом ОКТ.
-
Разработать принципы построения системы организации функционирования активных элементов (акторов) оперативного управления полетом ОКТ. Эта система включает в себя: структурную организацию процессов функционирования активных элементов, поддержку решений в ходе функционирования активных элементов, анализ процесса функционирования активных элементов, в основе системы лежат онтологические модели.
-
Разработать основы онтологического моделирования процессов управления полетом ОКТ. Разработана система теоретико-информационных моделей оперативного управления полетом ОКТ. Разработано технологическое средство формализованного представления знаний.
-
Разработать модели, методы и технологические средства, обеспечивающие обработку информации при поддержке решений в ходе организации работ активных элементов (акторов).
-
Разработать модели, методы и технологические средства, обеспечивающие обработку информации при поддержке решений в ходе функционирования активных элементов (акторов).
-
Разработать модели, методы и технологические средства, обеспечивающие обработку информации при поддержке решений в ходе анализа процесса функционирования активных элементов (акторов).
Методы исследования базировались на использовании системного анализа, теории управления космических полетов, теории интерсубъективного управления, методов теории принятия решений, методов онтологического моделирования, методов исследования операций, методов теории надежности, методов теории вероятности, методов теории нечетких множеств, логико-вероятностные методов, методов сценарного моделирования, мультиагентных методов.
Научная новизна
-
Предложена концепция организации подготовки и функционирования активных элементов (акторов) оперативного управления полетом ОКТ, основанная на оригинальном подходе, использующем постнеклассическую парадигму рациональности как методологическую основу описания сложных организационно-технических систем.
-
Введено понятие системы организации функционирования активных элементов (акторов) оперативного управления полетом ОКТ. Определены положения, описывающие компоненты этой системы и их взаимосвязь. Определение данной системы вносит вклад в расширение представлений об организации и функционировании сложной организационно-технической системы оперативного управления полетом ОКТ.
-
Разработана система теоретико-информационных моделей оперативного управления полетом ОКТ, включающая в себя: теоретико-информационную модель ОКТ как объекта оперативного управления, теоретико-информационную модель оперативного контура управления полетом ОКТ, теоретико-информационную модель распределённого оперативного управления полётом ОКТ, теоретико-информационную модель технологии управления полетом ОКТ.
-
Предложена методология сценарного моделирования оперативного управления полетом ОКТ. Разработан комплекс моделей анализа информационной нагрузки на систему контроля ОКТ. Проведена модернизация методики оценки специалистов оперативного управления полетом ОКТ.
-
Разработаны: методология и модели формирования оценки эффективности процесса оперативного управления, модели оценки статической ситуации выбора решения, процедуры выбора вариантов сценария, модели и методы оценки единичного и комплекса параметров, модели оценки временного резервирования оперативного управления полетом ОКТ, методика анализа отклонений в работе специалистов, технология прогнозирования «узких» мест в организации процесса оперативного управления, модели и методы построения сценариев тренировок специалистов. Рассмотрены научные принципы создания и использования специализированных мультиагентных систем в области оперативного управления ОКТ.
-
Исследованы характеристики разработанных моделей и методов, отражающие возможности и открывающиеся перспективы обработки информации при принятии решений в процессе оперативного управления полетом ОКТ.
Практическая значимость работы определяется прикладной направленностью исследований, включающих подготовку методических и практических рекомендаций по увеличению безошибочности процесса оперативного управления полетом путем оптимизации процесса обработки информации в ходе принятия решений при подготовке и реализации оперативного управления полетом ОКТ - пилотируемых космических аппаратов российского производства.
-
Разработан комплекс технологических средств, обеспечивающих формализованное представление знаний об оперативном управлении полетом ОКТ в форме онтологии. Созданный программный комплекс позволяет формализовать область знаний о процессах оперативного управления полетом Российского сегмента (PC) Международной космической станции (МКС). Собранные в данном комплексе формализованные знания являются основой для создания и функционирования систем поддержки принятия решений при оперативном управлении полетом PC МКС.
-
Разработан комплекс технологических средств для планирования работы специалистов Главной оперативной группы управления (ГОГУ) полетом PC МКС на базе онтологии и использовании мультиагентного подхода. Созданный программный комплекс позволяет планировать и оперативно перепла-
нировать режимы работы специалистов ГОГУ с учетом изменения полетных операций в программе полета МКС.
3. Разработан комплекс технологических средств, обеспечивающих поддержку принятия решений в аварийной ситуации. Созданная автоматизированная система поддержки принятия решений в аварийной ситуации решает задачи повышения оперативности и обоснованности решений, принимаемых специалистами ГОГУ на основе автоматизации обработки, анализа и оптимального представления информации, требуемой для парирования аварийной ситуации.
4. Разработан комплекс технологических средств, обеспечивающих решение задач подготовки специалистов оперативного управления полетом PC МКС. Созданный программно-технический комплекс объединяет специализированные и функционально - моделирующие стенды.
Результаты работы используются при подготовке и реализации оперативного управления полетом всех пилотируемых космических аппаратов российского производства: Российского сегмента Международной космической станции, транспортных пилотируемых кораблей типа «Союз», транспортных грузовых кораблей типа «Прогресс».
Результаты работы были использованы в ходе эскизного и технического проектирования Перспективного транспортного корабля нового поколения, а также при разработке требований к системам управления полетом перспективными пилотируемыми ОКТ для исследования планет Солнечной системы (Луна, Марс).
На защиту выносятся:
-
Концепция организации подготовки и функционирования активных элементов (акторов) оперативного управления полетом ОКТ. Система организации функционирования активных элементов (акторов) оперативного управления полетом ОКТ, реализующая на практике концепцию организации подготовки и функционирования активных элементов (акторов) оперативного управления полетом ОКТ.
-
Онтологический подход в процессах обработки информации при оперативном управлении полетом ОКТ. Система теоретико-информационных моделей оперативного управления полетом ОКТ, являющаяся в качестве системы метамоделеи основой онтологического моделирования процессов управления полетом ОКТ. Принципы построения технологического средства формализованного представления знаний.
-
Модели и методы, обеспечивающие обработку информации при поддержке решений в ходе организации работ активных элементов (акторов): метод сценарного моделирования процесса оперативного управления полетом, методика оценки специалистов, модели определения информационной нагрузки, мультиагентное моделирование определения на заданные полетные операции наиболее подходящих специалистов. Принципы построения муль-
тиагентной системы организации оперативных работ специалистов управления полетом ОКТ.
-
Модели и методы, обеспечивающие обработку информации при поддержке решений в ходе оперативного управления полетом ОКТ: модели формирования оценки эффективности процесса оперативного управления, модели оценки ситуации выбора решения, процедуру выбора вариантов сценария, модели и методы оценки единичного и комплекса параметров, модели оценки временного резервирования, мультиагентное моделирование плана использования бортовых ресурсов. Принципы построения автоматизированной системы поддержки принятия решений в аварийной ситуации.
-
Модели и методы, обеспечивающие обработку информации при поддержке решений в ходе анализа процесса функционирования активных элементов (акторов): модели анализа отклонений в работе специалистов, технологии прогнозирования «узких» мест в организации процесса оперативного управления, модели построения сценариев тренировок специалистов. Структура и функциональные задачи программно-технического комплекса специализированных и функционально - моделирующих стендов.
6. Результаты практического применения предлагаемых методов и
средств в процессе оперативного управления полетом ОКТ.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях, в том числе: на XXXVII чтениях, посвященных разработке научного наследия К.Э.Циолковского; на XXIX академических чтениях по космонавтике памяти С.П.Королева; на пятых научных чтениях по военной космонавтике памяти Н.К.Тихонравова; на XXX академических чтениях по космонавтике памяти С.П.Королева; на XLIV научных чтениях К.Э.Циолковского; на XXXIII академических чтениях по космонавтике памяти С.П.Королева; на XLV научных чтениях К.Э.Циолковского; на научных чтениях, посвященных 90-летию со дня рождения Ю.А. Мозжорина; на XXXIV академических чтениях по космонавтике памяти С.П.Королева; XXXV академических чтениях по космонавтике памяти С.П.Королева; на XXXVI академических чтениях по космонавтике памяти С.П.Королева; на LXXII научных чтениях К.Э.Циолковского; на XIV международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах» (ПУМС-12); на XXXVI академических чтениях по космонавтике памяти С.П.Королева; на XV международной конференции «Проблемы управления и моделирования в сложных системах» (ПУМС-13); на XVIII международной конференции «Системный анализ, управление и навигация».
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 32 опубликованных работах, в том числе 12 в изданиях, рекомендуемых ВАК.
Без соавторства написаны 20 работ, в том числе 5 в изданиях, рекомендуемых ВАК. Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, состоит в следующем: [3, 8, 10] - постановка задачи, обоснование подходов к решению, разработка математических моделей для оперативного управления
полетом; [6, 28, 29] -постановка задачи, разработка метода формализация знаний о процессах оперативного управления полетом; [9] -постановка задачи, разработка теоретико-информационной модели распределенного управления полетом; [11,12,13] - разработка методических основ анализа автоматизированной системы управления полетами, формулирование направлений эволюции систем управления полетом в будущем; [27] - разработка научных принципов создания и использования специализированных мультиагентных систем в области оперативного управления ОКТ; [32] - разработка научных принципов использования тренировок экипажей МКС для подготовки групп управления полетом ЦУПов международных партнеров.
Личный вклад. Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. Практическая реализация предложенных методов и подходов обеспечивалась как лично автором, так и совместно со специалистами, обеспечивающими оперативное управление полетом PC МКС (они являются соавторами соответствующих публикаций).
Анализ текущего состояния и перспектив развития автоматизированных систем управления полетом объектов космической техники
Целью АСУП является управление полетом ОКТ, которое в свою очередь было уже определено как процесс управления параметрами состояния ОКТ, т.е. последовательное изменение части из них и поддержание в определённых пределах другой части, направленный на достижение целей и задач полёта.
К особенностям функционирования АСУП в полной мере относятся черты, свойственные сложным системам [165]:
- отсутствие (и принципиальная невозможность) единого математического описания и/или алгоритма функционирования;
- «зашумлённость», выражающаяся в затруднении наблюдения и управления, которая обуславливается большим числом второстепенных (для основных целей управления) процессов,
- нестационарность, выражающаяся в дрейфе характеристик, изменении параметров, эволюции во времени,
- невоспроизводимость экспериментов с ней.
На практике АСУП ОКТ представляет собой, как правило, сложную организационно-техническую систему, которая состоит из множества взаимодействующих друг с другом разнородных элементов [125]. И если для первых космических полетов это множество включало в себя десятки элементов, то в настоящее время общее количество структурных элементов в АСУП, в зависимости от задач и сложности самого объекта управления - ОКТ, может достигать сотен и даже тысяч.
Усложнение АСУП ОКТ отнюдь не является положительным процессом, а представляет собой вынужденную меру как ответную реакцию на расширения спектра задач полетов ОКТ, и как следствие усложнения устройства ОКТ, повышения «интеллектуального» уровня бортовых контуров управления ОКТ. Вынужденное усложнение АСУП ОКТ, в свою очередь, вьщвигает требования поиска оптимальной организации процесса управления полетами ОКТ и эффективных методов управления полетом, а также эффективной координации работ и взаимодействия значительного количества структурных элементов АСУП ОКТ.
Хотя АСУП ОКТ включает в себя три компоненты (бортовой контур управления, экипажа и наземную компоненту) [163], в данной работе основное внимание будем уделять именно наземной компоненте, поскольку именно на нее возлагаются основные функции принятия решений. Поэтому в дальнейшем под АСУП ОКТ будем понимать именно наземную компоненту АСПУ ОКТ, если иное не оговаривается дополнительно.
Итак, оперативное управления полетом ОКТ предполагает выполнение своих функций как одновременно, так и последовательно множеством структурных элементов АСУП. Это приводит к необходимости взаимной координации действий; составления интегрированных планов полета; автоматизированного обмена телеметрией, командами и другой значимой с точки зрения управления полетом информацией.
Для взаимодействия элементов АСУП, как правило, создается специальная наземная информационная сеть, которая включает в себя линии связи (внешние интерфейсы) между элементами, а также ряд внутренних интерфейсных средств, работающих в рамках каждого элемента и служащих для передачи и приема различных данных. Внутренние интерфейсы позволяют каждому из элементов АСУП обрабатывать и контролировать содержание и формат данных, а также последовательность обмена данными. По внешним интерфейсам элементов АСУП могут обмениваться различными типами информации: командно-программной; телеметрической; телевизионной; голосовой, баллистической; информацией планирования; пользовательской информацией в виде файлов общего назначения. Обмен по каждому интерфейсу реализуется с помощью специальньгх организационных, технических и программных средств.
Имея достаточно мощные средства передачи данных, операторы элементов АСУП при выполнении операций управления ОКТ достаточно активно ведут информационный обмен. Однако не все аспекты взаимодействия групп управления полетом можно свести только к обмену информацией.
Хотя управление полетом ОКТ разделено зоны ответственности, хотя при выполнении тех или иных полетных операций приоритет управления имеет тот или иной элементов АСУП, но АСУП всегда остается единым сложным техническим объектом. Различные системы и функции этого объекта связаны сложным образом, поэтому управление ОКТ возможно только согласованными управляющими воздействиями, что подразумевает под собой последовательность принятия согласованных всеми участвующими сторонами решений.
Ситуация увеличения сложности системы управления полетом ОКТ еще более усугубляется, если ведется согласованное управление полетом нескольких ОКТ или согласованное управление полетом различными сегментами крупного пилотируемого космического комплекса из разных Центров управления полетом. Это видно на примере управления полетом Международной космической станции.
В соответствии с принципами управления полетом МКС, каждый партнер, участвующий в программе МКС, управляет полетом «своего» сегмента станции и «своих» кораблей. Так, до 2008 года управление полетом МКС осуществлялось двумя Центрами управления: ЦУП-М, расположенным в городе Королев, Россия (управление российским сегментом МКС и кораблями «Союз» и Прогресс»), и ЦУП-Х, расположенным в Хьюстоне, штат Техас, США (управление американским сегментом МКС и кораблём «Спейс Шаттл»). С появлением в составе станции модуля «Колумбус» и началом полетов грузового корабля ATV, к управлению подключились два европейских Центра управления полетом - ЦУП-Col (Оберпфаффенхофен, Германия) и ЦУП-ATV (Тулуза, Франция). После стыковки к МКС модуля «Кибо» к процессу управления подключился также и японский Центр управления полетом - ЦУП-JAXA (Цукуба, Япония) (рис. 1.7). Каждый партнер для управления своим сегментом станции и своими кораблями использует собственные наземные и бортовые средства. Так, например, бортовой контур управления состоит из двух взаимосвязанных частей: американской системы системой управления и передачи данных (C&DH) и российской бортовой вычислительной системой (БВС), объединенных с помощью согласованных интерфейсов. Российская и американская стороны используют каждая «свои» наземные и спутниковые контура управления.
Кроме того, каждая сторона самостоятельно выполняет все компоненты управления полетом, такие, как планирование и подготовка выполнения операций, их реализация, анализ состояния бортовых систем и хода выполнения операций, принятие решений.
В случае необходимости для каждой из сторон предусмотрена возможность управления полетом «своим» сегментов используя наземные и бортовые средства партнера. Подобная возможность используется и как средство резервирования в случае какой-либо нештатной ситуации, и как средство, расширяющее возможности управления полетом.
Необходимо отметить, что при разделении управления по сегментам, экипаж МКС является единым целым. Он состоит из граждан стран-участниц МКС и работает под руководством командира МКС, назначаемого заранее из российских или американских членов экипажа. Связь с экипажем может вестись из любого ЦУПа, но, в основном, с экипажем контактируют ЦУП-Х и ЦУП-М, используя при этом либо собственные средства связи, либо, по договоренности, средства связи партнера.
Для координации работ на МКС и экипаж и все центры управления полетом работают по единому, заранее разработанному и согласованному всеми плану полета. Этот план интегрирует предложения, требования и ограничения от каждого участвующего в управлении ЦУПа.
Группы управления ЦУПов международных партнеров оказываются достаточно сильно взаимосвязаны при подготовке и выполнении ответственных полетных операций, однако они ни в коем случае не превращаются от этого в единое целое. Каждый из ЦУПов имеет свою собственную позицию, определяемую для каждого своими особенностями процесса оперативного управления полетом; у каждого ЦУПа есть собственные оценки полетной ситуации, собственные задачи и собственные ресурсы для решения этих задач. Кроме того, средства, которыми пользуются группы управления полетом в различных ЦУПах - различны.
Теоретико-информационная модель оперативного контура управления полетом ОКТ
Любой космический аппарат и система управления его полетом представляют собой единый комплекс, предназначенный для достижения целей полета, и их характеристики должны быть тщательно согласованы, одновременно с проектированием, созданием и эксплуатацией космического аппарата постоянно ведется и проектирование, изменение, доработка системы управления полетом. Таким образом, характеристики существующей системы управления полетом во многом определяются с одной стороны задачами, которые решает космический аппарат, с другой стороны, его эксплуатационными качествами. Кроме того, для космических аппаратов с продолжительным сроком эксплуатации, например для орбитальных пилотируемых космических станций, круг задач и цели полета могут уточняться в процессе эксплуатации. С другой стороны одна и та же АСУП может использоваться для управления полетом одновременно и последовательно несколькими космическими аппаратами. Все это накладывает определенные требование на архитектуру АСУП.
В качестве специфических особенностей характерных для АСУП можно выделить:
1) АСУП предназначена для работы в реальном или достаточно близким к реальному масштаби времени, что предполагает использование высокопроизводительных средств получения, обработки и выдачи данных. Корме того данный факт предъявляет значительные требования к эффективности организации процессов управления.
2) АСУП, как правило, функционирует круглосуточно, без выделения отдельно времени на отдых и плановый регламент подсистем, поэтому плановый регламент и вынужденный ремонт вышедших из строя подсистем АСУП необходимо планировать и реализовывать в ходе выполнения оперативных задач управления полетом.
3) Для АСУП, как правило, характерна значительная территориальная разобщенность элементов системы, что предполагает создание распределенной автоматизированной системы обмена и обработки информации с высокими показателями оперативности и надежности.
4) АСУП может комплектоваться различными техническими средствами и системами, поэтому для эффективного взаимодействия подсистем АСУП необходимо наличие унифицированных программных и технических средств обмена, а также согласованных процедур взаимодействия.
5) Для управления работой АСУП крайне желательно наличие централизованной системы управления и контроля.
Данные свои многие другие свойства характерны для сложных технических систем, имеющих многоэлементную и многоуровневую структуру с множеством взаимосвязей (как статических, так и динамических) между элементами системы и окружающей средой.
Обобщенную теоретико-информационную модель, включающую в себя ОКТ и АСУП, назовем оперативный контур управления полетом. Оперативный контур будет включать в себя бортовую и наземную компоненты структуры управления полетом, бортовые системы ОКТ, средства управления полетом (рис.3.10).
В модели оперативного контура управления используется описание модели ОКТ как объекта управления со стороны АСУП, которое было дано выше. Далее рассмотрим элементы, дополняющие эту модель.
Рассмотрим множество состояний элементов оперативного контура. Рассмотрение начнем с АСУП. Для оперативного контура управления в целом текущее состояние АСУП может характеризоваться управлением Uoy предназначенным для ОКТ, а также управлением средствами получения информации Uc„u и управлением средствами выдачи информации Uceu
В общем случае управление космическим аппаратом со стороны АСУП Uoy -представляет собой информацию о том, в какое состояние должен перейти ОКТ. Для целенаправленного функционирования в системе управления полетом должны присутствовать текущие цели управления G , которые, как правило, выражаются в планах, программах и графиках выполнения работ по управления полетом ОКТ различного уровня.
То есть задачей ОКУ является достижения текущих целей управления полетом ОКТ G . При этом в оперативном контуре решатся задача минимизации отклонений в достижении целей: \S}—»min, с учетом 3: JG K7J—»{}, где G - результаты управления полетом ОКТ, описанные языком целей, г - бинарные отношения соответствия на множества G" xG, устанавливаемые в ходе оценки результатов управления, д - оператор, реализуемый через технологии контроля и управления полетом.
Естественно, что для оценки результатов управления полетом G в АСУП должна имеется информация о сложившейся информационной ситуации на борту ОКТ 16орт. Поскольку управление полетом оказывает влияние информация о состоянии бортовых систем ОКТ, состоянии экипажа, состоянии внешних условий космического полета, информация о состоянии средств получения и выдачи информации описание множества возможных ситуация /будет в идеале доступная в АСУП включать в себя
Реально необходимо учитывать возмущающие факторы, влияющие на управление Uoy со стороны СУП и средств управления полетом, к которым относятся наземный, спутниковый или смешанный контур управления полетом ОКТ.
Необходимо отметить следующее. Для космического аппарата возмущающие факторы можно разделить на внешние и внутренние, поскольку аппарат имеет четкие формы и представляет собой закрытую по отношению к космическому пространству систему. АСУП и средств управления полетом естественно также ограничены в пространстве, однако, в зависимости от текущей ситуации и задач управления в их состав может и, чаще всего, должен динамически изменяться, т.е. АСУП и средства управления полетом представляют собой открытую систему. Это связано с территориальной распределенностью и задачами резервирования функций управления полетом.
Так, например, даже в условиях резкого изменения природных условий, таких как ураган, над местом расположения основного центра управления полетом (ПУП) ОКТ, группа управления полетом имеет возможность и должна переехать в резервный ЦУП и продолжит управление полетом ОКТ, т.е. в идеале данный факт не должен оказать влияние на управление Uoy. Тем не менее, в процессе работы АСУП и средства управления полетом возможны отклонения в процессе их штанного функционирования вызванные сбоем технических средств и наземных операторов, которые способны оказать значительное влияние на управление Uoy и которые необходимо учитывать.
Поскольку АСУП и средства управления полетом относятся к разным системам, границы которых возможно обозначить, и которые действую в значительной мере самостоятельно, естественно для достижения общих целей и подчиняясь общим планам, предлагается учитывать отдельно возмущающие факторы действующие на управление со стороны АСУП и со стороны средств получения информации, а также со стороны выдачи информации. Образуем множества: D - возмущающие воздействия в АСУП, Dcnu возмущающие воздействия средств получения информации, Dceu - возмущающие воздействия средств выдачи информации.
Оценка единичного параметра, характеризующего один из аспектов функционирования объекта управления
Основным источником информации о состоянии ОКТ были и остаются данные, получаемые в составе телеметрической информации. Объем телеметрической информации, поступающей с борта ОКТ, для современных пилотируемых кораблей составляет десятки тысяч телеметрических параметров. Каждый такой параметр характеризует состояние узла, блока, агрегата, подсистемы какой-либо бортовой системы, или какой-либо аспект функционирования этого узла, блока, агрегата.
Как правило, группа управления организуется таким образом, чтобы контроль и анализ состояния каждой отдельной системы выполнялся отдельной подгруппой группы управления, например, работу системы управления движением и навигации (СУДН) анализируют специалисты группы СУДН. Однако, количество телеметрических параметров, которые должны анализировать специалисты подгрупп, даже с учетом анализа только «своей» системы остается достаточно велико.
Для решения этой проблемы используются несколько взаимосвязанных направлений. Во-первых, порядок работы специалистов по оценки тех или иных параметров организуется определенным образом.
Все множество получаемых с борта параметров разбивается на несколько подмножеств в зависимости от значимости изменения этих параметров с точки зрения выявления важных изменений в работе бортовой системы. В зависимости от режима работы, анализируемой подсистемы, рассматриваются те или иные подмножества из имеющихся множеств параметров.
Например, для оценки функционирования определенной системы в дежурном состоянии работу может быть достаточно контролировать подмножество параметров рдеж, характеризующее работу системы в дежурном состоянии. При этом подмножество контролируемых специалистами в момент времени tt подмножество параметров Р можно характеризовать как:
Если по какой-либо подсистеме значения контролируемых параметров приближаются или даже выходят за допустимые пределы, для контроля берется дополнительное подмножество параметров, характеризующее работу этой подсистемы РіиЬ_л:
Примерно по тому же пути идут, когда ожидаются активные операции с контролируемой системой. Только в этом случае множество дополнительных, по сравнению с дежурными, параметров определяется заранее.
Таким образом, специалист группы управления при оценке определенной бортовой системы действует в соответствие со следующим обобщенным порядком.
При подготовке к сеансу связи с ОКТ или при подготовке к проведению активных работ со «своей» бортовой системой, специалист должен проанализировать предстающую программу управления полетом ОКТ и выделить наиболее важные операции со «своей» системой с привязкой ко времени. Для полученных моментов времени специалист должен оценить наличие телеметрической информации и вариантов ее сбора и обработки (программ опроса). Для каждого момента времени специалист должен выделить подмножество параметров, которые он будет контролировать, из общего множества параметров, описывающих данную систему. Для выбранных множеств параметров специалист должен спрогнозировать их состояние на выбранные моменты времени.
Во время сеанса связи или проведения активных работ с системой специалист проводит сравнительную оценку заранее спрогнозированных значений контролируемых параметров для текущего момента времени и параметров, полученных с борта в потоке телеметрической информации. Так же проводится контроль соответствия значений параметров плановому состоянию системы. В случае выявления отклонений в показаниях параметров, относительно прогнозируемых, специалист должен проанализировать качество получаемой телеметрической информации. При условии получения достоверной телеметрической информации специалист анализирует дополнительный массив данных и, если, факт отклонения подтвердился, специалист вырабатывает рекомендации по работе с системой: прекратить работу, перейти на резервный комплект, реконфигурировать систему и т.д.
Для принятия окончательного решения специалисту может потребоваться более тщательный анализ, который проводится вне сеанса связи, то есть вне темпа реального времени. Такой анализ позволяет использовать значительно больший объем информации и рассматривать бортовые процессы, отраженные в телеметрической информации, с привязкой к временной оси. В подобном анализе могут принимать участие также разработки системы, различные группы инженерной поддержки и т.д.
При завершении процесса анализа специалист должен сформулировать существо изменения в состоянии бортовой системы; признаки изменения, т.е. параметры, отклонившиеся от нормы; предполагаемые причины; ожидаемые последствия; варианты возможных действий по управлению системой; необходимый для этого перечень работ.
Одним из важнейших этапов работы специалиста является задача соотнесения оцениваемого в данный момент времени параметра и состояние контролируемого аспекта функционирования ОКТ, который этот параметр и характеризует.
На первый взгляд задача представляется достаточно тривиальной, поэтому она часто выносится за рамки исследований. Однако, если учесть возможную неоднозначность интерпретации разными специалистами одного и того же значения параметра в зависимости от тенденции развития ситуации на боту ОКТ, поскольку специалисты опираются только на свои опыт, знания и интуицию, то встает задача предоставления этим специалистам некоторого формального инструмента для облегчения оценки параметра.
Существуют различные подходы к классификации параметров, поступающих с борта ОКТ, [28,76,163]. В данном случае отметим, что все множество параметров возможно разбить на два больших класса - дискретные и непрерывные. К дискретным относятся параметры, характеризующиеся скачкообразным изменением значения дискретных уровней: «включено -выключено», «положение 1 - положение 2», «красный коридор - желтый коридор - зеленый коридор» и т.д. Непрерывные параметры могут принимать значения из некоторого множества. Далее остановимся подробнее на оценке информации при контроле единичного непрерывного параметра.
Рассмотрим непрерывный параметр р , полученный с борта ОКТ. Целью получения данного параметра является оценка с его помощью состояния объекта контроля. Состояние объекта контроля - узла, блока, подсистемы или какого-то аспекта их функционирования может быть классифицировано в зависимости от области значений, принимаемых этим параметром. Это и будет решением, которое принимает специалист, оценивающий на Земле объект контроля.
В простейшем случае на основе решения специалиста состояние может быть отнесено к одному из двух классов - «норма» или «не норма». На практике могут быть выделены промежуточные состояния, которые соотносятся с переходом параметра от одного состояния к другому в направлении от «нормы» к «не норме». Т.е. формально множество возможных состояний контролируемого объекта - узла, блока, подсистемы или какого-то аспекта их функционирования S разбивается на некое и-е количество подмножеств, в простейшем случае два: Бшт и SIIC = S , где Sum - штатное состояние контролируемого объекта, SHC - нештатное состояние контролируемого объекта.
Пусть Р - есть полное множество значений, принимаемых параметром р. Рдт -допустимое подмножество значений параметра р, естественно, Рдт с: Р. Тогда принятие решения по оценке текущего состояние объекта контроля St после получения значения параметра р, момент времени /( происходит на основе правила:
Или если данные выражения сформулировать словами то для принятия решения по оценке объекта контроля в определенный момент времени необходимо следовать правилу: «если параметр принимает значения из области допустимых значений, то состояние объекта контроля можно определить как штатное состояние и, наоборот, если параметр принимает значения вне области допустимых значений, то состояние объекта контроля можно определить как нештатное состояние».
Автоматизированная система поддержки принятия решений в аварийной ситуации как пример технологического средства обработки информации в ходе оперативного управления полетом ОКТ
Применение представленных выше моделей и методов акторами в процессе подготовки и принятии согласованных решений происходит в условиях жестких требований оперативности развития ситуации управления полетом. Поэтому представляется весьма целесообразной разработка специализированных технологических средств обработки информации и поддержки принятия решений. Такие средства должны быть предназначены для оперативного сопровождения формирования и функционирования интерсубъективной системы и играть роль некоего «co-pilota» для акторов.
В качестве примера подобных средств можно представить автоматизированную систему поддержки принятия решений в аварийной ситуации (АСППР АС) разработанную в рамках решения задач оперативного управления полетом PC МКС для повышения эффективности процесса принятия решений в аварийной ситуации.
Аварийные ситуации являются наиболее серьезными нештатными ситуациями, которые могут возникнуть в процессе оперативного управления полетом PC МКС. Они объединяют в себе нештатные ситуации потенциально несущие возможность появления катастрофических и критических последствий. При этом катастрофическими называют ситуации, сложившиеся в результате неустранимых отказов и приводящие к гибели экипажа или к его травмированию с утратой работоспособности, или к потере одного из жизненно-важных элементов ОКТ и к неспособности ОКТ выполнять дальнейшие операции полёта. К катастрофическим ситуациям относится и утрата возможности управления полётом ОКТ. Критические ситуации — это ситуации, которые могут привести к длительной потере функций или элементов ОКТ, либо к травмированию экипажа без потери его работоспособности, либо влияют на физическую целостность и безопасность ОКТ, и последствия которых могут быть устранены посредством вмешательства экипажа или Центра управления полётом [64].
К одному из основных и наиболее опасных видов аварийной ситуации для пилотируемого ОКТ относится аварийная разгерметизация. Именно для поддержки принятия решений в ходе парирования аварийной разгерметизации создана АСППР АС (рис.5.11).
Процесс выработки и принятия решений при возникновении аварийной ситуации представляет собой последовательность выполняемых специалистами ГОГУ действий, связанных с получением и анализом информации о состоянии объекта управления (PC МКС), прогнозом развития ситуации, разработкой и анализом различных вариантов парирования аварийной ситуации, выбором и реализацией оптимального варианта ликвидации аварийной ситуации.
АСППР АС обеспечивает проведение оценки, оперативного представления и отображения специалистам систематизированной информации о текущих и прогнозируемых параметрах, характеризующих развитие аварийной ситуации, а также формирование рекомендуемых вариантов действий по использованию бортовых ресурсов в процессе парирования аварийной разгерметизации. Это осуществляется путем рационального использования имеющихся информационных ресурсов, применения методов и средств, обеспечивающих оперативное представление необходимой в данный момент информации, которая в полной, компактной и доступной для понимания специалистов оперативного управления полетом форме отображает текущую ситуацию, а также являться основой для принятия решений.
В АСППР АС обрабатывается и отображается соотвевующим образом информация о текущей полетной ситуации в условиях аварийной разгерметизации, а также предлагаются варианты действий в этой ситуации. Поэтому АСППР АС служит технологическим средство, помогающим акторам осознать происходящие на борту МКС процессы, согласовать свое понимание этих процессов и выработать решения по парированию аварийной ситуации. Для этого АСППР АС информация представляется таким образом, чтобы акторы достигали взаимопонимание по всем вида интерсубъективности.
а) в качестве показателя целевого эффекта принято общее давление в герметичном объеме станции, оно уменьшается в результате разгерметизации и повышается при использовании средств парирования разгерметизации, выбор этого показателя обоснован тем, что цель процесса парирования аварийной разгерметизации - сохранение общего давления в допустимых пределах;
б) в качестве показателя операционного времени принято резервное время, т.е. время, имеющееся в распоряжении группы управления МКС и экипажа МКС до момента наступления необратимых последствий, приводящих к срочному покиданию станции;
в) в качестве показателя операционных ресурсов приняты показатели запасов воздуха и кислорода на борту МКС, поскольку именно эти запасы используются в процессе парирования аварийной разгерметизации (см. рис.5.12).
Для согласования решения акторов по направлениям логичекой и операционной интерсубъективности в процессе парирования аварийной разгерметизации дополнительно к формату, отображающему МКС, разработан формат, отображающий пространство сценариев парирования аварийной разгерметизации (см. рис. 5.13). С помощью этого формата акторы могут согласовать порядок принятия решений и возможные сценарии действий в процессе развития аварийной ситуации.
Для упрощения процесса согласования акторами оценки состояния объекта управления, в данном случае герметичного объема МКС, используются технологии визуализации и цветового кодирования. Так, например, уровни общего давления в герметичном объеме МКС кодируется различной цветовой гаммой, при этом цвет герметичного объема на формате зависит развития ситуации аварийной разгерметизации, т.е. от падения давления. При этом цветовая кодировка отражает значимость текущего значения давления для общего течения процесса парирования аварийной разгерметизации (см. рис.5.14).
Оценка резерва времни в процессе парирования аварийной ситуации является одним из ключевых показателей, на котором основываются все действия и решения. Без мероприятий, направленных на повышение живучести - поиск и изоляция разгерметизированного отсека, а также использование средств поддержания общего давления, этот резерв представляет собой не пополняемый резерв времени (см.рис.5.15 а) Однако использование воздуха или кислорода, хранящегося на борту МКС в различных баках, в процессе парирования разгерметизации позволяет увеличивать общий резерв времени, а нахождение и изоляция разгерметизированного отсека может вообще положительно разрешить эту ситуацию (см.рис.5.15 б).
Задача увеличения резерва времени, т.е. повышения шансов на благополучный исход процесса борьбы за живучесть станции, является достаточно сложной. Это обусловлено несколькими факторами:
1) На борту МКС есть в наличии различные классы средств хранения воздуха (кислорода), которые можно использовать в процессе парирования аварийной разгерметизации. Разные средства, относящиеся к одному и тому же классу, могут иметь разные характеристики, например, текущее давление внутри баллонов. Величина этого давления может быть переменной в зависимости от программы полета МКС.
2) В процессе парирования аварийной разгерметизации для поиска негерметичного отсека происходит последовательная изоляция различных отсеков станции, т.е. герметичный объем МКС в ходе парирования этой ситуации является величиной переменной, что в свою очередь может приводить к увеличению или, наоборот, снижению темпа уменьшения резервного времени.
3) Для использования средств поддержания общего давления необходимо привлечение экипажа МКС. Экипаж в процессе парирования разгерметизации перемещается в герметичном объеме станции и, соответственно, удобство доступа к тем или иным средствам поддержания общего давления динамическим образом меняется.
Данные факторы приводят к тому, что согласованный акторами выбор средства поддержания общего давления в конкретный момент развития аварийной разгерметизации становится проблемой решения многофакторной задачи, оперативное решение которой достаточно затруднено. Для разрешения этой проблемы была разработана интеллектуальная часть АСППР АС, использующая мультиагентную технологию. В ней процесс достижения взаимопонимания акторов относительно использования оптимального, в данный момент средства поддержания общего давления вирутализирован и основан на использовании соответствующей формальной онтологии и результатов работы агентов внутри ПВ-сети.
