Содержание к диссертации
Введение
1. КОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ ОБУЧЕНИЯ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В АВИАЦИИ 10
1.1. Общая характеристика проблемы создания автоматизированных обучающих систем 10
1.2. Авиационное тренажеростроение - цели, задачи, современное состояние, тенденции развития 15'
1.3. Общая структурная схема процесса обучения в компьютерной обучающей системе 29
1.4. Экспертная система как составная часть системы обучения 33
1.5. Выводы по первой главе 37
2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДИНАМИКИ ПОЛЕТА ДЛЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ ОБУЧЕНИЯ 38
2.1. Общая характеристика проблемы построения математических моделей объекта для компьютерных систем обучения 38
2.2. Общие динамические уравнения пространственного движения самолета 44
2.2.1. Динамические уравнения пространственного движения самолета с
постоянной скоростью центра масс 50
2.3. Динамические уравнения продольного движения самолета 52
2.3.1. Продольное движение самолета при постоянной скорости движения центра масс 53
2.3.2. Продольное движение самолета - разделение движений по быстроте протекания процессов 53
2.4. Динамические уравнения бокового движения самолета 55
2.4.1. Уравнения бокового движения самолета при углах атаки а и скольжения /?, не превосходящих допустимых эксплуатационных значений 57
2.4.2. Уравнения бокового двігжения самолета при ограниченных значениях углов атаки и скольжения и при постоянной скорости полета 58
2.4.3. Разделение уравнений плоского бокового движения самолета на изолированные движения -только по рысканию и только по крену 58
2.5. Линейная динамическая модель продольного движения самолета 60
2.6. Выводы по второй главе і 64
3. ЗАДАЧИ ВЕРИФИКАЦИИ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ОБЪЕКТА ДЛЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ ОБУЧЕНИЯ 65
3.1. Особенности процесса верификации компьютерных динамических моделей самолета 65
3.2. Линейные представления моделей динамики полета (задачи аппроксимации)...68
3.3. Сингулярные разложения матриц - математическая основа для исследования структурных свойств динамических систем 73
3.4. Количественные оценки управляемости, наблюдаемости, идентифицируемости систем и информативности процессов в задачах идентификации и верификации динамических моделей 77
3.5. Модальное управление и модальная управляемость в задачах коррекции динамических моделей 87
3.6. Методика коррекции и верификации математических моделей динамики полета для компьютерных систем обучения 93
3.7. Выводы потретьей главе 102
4. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ, СВЯЗАННЫЕ С СОЗДАНИЕМ КОМПЬЮТЕРНЫХ СИСТЕМ ОБУЧЕНИЯ ДЛЯ ПИЛОТОВ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ 103
4.1. Структура экспертной системы для обучения пилотов 103
4.2. Реализация учебных процедур в компьютерной системе обучения
для пилотов 110
4.3. Визуализация в задачах верификации динамических моделей самолета 124
4.4. Пример решения задачи анализа и коррекции характеристик компьютерной модели самолета 129
4.5. Выводы по четвертой главе 145
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО РАБОТЕ 146
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 149
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Список публикаций Л.В.Третьякова по теме работы 156
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Основные технические характеристики
самолета SOCATA ТВ20 158
- Общая характеристика проблемы создания автоматизированных обучающих систем
- Общая характеристика проблемы построения математических моделей объекта для компьютерных систем обучения
- Особенности процесса верификации компьютерных динамических моделей самолета
Введение к работе
Проблема создания и применения тренажерных систем давно привлекает внимание специалистов в самых разнообразных предметных областях. Тренажерные системы широко применяются для обучения операторов технологических процессов, для обучения водителей автотранспорта, для подготовки механиков и пилотов гражданской авиации, для обучения и переподготовки рулевых морских транспортных средств и т.д.
Существуют различные направления и, соответственно, подходы к созданию обучающих систем: . натурные и полунатурные системы с широким использованием реального оборудования; тренажерные системы, имеющие в своем составе как реальное оборудование, так и компьютерные средства и соответствующее программное обеспечение для организации и управления процессом обучения; чисто компьютерные системы обучения, основным элементом которых являются системы моделирования (имитации функционирования реального объекта) и поддержки принятия решений с использованием соответствующих средств управления и необходимых интерфейсов.
Независимо от конкретной предметной области компьютерные системы обучения (КСО) должны обеспечивать моделирование стандартных и нестандартных ситуаций, которые могут возникать при работе в реальной обстановке. Их интерфейс должен соответствоваті» психофизиологическим возможностям человека воспринимать и обрабатывать необходимую информацию. КСО дол-лсна обеспечивать функции контроля и управления процессами обучения. Вместе с тем различия в характере деятельности обучаемого определяют специфику структур КСО и методику их применения в различных предметных областях.
Проблема создания обучающих (тренажерных) систем с применением современных информационных технологий является сложной многоплановой проблемой. Эта проблема включает в себя; s задачи высокоточного моделирования поведения объекта обучения в реальном времени; s задачи визуализации, то есть отображения на экране монитора с высокой степенью реализма всего оборудования и приборов, с которыми должен работать обучаемый, а также окружающей среды; s задачи интеллектуальной поддержки процесса обучения (формирование и коррективы заданий, библиотеки помощи и подсказок, экспертиза и оценка действий обучаемого).
Недостаточная точность моделирования поведения объекта обучения, а также неудовлетворительные решения задач компьютерной визуализации могут приводить к формированию неправильных профессиональных навыков у обучаемого.
Вместе с тем в настоящее время не существует сколь либо универсальных методов отладки и верификации моделей процессов, реализуемых в компьютерных системах обучения. Не существует также универсальных подходов к выбору структуры интеллектуальной компьютерной системы обучения, состава ее элементов и их реализации. Формированию подходов к решению названных задач посвящена настоящая работа. Этим определяется актуальность тематики диссертационной работы и ее связь с планами научно-исследовательских работ в России.
Авиационное тренажеростроение возникло и стало развиваться фактически с момента возникновения авиации. В настоящее время авиационное тренажеростроение является одним из важнейших и активно развиваемых направлений в кругу проблем, связанных с авиацией. Современные информационные технологии открыли новые широкие возможности для развития этой области науки и практики.
Предметом диссертационной работы являются задачи создания интеллектуальных компьютерных систем обучения и их применения для подготовки пилотов гражданской авиации.
Целью исследования были: S обоснование общей структуры и разработка элементов обучающей компьютерной системы для подготовки пилотов гражданской авиации; S разработка методики верификации математических моделей динамики полета для применения в компьютерных системах обучения.
В соответствии с поставленными целями решены следующие задачи: сделан обзор современных методов и средств компьютерного обучения применительно к проблеме подготовки пилотов гражданской авиации и представлена номенклатура основных задач в рамках данной проблемы; разработана и обоснована обобщенная структурная схема интеллектуальной компьютерной обучающей системы; проанализирована общая структура математических моделей динамики полета и рассмотрены их некоторые преобразования (с целью реализации в компьютерной системе обучения); определены способы коррекции и верификации математических моделей динамики полета и разработана общая методика решения таких задач; введены новые понятия количественных оценок (мер) структурных свойств динамических систем (управляемость, наблюдаемость, идентифицируемость, а также информативность процессов в задачах идентификации) и определен способ их применения в задачах коррекции математических моделей динамических процессов; разработаны алгоритмические процедуры коррекции математических моделей, опирающиеся на метод модального управления; предложена концепция представления нелинейных моделей динамики полета множеством перестраиваемых (реконфигурируемых) линейных динамических моделей; определена структура и основные элементы экспертной системы для реализации в компьютерной системе обучения пилотов; определен подход к оценке действий обучаемого в экспертной системе, являющейся составной частью компьютерной системы обучения; детально разработан комплекс учебных процедур для обучения пилотов (на примере легкого самолета ТВ-20 французской фирмы EADS SOCATA); решены практические задачи анализа, коррекции и верификации математических моделей динамики полета (на примере самолета ТВ-20).
Методы исследования. Теоретико-методологической основой исследования являлись методы теории систем, системного анализа, теории управления, классической механики, методов компьютерного моделирования. Научной базой послужили работы Андреева Ю.Н., Беклемишева Д.В., Бюшгенса Г.С., Воеводина В.В., Гантмахера Ф.Р., Дозорцева В.М., Кожинской Л.И. и Ворновицкого А.Э., Красовского А.А., Остославского И.В. и Стражевой И.В., Пашковского И.М., Попова О.С., Попова Э.В., Портера Б. и Кросли Т., и других.
Источником данных для анализа и обобщения практического материала послужили монографин и периодические публикации по соответствующей тематике, материалы российских и международных научных конференций, результаты совместной работы автора с представителями смежных специальностей в рамках международного проекта AS1MIL. (ASIMIL - Лего user-friendly SIMulation-based distance Learning. Целью проекта, как следует из названия, являлось создание интеллектуальной компьютерной системы обучения для механиков и пилотов гражданской авиации). Автор участвовал в этом проекте в рамках договора о международном сотрудничестве между Санкт-Петербургским Государственным Университетом Аэрокосмического приборостроения и Институтом Авиационного Оборудования (1МА) Университета Бордо.
Научная новизна. В диссертационной работе предлагается подход к построению интеллектуальных обучающих компьютерных систем. Этот подход может применяться в разных предметных областях. Содержательным ядром системы обучения является блок моделирования объекта обучения, включающий в себя множество динамических моделей самолета, работающих в режиме реального времени. Важнейшим условием функционирования блока моделирования должна быть высокая точность соответствия поведения модели поведению реального объекта. Для создания таких систем моделирования было необходимо решить ряд новых научных задач. /Г числу новых научных результатов автор, в частности, относит: У количественные оценки структурных свойств динамических систем в различных задачах управления и идентификации; У применение метода модального управления в задачах коррекции и верификации динамических моделей объектов для компьютерных систем обучения; Я - общую методику коррекции и верификации динамических моделей самолета в компьютерных системах обучения; У подход к оценке действий обучаемого в компьютерной системе обучения. Практическая ценность выполненной работы определяется: Ф- разработкой общей концепции построения интеллектуальной компьютерной системы обучения и возможностью ее применения в разных предметных областях; Ф разработкой методики коррекции и верификации математических моделей динамических объектов для применения в компьютерных системах обучения; Ф- практическими примерами применения этой методики для решения задач верификации и валндацни математических моделей объектов (на примере самолета ТВ-20 французской самолетостроительной фирмы EADS SOCATA); Ф- детальной разработкой комплекса учебных процедур для обучения пилотов в полном соответствии с международными требованиями JAR (Joint Aviation Requirements). Внедрение результатов работы. Результаты работы использованы в научных исследованиях Санкт-Петербургского Государственного Университета
Аэрокосмнческого Приборостроения (ГУАП) и, в частности, в международном проекте ASIMIL. Также планируется использование части результатов в учебном процессе ГУАП.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены и обсуждались на российских и международных научных конференциях: „Региональная информатика- РИ 2002" (Санкт Петербург, 2002 г.); „Интеграция науки и образования в XXI веке" (Санкт Петербург, 2003 г.); „Advanced Computer Systems" (Щецин, Польша , 1997, 1998, 2001г.г.); "System, Modeling, Control" ((Закопане, Польша, 1998, 2001 г.г.); "Workshop on European Scientific and Industrial Collaboration - WESIC 99" (Ныопорт, Великобритания, 1999г.); „Intelligent Tutoring Systems - ITS 2002" (Биаритц, Франция, 2002 г.); на научном семинаре кафедры Моделирования вычислительных и электронных систем ГУАП (Санкт-Петербург, ГУАП, 2004г.), а также на научных собраниях консорциума проекта ASIMIL с участием научных экспертов Европейской Комиссии в 2001-2003 г.г.
Публикации. По материалам и результатам диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ (одна работа принята к печати), в том числе 4 - в российских и 10 - в зарубежных научных изданиях.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и двух приложений. Общий объем работы - 159 стр., в том числе 3 таблицы и 52 рисунка. Библиография включает 102 наименования.
Положения, выносимые на защиту: ф- структура интеллектуальной компьютерной системы обучения и методика ее построения; ф- методика коррекции и верификации математических моделей динамики полета для компьютерных систем обучения; Ф- количественные оценки структурных свойств динамических систем: управляемости, наблюдаемости, идентифицируемости, а также информативности идентифицируемых процессов и способы их практического применения; алгоритмические процедуры коррекции математических моделей динамических процессов.
Общая характеристика проблемы создания автоматизированных обучающих систем
Проблема создания автоматизированных обучающих систем для обучения персонала в самых разнообразных областях техники, технологии, экономики и т.д. привлекает широкое и устойчивое внимание специалистов [21, 31]. С одной стороны, обнаруживается острая потребность в совершенствовании профессиональных навыков персонала, работающего с тем или иным оборудованием. Это обусловлено постоянным усложнением как процессов, для управления которыми подготовлен персонал, так и появлением новых средств управления этими процессами. С другой стороны, современный уровень информационных технологий обеспечивает возможность высококачественной реализации всех компонентов системы и процессов обучения (модели процессов и устройств, пользовательские интерфейсы, средства автоматизированного контроля действий обучаемого и т.п.) И в тоже время многие работы по созданию столь сложных систем часто тормозятся из-за отсутствия общей методологии их построения и использования [21, 86].
Основная трудность в создании систем автоматизированного обучения обусловлена широким многообразием целей, методов и средств, используемых в процессе обучения. На рис. 1.1 [87] показана общая структура проблемы создания системы автоматизированного обучения, инвариантная относительно конкретных предметных областей. Показана номенклатура основных задач, составляющих содержание проблемы, определены функциональные связи между задачами и последовательность их решения. В англоязычной научной литературе системы такого характера и назначения принято обозначать CBTS - Computer Based Training Systems.
Из рис. 1.1 видно, что основная сложность в создании компьютерных систем обучения, независимо от конкретной предметной области, состоит в крайней разнохарактерности и синтетичности технологий компьютерного обучения и используемых при этом средств. Для успеха такого обучения каждый компонент системы должен быть реализован на одинаково высоком уровне. обучающих систем. Компьютерный тренинг операторов различных процессов предполагает [20]:
наличие высокоточных математических моделей процессов; реализацию этих процессов в реальном масштабе времени в интерактивном имитационном режиме; воссоздание рабочего места обучаемого оператора, подобного его рабочему месту в реальном процессе, включая организацию операторского интерфейса и органы управления; создание специального рабочего места инструктора обучения, осуществляющего контроль и управление тренингом; наличие методической базы компьютерного обучения, учитывающей специфику процесса принятия решений операторами; разработку методов анализа и оценки результатов тренинга и сертификации операторов по результатам обучения на тренажерах. Сказанное в полной мере относится и к проблеме обучения пилотов, и к задачам обучения операторов технологических процессов, и к другим предметным областям.
Независимо от конкретной предметной области, компьютерные системы обучения (КСО) должны обеспечивать моделирование стандартных и нестандартных ситуаций в режиме реального времени. Их интерфейс должен соответствовать психофизиологическим возможностям человека воспринимать и обрабатывать необходимую информацию. И наконец, КСО должна обеспечивать функции контроля и управления процессами обучения. И в тоже время различия в характере деятельности обучаемого определяют специфику структур КСО и методику их применения в различных предметных областях.
Итак, основными подсистемами компьютерной системы обучения являются: - собственно тренажер (модель или множество моделей процессов и соответствующие интерфейсы и средства управления); интеллектуальная система обучения (ИСО), которая помогает обучаемому в процессе выполнения учебных заданий.
Общая характеристика проблемы построения математических моделей объекта для компьютерных систем обучения
Основная сложность в создании компьютерных систем обучения, независимо от конкретной предметной области, состоит в крайней разнохарактерности и синтетичности технологий компьютерного обучения. Для успеха такого обучения каждый компонент системы должен быть реализован на одинаково высоком уровне [21]. Очевидно, что задача создания высокоточных математических моделей, описывающих различные предполетные, полетные и послеполетные стадии движения самолета является центральной в общей проблеме построения соответствующих компьютерных систем обучения для пилотов.
С задачей построения высокоточных математических моделей непосредственно связана и задача компьютерной реализации этих моделей. Одним из основных требований, предъявляемых к этим компьютерным реализациям, является требование представления всех режимов движения самолета в реальном масштабе времени.
Эти две названные выше задачи в научном, инженерном и методическом смысле составляют единое целое и при создании компьютерных систем обучения должны рассматриваться совместно.
Полные математические модели самолетов, как известно, имеют сложную многомерную структуру, содержащую как детерминированную, так и стохастическую части [10, 12, 35, 36, 38, 39, 41, 42]. Усложнение модели, попытки учесть большое число влияющих факторов приводит к значительному увеличению затрат на разработку моделей и компьютерных ресурсов для реализации этих моделей.
Согласно [12], целесообразно создавать иерархию моделей, обеспечивающих описание различных форм движения самолета при разных уровнях точности и сложности. Выбор и разработку математических моделей для конкретного самолета следует производить на основе известной априорной информации, к которой, в первую очередь, относятся: V сведения о конструктивных особенностях самолета данного типа, сведения об аэродинамических силах и моментах, полученные на основании испытаний в аэродинамических трубах, данные летных испытаний, если таковые присутствуют.
Конкретная математическая модель всегда разрабатывается и уточняется с учетом наблюдений и оценок, выполняемых для различных режимов движения на конечном интервале времени. При переходе от одного режима движения к другому, от одного интервала наблюдения к другому принятая модель может видоизмениться (усложняется или упрощается) в зависимости от изменения условий движения и внешних влияющих факторов. Широко распространена точка зрения [12], согласно которой „естественный путь создания полной математической модели - это путь от простого к сложному, путь формирования полной математической модели на основании частных математических моделей, соответствующих различным формам движения самолета". Вместе с тем представляется ясным, что простое объединение частных математических моделей может не позволить полностью выявить все функциональные связи, характерные для такого сложного объекта, как самолет.
В упоминавшейся книге [12] приведена интересная иерархическая структура проблемы формирования математических моделей самолета. Согласно этой схеме процесс построения математических моделей самолета является процессом итерационным, причем характерной особенностью этого процесса является совместное решение задачи как агрегирования моделей, так и их декомпозиции.
Итак, задачей построения математических моделей самолета является создание его математического „портрета", в высокой степени сходного с оригиналом. Такое определение предусматривает необходимость строгих количественных оценок степени соответствия модели и самолета. Такие оценки могут быть построены только при наличии некоторой „эталонной" модели самолета данного типа. В свою очередь, такая „эталонная" модель может быть построена только на основе обработки экспериментальных данных летных испытаний самолета. Л такие экспериментальные данные далеко не всегда имеются не только у разработчика компьютерной тренажерной системы, но даже и у фирмы, выпускающей данный тип самолета.
Особенности процесса верификации компьютерных динамических моделей самолета
Процесс "настройки" компьютерных моделей динамики самолета в разных стадиях его движения весьма сложен в силу многообразия и нелинейности функциональных связей, имеющихся в уравнениях динамики полета. Процесс такой "доводки" (верификации) базируется, в основном, на субъективных оценках летчика - эксперта, имеющего значительный опыт полетов на самолете данного конкретного типа. Хорошо, если летчик имеет достаточную квалификацию в области теории и методов математического описания динамики полета. Такое условие выполняется, однако, далеко не всегда. Нельзя, видимо, требовать от летчика-эксперта конкретных указаний на то, какие аэродинамические характеристики данной модели и как именно следует изменить, чтобы характеристики компьютерной модели приблизились к поведению реального самолета.
С другой стороны, не следует, видимо, требовать от специалиста по компьютерным методам, в частности, от программиста, достаточного уровня теоретических знаний в этой области. В создании компьютерной модели самолета участвуют представители трех специальностей: специалист по динамике полета, программист и летчик-эксперт. Процесс верификации компьютерной модели в известном смысле идентичен процессам летных испытаний и последующей "доводки" самолета. Так же, как при летных испытаниях, при наладке компьютерной модели должны исследоваться факторы, оказывающие влияние на устойчивость и управляемость компьютерного виртуального самолета:
V фактические условия виртуального полета (скорость, высота, углы атаки и скольжения и т.д.), особенности аэродинамической и весовой компоновки самолета, фактическая конфигурация в каждый момент выполнения "полета" (выпуск и уборка средств механизации крыла, шасси, тормозных щитков и других устройств, изменяющих аэродинамику).
Так же, как и при проведении летных испытаний, должны определяться: Ф- характеристики набора высоты, Ф- взлетно-посадочные характеристики (длина разбега, взлетная дистанция, посадочная дистанция, скорости самолета при взлете и посадке), характеристики статической и динамической устойчивости и управляемости, Ф- характеристики взаимосвязи продольного и бокового движения самолета и т.д.
Так же, как и в летных испытаниях реального самолета, характеристики устойчивости и управляемости должны оцениваться по реакции виртуального самолета на импульсы и дачи рулей.
Как известно [42], импульсы рулей представляют собой резкое кратковременное (в сравнении со временем переходных процессов) отклонение (поочередно) одного из рулей и быстрое возвращение его в исходное положение при неизменном положении двух других рулей. Дачи рулей представляют собой резкое ступенчатое отклонение одного руля на некоторый постоянный угол с сохранением его в этом положении в течение 5-10 сек. при неизменном положении других рулей (ступенчатая функция). Таким образом формируются условия для исследования динамической устойчивости и управляемости самолета.
Кроме того, должны оцениваться движения виртуального самолета при выполнении экспертом следующих операций: освобождение поперечного и путевого управления в режиме установившегося разворота с заданным углом крена, перекладывание виртуального самолета элеронами из одного крена в другой крен заданной величины, имитации отказов бортовых систем и двигателей, разгоны и торможения "самолета" в полете, плавные изменения углов атаки и скольжения.
Должны исследоваться и другие испытательные режимы, более известные летчику-эксперту, чем разработчикам математических моделей самолета или программистам. Заметим, что в силу психофизиологических особенностей летчику-эксперту трудно воспринимать самолет в полете как сложный многомерный многосвязный объект, учитывая при этом весь комплекс многообразных нелинейных функциональных связей. Гораздо удобнее воспринимать и оценивать самолет, как совокупность изолированных динамических подсистем, каждая из которых соответствует отдельно рассматриваемым частным движениям. Естественно, что такое разделение в каждом конкретном случае требует четких обоснований.
