Введение к работе
Актуальность проблемы
Современные сложные технические объекты (СТО), такие как пилотируемые авиационные и космические летательные аппараты (ЛА), другие наземные, надводные, подводные подвижные объекты, а также атомные и обычные электростанции, энергосистемы, нефтеперерабатывающие и химические производства, нефте- и газопроводы и т.п., характеризуются строгими требованиями к безопасности функционирования. В процессе управления в таких системах в результате нарушений (отказов оборудования, ошибок экипажа, возмущений среды) могут возникать так называемые критические ситуации (КС), несущие угрозу безопасности функционирования и требующие своевременных и правильных управленческих решений для предотвращения катастрофических, аварийных или иных нежелательных последствий. Большие материальные и моральные потери, которые несет общество в результате неблагоприятных последствий КС, обуславливают важность и актуальность комплексной проблемы безопасного функционирования сложных технических систем. Для решения этой проблемы предпринимаются значительные научные, технические, организационные усилия в следующих направлениях:
Снижение вероятности нарушений, порождающих КС, за счет повышения надежности техники, отбора, обучения и тренировки экипажей, защиты от воздействий внешней среды.
Анализ реальных КС, имевших место при функционировании СТО, с целью установления причин и закономерностей возникновения и развития КС (опасного или благополучного) и выработки мероприятий по устранению повторного возникновения подобных ситуаций.
Поиск способов эффективного управления СТО при возникновении КС с целью максимального использования располагаемых возможностей для предотвращения опасных последствий КС.
Несмотря на значительные научные, технические и организационные успехи, достигнутые в решении первых двух проблем, полное устранение КС из практики функционирования СТО не может быть гарантировано ни в настоящее время, ни в обозримом будущем. Вместе с тем, статистика летных происшествий в гражданской авиации (где вопросы обеспечения безопасности полетов всегда стоят на первом месте) свидетельствует, что примерно половина катастроф могла бы быть предотвращена при правильном управлении в КС. Такой значительный процент катастроф, которые
потенциально могли быть предотвращены средствами управления, обуславливает важность проблемы управления в КС.
В КС по сравнению со штатным функционированием задача управления существенно усложняется . Экипаж должен своевременно обнаружиті нарушения, являющиеся причиной КС, распознать вид КС и оценить степень ее опасности, определить приемлемую цель управления, достижимук в этих условиях, и выбрать необходимые управляющие воздействия, реализовать управляющие воздействия, не допуская при этом ошибок, и проконтролировать эффективность выхода из КС. Все это необходимо выполнить в условиях неопределенности, когда особенности нарушений еще не проявились со всей отчетливостью, и ограниченного резерва времени, пс истечении которого уже невозможно предотвратить опасные последствия В виду объективной сложности управления в КС необходима поддержке деятельности экипажа в этих условиях:
-
Методическая: поддержка (методическое обеспечение) в виде априорных знаний о КС, включающих знания о сущности явлений, вызываю щих данную КС, о возможном характере развития КС в зависимости от внешних условий и внутренних факторов, о допустимых способых упра вления в КС и их эффективности в различных условиях, а также умения і навыки управления в подобных КС, вырабатываемые в результате обуче ния и тренировок экипажа.
-
Инструментальная поддержка (инструментальное обеспечение) і виде функций бортовых систем (БС) объекта, предназначенных для ис пользования в условиях нарушений в целях обеспечения безопасности функ ционирования. Это выражается в том, что БС располагают режимамі функционирования, правильное и своевременное использование которьп обеспечивает успешный выход из КС.
-
Поддержка принятия решений, заключающаяся в оказании экипажу помощи в обнаружении КС и выборе способа ее ликвидации. Для этого j системе управления необходимо заложить правила и алгоритмы, позволя ющие: инструментально планировать действия в КС, т.е. инструменталь но принимать решения по распознаванию КС, выбору цели, управляющие воздействий и т.д., и на этой основе осуществлять информационное со провождение экипажа в форме подсказок и советов; контролировать реше ния экипажа для выявления ошибок и предотвращения их нежелательно] реализации; реализовывать согласованные с экипажем решения в форм управления режимами бортовых систем объекта. Перечисленные задачи являющиеся, с одной стороны, достаточно сложными в условиях неопреде ленности и ограниченного резерва времени, с другой, малоисследованным!
для специфических условий КС, составляют содержание проблемы автоматизированной поддержки решений при управлении в КС Настоящая работа посвящена решению этой проблемы.
Известны многочисленные отечественные и зарубежные публикации, посвященные теоретическим и практическим аспектам проблемы обеспечения безопасности функционирования СТО как системы управления. Концептуальный базис для данного исследования составили работы Петрова Б.Н., Красовского А.А., Гаррарда (Garrard W.L), Джордана (Jordan J.M.) и других, посвященные теоретическому анализу и синтезу систем управления (в том числе - управления угловым и траекторным движением ЛА); работы Берегового Г.Т., Котика М.Г., Соломонова П.А., Старикова А.И., Ливенса (Lievens С), Уоннера (Wanner J.С.) и других, посвященные техническим, методическим и организационным аспектам обеспечения безопасности воздушных и космических ЛА; работы Ломова Б.Ф., Губинского A.M., Шеридана Т.Б., Феррела У.Р. и других, посвященные инженерно-психологическим и эргономическим аспектам деятельности оператора (экипажа) в сложных условиях; работы Емельянова СВ., Рутковского В.Ю., Гусева Ю.М., Зайнашева Н.К., Шаймарданова Ф.А., Ильясова Б.Г., Васильева В.И. и других, посвященные анализу и синтезу отказоустойчивых систем управления; работы Коренева Г.В., Юсупова И.Ю., Мура (Moore R.C.), Вернадата (Vernadat F.) и других, посвященные применению ситуационных и интеллектных методов для управления СТО. Вопросы методической и инструментальной поддержки управления в КС интенсивно исследуются достаточно давно и здесь применительно к широким типовым классам КС получены существенные результаты. Однако, даже при идеальном решении они создают лишь потенциальные возможности обеспечения безопасности, которыми экипаж должен своевременно и правильно воспользоваться. Реализация таких потенциальных возможностей представляет в условиях КС сложную задачу. В то же время вопросы автоматизированной поддержки решений при управлении в КС, связанные с обнаружением нарушений, оценкой их опасности, выбором цели и т.д. в специфических условиях неопределенности и ограниченного резерва времени мало исследованы. В данном направлении достигнуты частные результаты, предназначенные для применения на конкретных объектах в условиях конкретных нарушений. В настоящее время настоятельно необходим общий концептуально и теоретически обоснованный подход к решению этой проблемы и ее систематизированное исследование.
Основания для выполнения работы
Работа выполнена в период 1975-1994 гг. на кафедре автоматизированных систем управления Уфимского государственного авиационного техни-
ческого университета в рамках научно-исследовательских работ (Гос. реї 750100093, 77036885, 78022798, НИР 3-12-86, Зс-2-51-91/95 и др.) по зака зу предприятий авиационной промышленности (г. Москва, г. Жуковский] Работа поддержана государственным грантом по фундаментальным иссле дованиям в области авиационной и ракетно-космической техники (шиф] 94-4.5-44 по направлению "Искусственный интеллект в информационны и управляющих комплексах летательных аппаратов").
Цель, задачи и методика исследования
Цель работы - создание концептуальных и теоретических основ автома тизированной поддержки решений при управлении сложным техническим) объектами в КС в условиях неопределенности и дефицита времени и реали зация управленческих решений в форме лингвистического и программное обеспечения бортовых систем управления ЛА.
Для достижения цели потребовалось решить следующие задачи:
-
Разработать концепцию автоматизированной поддержки решениі при управлении сложным техническим объектом в КС в условиях неопре деленности и дефицита времени.
-
Разработать математические модели внутреннего развития КС, от ражающие развитие опасных процессов.
-
Разработать математические модели внешнего развития КС, отра жающие качественные изменения ситуаций и правила принятия соответ ствующих управленческих решений.
-
Разработать лингвистическое и программное обеспечение для ре ализации автоматизированной поддержки процесса принятия решений і системе управления СТО в КС.
-
Провести исследования качества и эффективности предлагаемых ме тодов принятия управленческих решений в КС применительно к задач управления бортовыми системами ЛА и их программной реализации дл: обеспечения тренажерных испытаний управляющей системы на пилотаж ном динамическом стенде-тренажере ЛА.
При разработке концепции автоматизированной поддержки решений ис пользовались методы системного анализа. Разработка моделей проводи лась с использованием методов общей теории систем, теории оптимально го управления, теории статистических оптимальных решений, теории ие рархических систем, теории конечных автоматов, теории алгоритмов. Дл: разработки лингвистического и программного обеспечения применялисі
концепции непроцедурных языков программирования и методы создания программных средств.
Результаты, выносимые на защиту:
-
Концепция автоматизированной поддержки решений при управлении сложным техническим объектом в КС, базирующаяся на многоуровневой процедуре, включающей контроль очередных задач управления, выработку инструментальных вариантов управленческих решений, согласование инструментальных решений с решениями экипажа.
-
Математические модели внутреннего развития ситуаций, отражающие развитие неблагоприятных процессов, определяющих степень опасности ситуации (риска) и располагаемый резерв времени, базирующиеся на понятии ситуации управления как множестве векторов микроситуаций.
-
Математические модели внешнего развития ситуаций, отражающие переходы ситуаций под действием внутреннего развития, внешних факторов и в результате принятия управленческих решений, включающие иерархию графов переходов специального вида и алгоритм интерпретации, обеспечивающий формирование команд управления на основе контроля текущего состояния и обработки иерархии графов перехода.
-
Лингвистическое и программное обеспечение автоматизированной поддержки управленческих решений, базирующееся на моделях развития ситуаций и предназначенное для задания правил выработки инструментальных решений, согласования их с экипажем и реализации в форме команд управления режимами бортовых систем.
-
Результаты исследования качества и эффективности предлагаемых методов принятия управленческих решений в КС применительно к задаче управления бортовыми системами ЛА и их программная реализация для обеспечения тренажерных испытаний управляющей системы на пилотажно-динамическом стенде-тренажере ЛА.
Научная новизна результатов
Разработанная концепция автоматизированной поддержки решений характеризуется новизной как общей схемы иерархического формирования инструментальных вариантов решений на основе оценивания выполнимости и эффективности рабочих задач управления, так и процедуры согласования инструментальных решений с экипажем, основанной на учете вариантов распределения ролей в КС между экипажем и информационно-управляющей системой.
Предложенная модель ситуации как подмножества векторов микроситуаций в пространстве состояний динамического объекта и внешней среды обобщает известные понятия ситуации управления и строго определяет ситуацию в терминологии общей теории систем. Это позволяет построить классификацию ситуаций по критерию целедостижимости, в которой КС является разновидностью опасной ситуации и увязывается с другими видами ситуаций. Новыми являются результаты, устанавливающие свойства границы КС в пространстве состояний стационарной динамической системы, позволяющие строить границу КС на основе принципа максимума.
Новизна разработанной иерархической модели ситуаций связана с новизной многомерной рекурсивной иерархии, что обеспечивает возможность описания широкого класса КС; с новизной способа выдачи команд управления в зависимости от статуса или переходов ситуации, от текущего статуса других ситуаций, что обеспечивает большую гибкость при задании правил принятия решений; с новизной конструктивного интерпретирующего алгоритма, основанного на контроле текущего состояния модели, что обеспечивает однозначность интерпретации и эффективность реализации модели в системе управления.
Разработанное лингвистическое и программное обеспечение характеризуется как новизной самого языка, позволяющего в непроцедурной удобной для проектировщика форме задавать внешнее представление иерархической ситуационной модели, так и новизной его реализации: структуры внутреннего представления модели, обеспечивающей компактное использование постоянной памяти; метода контроля и адресации текущих состояний модели, обеспечивающего компактное использование оперативной памяти: транслятора и интерпретатора модели.
Практическая ценность и внедрение результатов
Практическую ценность имеют: концепция автоматизированной поддержки управленческих решений и модели КС как методология разработки системы управления СТО, функционирующей в условиях нарушений; язык внешнего описания моделей КС как средство задания в ситуационной форме правил принятия управленческих решений разработчиком системы управления; транслятор и интерпретатор моделей ситуаций как средства автоматизации разработки и функционирования системы управления.
Результаты, полученные в работе, внедрены в научно-производственном объединении "Молния" (г. Москва): комплекс языковых, алгоритмических и программых средств для реализации моделей иерархических процессов управления ЛА; комплекс моделей иерархических процессов для имитации работы и управления бортовых систем изделия 11Ф35; методика эксплуатации указанных средств и моделей. Перечисленные результаты пред-
назначены для быстрой разработки и внедрения на испытательный пилотажный динамический стенд-тренажер алгоритмов моделирования возникновения и развития КС и правил принятия управленческих решений для проведения испытаний их работоспособности и эффективности в тренажерных полетах с участием экипажей с целью отладки системы управления и обучения экипажей действиям в КС. Технические решения, внедренные в данном Объединении, защищены авторскими свидетельствами на изобретения. Разработанное программное обеспечение (транслятор и интерпретатор иерархических моделей) зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ РосАПО (per. №№940430 и 940431).
Апробация работы и публикации
Основные положения, представленные в диссертации, начиная с 1977 года, регулярно докладывались и обсуждались более чем на 20 научных конференциях, совещаниях, симпозиумах различного уровня, проводившихся в нашей стране и за рубежом по проблемам управления, безопасности полетов, обработки информации, эргономики, и получили положительную оценку. Результаты работы непосредственно отражены в 80 публикациях, в том числе в 1 монографии, 1 препринте РАН, 16 статьях, 40 изобретениях, 20 трудах конференций, а также депонированных рукописях и научно-технических отчетах.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 290 страницах, библиографического списка, включающего 185 наименований, и приложений, вынесенных в отдельную часть работы.