Анализ применения интеллектуальных систем в авиации

Современные тенденции развития бортовых систем управления связаны с их дальнейшей интеллектуализацией, которая основана на технологиях обработки знаний для автоматизации функций управления и поддержки действий экипажа как в нормальных, так и в нештатных ситуациях, которые возникают в процессе полета. Одним из перспективных направлений в создании интеллектуальных систем управления и принятия решений является применение нейронных сетей и их программно-аппаратной реализации на базе нового поколения ЭВМ- нейрокомпьютеров, которые превосходят другие типы вычислительных машин не только по критерию отношения производительность / стоимость, но и по их способности к решению нестандартных, плохо формализованных задач.

Проведем анализ применения интеллектуальных бортовых систем в авиации.

Анализ и обоснование применения интеллектуальных систем в авиации

К настоящему времени пришло понимание того, что достичь резкого повышения эффективности боевого применения и выживаемости летательного аппарата возможно только путем совершенствования интеллектуальной составляющей «ядра» бортового комплекса, то есть той совокупности алгоритмов БЦВМ и алгоритмов деятельности экипажа, которая сейчас называется «бортовым интеллектом» и которая из набора разрозненных систем бортового оборудования создает функционально целостный комплекс, нацеленный на выполнение задач боевого вылета.

Итоги проведенных научно-исследовательских работ, совершенствование бортовых вычислительных, измерительных и исполнительных устройств боевых летательных аппаратов дают возможность разработать и реализовать на их борту алгоритмы и системы нового типа, которые способны обеспечивать решение тактических задач путем оперативных рекомендаций и подсказок экипажу.

Для решения таких задач создан научно-инженерный задел в виде структуры «ядра» с включением нового класса интеллектуальных систем — бортовых оперативно-советующих экспертных системных совокупностей (БОСЭС) типовых случаев полета. Такие системы оказывают интеллектуальную помощь при выборе метода достижения текущей цели полета (тактические задачи) с использованием базы знаний, которую можно сопоставить со знаниями лучших пилотов и экспертов-профессионалов.

Для облегчения восприятия и переработки летчиком огромного объема информации, повышения эффективности его деятельности, освобождения от рутинных операций на современных боевых летательных аппаратах зачастую находят применение такие электронные средства, как системы автоматического управления, комплексные системы управления вооружением и полетом, а также системы дистанционного управления, улучшения устойчивости и управляемости, ограничительных сигналов и другие. Однако полная автоматизация режимов управления и пилотирования летательного аппарата на боевых режимах не обеспечивает решения многих тактических и траекторных задач, особенно в условиях воздействия непредвиденных факторов реального полета и противодействия противника. Пилоты достаточно аргументированно не соглашаются с полной автоматизацией, желая в некоторых случаях, чтобы им оказывалась лишь ненавязчивая помощь или консультативная поддержка.

Проведенное в Военно-воздушной инженерной академии имени Н. Е. Жуковского исследование путем опроса около 200 российских летчиков фронтовой истребительной авиации определило, на каких этапах и при решении каких задач наиболее эффективна интеллектуальная поддержка экипажа, в какой форме пилоту удобнее взаимодействовать с экспертными системами. Выяснено, что наиболее высокая степень приоритетов необходимости поддержки задач приходится на такие этапы как планирование полета (25,6%), полет в район целевого применения (26,6%), боевое маневрирование (25,8%). Больше всего на этапе боевого маневрирования летчики хотели бы иметь интеллектуальную поддержку на оперативно-тактическом уровне и автоматизацию на уровне реализации принятого решения.

При разработке интеллектуальных систем следует ориентироваться на различные формы автоматизации подсказок пилоту в зависимости от решаемых задач. Режим «консультация», когда подсказка формируется лишь после соответствующего запроса пилота, предпочтителен при подготовке и перепланировании полетного задания и на некоторых этапах групповых действий. Регулярные пассивные (которые реализуются только по команде пилота) подсказки желательны при решении задач навигации (следования по маршруту), распознавания и ранжирования целей, при выработке тактических приемов и применении инструментов поражения. Системы поддержки при управлении инструментами РЭБ и при отказах бортовых систем могут работать в автоматическом режиме с информированием пилота о принятии и исполнении решения. При создании систем интеллектуальной поддержки требуется особое внимание уделить речевому и визуально-графическому методам взаимодействия с летчиком.

Интеллектуальные системы привлекают заказчиков и конструкторов возможностью существенно повысить качество работы системной совокупности «экипаж — бортовая аппаратура — самолет». Такая возможность заявлена и показана в демонстрационных и исследовательских образцах ряда бортовых экспертных системных совокупностей.

Экспертными системами дальнего воздушного боя занимаются в нескольких исследовательских организациях различных стран. В зарубежных разработках, в первую очередь на борту новых истребителей F-22, F-35, а также модернизируемых летательных аппаратов F-15, F/A-18 и вертолетов, планируется размещение ряда экспертных систем типа «помощник пилота» (Pilot"s Associate). Некоторые из этих систем имеют достаточную глубину проработки предметной сферы и моделирования на универсальных вычислительных машинах. Для режима дальнего воздушного боя в Российской Федерации, Соединенных Штатах, Великобритании разработаны исследовательские прототипы бортовых экспертных систем. Самой продвинутой в направлении совершенствования базы знаний оказалась осуществленная в США разработка экспертной системы, функционирующей в беспомеховой ситуации дальнего воздушного боя, которая последние 4−5 лет проходит этап отработки с профессиональными пилотами на динамических стендах в реальном масштабе времени. К этому следует добавить разрабатываемую в Израиле экспертную систему, которая обеспечивает решение задачи ввода в бой группы истребителей при выполнении ими перехвата эскортируемых ударных воздушных сил противника.

Одним из критериев, которые используются в Соединенных Штатах при разработке истребителя 5-го поколения по программе JSF, явилось требование соответствия авионики летательного аппарата концепции «интеллектуализации» процессов управления летательным аппаратом и его вооружением. Еще на выставке Фарнборо-2000 фирмой Боинг при демонстрации кабины летательного аппарата JSF в режиме виртуальной реальности было показано использование бортовых экспертных систем, которые обеспечивают оценку текущей обстановки и выработку инструкции о целесообразных действиях, в том числе при оперативном перепланировании полетного задания.

В Российской Федерации и других авиационных державах получают развитие системы, которые помогают экипажу решать задачи атаки маневрирующей цели, которая оказывает огневое и помеховое противодействие с оптимизацией маневра выхода в условия применения оружия и маневра уклонения от ракеты противника, советующие системы контроля топлива на борту и выбора аэродрома посадки и другие. Разрабатываемые в Российской Федерации и за рубежом бортовые экспертные системные совокупности в настоящее время проходят этап внедрения на борт. Намечается переход к сбалансированному проектированию интегрированного авиационного комплекса, в котором основные элементы — летательный аппарат, вооружение, бортовое оборудование, бортовой интеллект — получают равномерный и максимально возможный прогресс.

Экспертные системные совокупности на борту перспективного российского летательного аппарата будут обеспечивать работу комплекса в различных типовых боевых ситуациях, включая этапы навигации и выхода в информационный контакт с целями, дальнего ракетного боя с воздушными целями, ближнего воздушного боя, дальнего и ближнего боя с целями на поверхности. Каждый из указанных этапов и режимов полета выполняется с использованием отдельной экспертной системы. В число задач, которые решаются членами экипажа с помощью интеллектуальных систем БОСЭС, входит:

прокладка и контроль маршрута, взаимодействие с другими летательным аппаратами группы и внешними пунктами наведения, контроль достаточности топлива и времени;

принятие решения на применение оружия и помех;

нахождение и распознавание целей;

выбор тактики и приемов боя;

выбор боевой траектории и управление летательным аппаратом;

подготовка систем оружия и инструментов информационного противодействия;

управление бортовыми информационными устройствами; контроль за работой бортовых систем, локализация и устранение неисправных ситуаций.

На перспективных самолетах алгоритмы БЦВМ будут в партнерстве с экипажем решать новый для существующих летательных аппаратов класс задач, так называемые «тактические» задачи. Решение таких задач может потребовать использование бортовых интеллектуальных систем (БОСЭС).

Так, создаваемая в Российской Федерации (Гос

НИИАС) базовая бортовая оперативно-советующая экспертная системная совокупность «Дуэль» обеспечивает интеллектуальную поддержку при принятии летчиком истребителя решений в дальнем ракетном воздушном бою. В процессе ведения боя система помогает пилоту выбрать один из методов борьбы с активным противником, которые касаются особенностей управления самолетом, назначения момента пуска ракет и применения помех. Вся предметная область, в которой функционирует рассматриваемая экспертная система, разбивается (по условиям протекания и решаемым летчиком задачам) на несколько самостоятельных сценариев. Для типовой боевой ситуации «Дальний ракетный бой» выделено пять сценариев:

— «обеспечение преимущества»,

— «нападение»,

— «нападение с защитой»,

— «защита»,

— «обеспечение информацией».

БОСЭС берет на себя задачи по оценке ситуации, выбору проблемных фрагментов, анализа возникающих проблемных ситуаций, выбору самого целесобразного метода их разрешения и предъявляет пилоту рекомендацию на конкретный метод противодействия и краткое пояснение к ней.

БОСЭС «Дуэль» формирует текущую рекомендацию, которая касается трех методов противодействия противнику в дальнем бою — огневого, маневренного, помехового.

Маневрирование истребителем выполняется для достижения таких целей:

— создание наилучших условий для пуска своей ракеты;

— ухудшение условий для пуска ракеты противником;

— защита от пущенной ракеты противника.

Множество маневров, рассматриваемых в базе знаний разработанного прототипа БОСЭС, включает в себя маневры в вертикальной плоскости (тактический набор, тактическое снижение) и маневры в горизонтальной плоскости (тактический отворот, гарантированный отворот).

Огневое противодействие противнику представлено в базе знаний тремя видами пусков ракеты — пуск с самой большей разрешенной дальности, пуск с дальности эффективного пуска, пуск с дальности гарантированного пуска.

При третьем способе противодействия противнику — помеховом — имеется возможность применения двух типов помех: активных и пассивных. Взаимодействие БОСЭС с летчиком строится по принципу оповещательно-советующих систем — рекомендации только предъявляются ему на индикаторе. При необходимости БОСЭС дает пилоту также краткое пояснение (подсказку) к рекомендуемому способу разрешения текущей проблемы и временную перспективу последующих событий, которые могут быть при развитии сложившейся на данный момент ситуации, если летчик не выполнит текущую рекомендацию.

Заключение

Одной из основных отличительных особенностей новых летательных аппаратов становится наличие на их борту интеллектуальных систем, оперативно решающих тактические задачи.

Внедрение интеллектуальных систем расширяет функциональные возможности бортового оборудования, связанные с управлением, оценкой боевой обстановки, боеспособностью летательного аппарата и всех систем. Они позволяют значительным образом уменьшить нагрузку и оказать помощь пилоту в боевых ситуациях, проанализировать степень угрозы самолету со стороны воздушных и наземных инструментов поражения.

Новый класс систем — бортовые оперативно-советующие экспертные системные совокупности типовых случаев полета — предназначены для оказания интеллектуальной помощи при решении указанных задач.

Для повышения конкурентоспособности и достижения высокого уровня российских разработок усилия направляются на создание, отработку и внедрение основных образцов бортовых оперативно-советующих экспертных систем, что дает возможность существенно поднять эффективность боевого самолета. Системные совокупности интеллектуальной поддержки БОСЭС обеспечивают наиболее полное использование возможностей летательного аппарата и качественное решение новых задач.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что применение интеллектуальных бортовых систем в авиационной сфере является наиболее современным способом повышения эффективности работы летательных аппаратов.

Список использованных источников

Алехин Д. А., Буров Ю. Л., Лебедев А. Г., Зарепур Г., Лебедев Г. Н.

Интеллектуальные обратные связи в системе управления полетом // Теория и системы управления. 2009. N o 4.

С. 21−25.

Васильев С. Н., Жерлов А. К., Федосов Е. А., Федунов Б. Е. Интеллектуальное управление динамическими системами. — М .: Физматлит, 2010. — 352 с.

Галушкин A. M. Теория нейронных сетей: Учебное пособие. Кн. 1. Серия Нейро-компьютеры и их применение". — М .: ИПРЖР, 2010. — 416 с.

Головко В. А. Нейронные сети: обучение, организация и применение: Учебное пособие. Кн.

4. / Под общ. ред. А.

И. Галушкина. — М .: ИПРЖР, 2011. — 256 с.

Горбань А. И. Обучение нейронных сетей. — М .: Пара

Граф, 2010. — 160 с.

Лебедев Г. Н. Интеллектуальные системы управления и их обучение с помощью методов оптимизации: Учебное пособие. — М .: МАИ, 2012. — 112 с.

Лохин В. М., Захаров В. Н. Интеллектуальные системы управления: понятия, определения, принципы построения. — В кн .: Интеллектуальные системы автоматического управления / Под ред.

И. М. Макарова, В. М. Лохина. ;

М.: Физматлит, 2011. — 576 с.

Тимофеев А. В., Юсупов P. M. Интеллектуализация систем автоматического управления // Инженерная кибернетика. 2013. No 5. С. 211−224.

Тимофеев А. В., Юсупов P. M. Интеллектуализация систем автоматического управления // Инженерная кибернетика. 2013. No 5. С. 211−224.

Лохин В. М., Захаров В. Н. Интеллектуальные системы управления: понятия, определения, принципы построения. — В кн .: Интеллектуальные системы автоматического управления / Под ред.

И. М. Макарова, В. М. Лохина. — М.: Физматлит, 2011. — 576 с.

Васильев С. Н., Жерлов А. К., Федосов Е. А., Федунов Б. Е. Интеллектуальное управление динамическими системами. — М.: Физматлит, 2010. — 352 с.

Головко В. А. Нейронные сети: обучение, организация и применение: Учебное пособие. Кн. 4. / Под общ. ред.

А. И. Галушкина. — М .: ИПРЖР, 2011. — 256 с.

Лебедев Г. Н. Интеллектуальные системы управления и их обучение с помощью методов оптимизации: Учебное пособие. — М .: МАИ, 2012. — 112 с.

Галушкин A. M. Теория нейронных сетей: Учебное пособие. Кн. 1. Серия Нейро-компьютеры и их применение". — М .: ИПРЖР, 2010. — 416 с.

Горбань А. И. Обучение нейронных сетей. — М .: Пара

Граф, 2010. — 160 с.

Алехин Д. А., Буров Ю. Л., Лебедев А. Г., Зарепур Г., Лебедев Г. Н. Интеллектуальные обратные связи в системе управления полетом // Теория и системы управления. 2009. N

o 4. С. 21−25.

Пользователь

Эксперт, формирующий экспертные знания

Компонента взаимодействия (лингвистический процессор)

Рабочая память

Компонента приобретения знаний

Объяснительная компонента

База знаний

База данных

Объяснительная компонента

Информация о текущей ситуации от инструментов наблюдения и сбора информации о текущей ситуации

Анализатор

Классификатор

Коррелятор

Экстраполятор

Блок случайного выбора

Воздействия на объект управления в текущей ситуации