26.09.2017 Cостоялось заседание Президиума НТС АО «НИИхиммаш» подробнее...
31.08.2017 Лицензия на осуществление космической деятельности подробнее...
Публикации сотрудников АО «НИИхиммаш»

Управление системами жизнеобеспечения экипажа межпланетных кораблей

Зарецкий Б.Ф., Гаврилов Л.И., Курмазенко Э.А., АО «НИИхиммаш», перевод публикации SAE International, 2009-01-2464

Тезисы

Осуществление межпланетных пилотируемых полётов существенно изменяет требования, предъявляемые к системам жизнеобеспечения (СЖО), особенно требования к автоматизированным системам управления СЖО. При межпланетных пилотируемых полетах существенно уменьшаются возможности управления функционированием отдельных систем наземным центром управления полетом. Всё это обуславливает повышение живучести и интеллектуального уровня автоматизированных систем управления СЖО.

Возможными путями решения данной проблемы являются:
  • применение и развитие идеологии распределённых систем управления; 
  • применение блоков и устройств управления, изготовленных с использованием технологии серийного производства, сводящей к минимуму влияние человеческого фактора;
  • применение алгоритмов, основанных на максимальном использовании принципов адаптивного управления, методов теории искусственного интеллекта, диагностики и прогнозирования состояния технических систем; 
  • создание и использование современных измерительных датчиков для систем мониторинга и диагностики; 
  • формирование бортовой информационной системы на основе современных интерфейсов типа RS485;
  • максимальное развитие секционно-модульных конструктивов СЖО и АСУ с обеспечением в пределе двух кабелей связи модуля с бортом: силовой кабель электропитания и кабель связи с бортовой информационной сетью; 
  • создание интеллектуальных систем идентификации и выдачи рекомендаций экипажу по локализации нештатных ситуаций для повышения живучести и существенного снижения затрат рабочего времени экипажа на эксплуатацию СЖО.
Показано, что решение данной проблемы позволит создать современную АСУ СЖО, пригодную для осуществления различных космических программ.

Введение

При переходе с работы на околоземной космической станции к межпланетным пилотируемым полётам существенно изменяются условия осуществления полёта. При работе с околоземной космической станцией используются значительные возможности наземных служб :
1. Получение и анализ информации о состоянии оборудования на борту.
1.1. Получение информации от бортовых технических систем (РТС).
1.2. Получение информации от экипажа через систему связи.
2. Обработка информации с помощью коллективного интеллекта и наземной компьютерной сети, выдача рекомендаций и управляющих воздействий.
3. Пополнение запасов расходуемых материалов и оборудования с земли.
4. Накопление опыта эксплуатации оборудования.
5. Корректировка подготовки сменяемых экипажей с накоплением опыта эксплуатации оборудования.
6. Развитие оборудования на основе накопленного опыта эксплуатации с доставкой нового оборудования на борт.
7. Корректировка алгоритмов управления с помощью РТС.
8. Оказание экстренной помощи экипажу вплоть до срочного возвращения его на землю при аварии на станции.

При выполнении межпланетных космических полётов возможности наземных служб существенно сокращаются. Становится невозможным:
- оказание экстренной помощи экипажу и срочное возвращение его на землю;
- любые поставки на борт оборудования и материалов;
- смена экипажа.

Реализация остальных возможностей существенно осложняется. Например, время прохождения радиосигнала в обе стороны при полёте на Марс составляет 40 мин, а при полёте на Уран - сутки. Существенно снижаются возможности участия ЦУПа в процессе управления. Увеличивается время полёта и существенно повышается автономность экипажа при принятии решений. Всё это предъявляет особые требования к живучести при создании комплекса регенерационных СЖО и её автоматизированной системы управле-ния, а также к автономности управления. Экипаж вынужден принимать самостоятельные решения. В том числе и в нештатных ситуациях.

Живучесть - сохранение в течение всего полета функций комплекса РСЖО, определяющих жизнь, здоровье и работоспособность экипажа, при наличии возможности ремонта и замены оборудования экипажем с использованием имеющихся запасов.

Главный раздел

Создание автоматизированной системы управления РСЖО (АСУ РСЖО) корабля, предназначенного для осуществления межпланетных пилотируемых полётов, предлагается разбить на три этапа:
1 этап. Разработка структуры (идеологии) системы управления.
2 этап. Разработка или выбор средств технического обеспечения.
3 этап. Разработка алгоритмов управления комплексом РСЖО.

При создании АСУ – необходимо построить иерархическую структуру критериев эффективности. Множество критериев эффективности разобьём на три группы:
1-я группа. Критерии, связанные с показателями живучести технической системы.
2-я группа. Критерии, связанные с себестоимостью.
3-я группа. Критерии, связанные с функциональными параметрами системы.

При построении иерархической структуры важно определить глобальный критерий эффективности, по которому производится выбор оптимального решения. На остальные критерии накладываются ограничения.

Предлагается: на каждом этапе создания системы управления принимать свой глобальный критерий из указанных трех групп.

Этап 1. Разработка структуры системы управления

На этом этапе, как показывает опыт, определяется живучесть всей системы. Поэтому живучесть принята в качестве глобального критерия.
Задача состоит в выборе структуры АСУ, обеспечивающей максимум живучести при наложении ограничений на критерии 2 и 3 групп.

Таким оптимальным решением является распределённая система управления (Рис.1)

Рис.1. Структура АСУ РСЖО
БИС – бортовая информационная сеть; БУ Сi – локальный блок управления СЖО (контроллер); БЦВМ – бортовой компьютер.

Распределённая система управления реализует следующую идеологию:
- оперативное управление отдельными модулями РСЖО осуществляется локальными контроллерами;
- бортовой компьютер обеспечивает решение задач второго уровня.

На втором уровне АСУ РСЖО могут решаться следующие задачи:
- согласование работы отдельных модулей РСЖО между собой;
- функциональное дублирование локальных контроллеров на время замены вышедших из строя;
- обеспечение максимально комфортных условий жизнеобеспечения экипажа (например, оптимального состава атмосферы и пр.);
- идентификация нештатных ситуаций;
- выдача рекомендаций экипажу на основе диагностики и прогнозирования технического состояния РСЖО, имитационных моделей, накопленного опыта, методов искусственного интеллекта.

Для решения задач второго уровня необходима достаточная вычислительная мощность, сосредоточенная в БЦВМ. При отказе БЦВМ не происходит потеря живучести АСУ РСЖО, поскольку АСУ не теряет оперативного управления. Контроллер более надёжен по конструкции и программному обеспечению в сравнении с БЦВМ. АСУ с такой структурой была названа нами "интеллектуальная".

Этап 2. Выбор средств технического обеспечения

В качестве глобального критерия принимаем себестоимость технических средств АСУ. Задача: выбор технических средств, обеспечивающих минимум себестоимости при наложении ограничений на критерии 1 и 3 групп.


Решение:
1. Максимально унифицированная конструкция контроллера для большинства регенерационных СЖО.
2. Применение блоков и устройств, изготовленных с использованием технологии серийного производства, минимизирующей человеческий фактор.
3. Применение современных средств и методов диагностики.
4. Создание бортовой информационной системы на основе современных интерфейсов, например, RS485.
5. Решение задачи состоит в максимальном использовании унифицированных изделий серийного производства, секционно-модульных конструктивов РСЖО с обеспечением в пределе двух кабелей связи модуля РСЖО с бортом: силового питания и информационного. Это обеспечит минимизацию весогабаритных характеристик.
6. Представляется возможным создание контроллера универсальной конструкции для всех модулей РСЖО на основе современной микроэлектронной элементной базы. Это в конечном счёте может привести к минимизации весо-габаритных характеристик АСУ за счёт снижения необходимого количества резервных контроллеров.

Оптимизация системы человек-машина:
1. Оптимизировать систему сообщений и команд на экране терминала.
2. Создать систему экранов, привлекая психологов и дизайнеров.
3. Цель – минимизация средств и максимизация информативности, снижение затрат времени на обслуживание РСЖО.
4. Максимальное использование современных сенсорных экранов вплоть до использования карманных компьютеров для оперативного управления.
При выборе технического обеспечения АСУ необходимо учитывать ресурс модулей и технических средств. При этом суммарный ресурс основного и резервного комплекта должен превышать длительность межпланетного полёта корабля.

Этап 3. Разработка алгоритмов управления комплексом РСЖО

Алгоритмы управления определяют качество функционирования АСУ РСЖО.
Этот показатель принят в качестве глобального критерия. Задача: выбор алгоритмов управления, обеспечивающих максимально комфортную среду обитания экипажа при наложении ограничений на критерии 1 и 2 групп.


Решение:
задача управления комфортностью среды возлагается на БЦВМ, которая воздействует на локальные блоки управления отдельных процессоров РСЖО.
1. Обеспечение максимальной живучести комплекса АСУ РСЖО.
2. Обеспечение максимального интеллектуального уровня АСУ РСЖО.
3. Применение алгоритмов с использованием принципов адаптивного управления, методов искусственного интеллекта, диагностики и прогнозирования состояния технических систем.
4. Создание систем идентификации и выдачи рекомендаций экипажу по локализации нештатных ситуаций для повышения живучести и существенного снижения затрат рабочего времени экипажа на эксплуатацию РСЖО.
5. Применение систем самовосстановления РСЖО.

Стенд для моделирования и наземной отработки АСУ РСЖО
Для наземной отработки предложенной структуры и новых алгоритмов функционирования был создан стенд. В качестве технологической базы стенда принята система «Электрон», предназначенная для генерации кислорода (Рис.2). Эта конструкция отличается от штатной наличием дополнительных датчиков и пластикатовых соединительных трубок.


Рис.2. Система «Электрон» стенда

Оперативное управление осуществляется контроллером CJ1M с соответствующим набором устройств связи с обьектом (Рис.3).

Рис.3.Контроллер

Для моделирования БЦВМ используется персональный компьютер (Рис.4).

Рис.4.Персональный компьютер, моделирующий БЦВМ

В качестве источника тока для генератора кислорода принят программируемый источник типа GEN30-110 (Рис.5).

Рис.5.Источник напряжения (вверху) и источник тока (внизу)

Связь между компьютером, контроллером и источником тока реализована на базе интерфейса RS485. Для этого в контроллер введён модуль SCU31-V1, а в компьютер двухканальный преобразователь интерфейса.

Рис.6.Преобразователи информационной части стенда

Выводы

Структура АСУ РСЖО должна соответствовать идеологии распределенных систем управления. Оперативное управление должно осуществляться локальными контроллерами предпочтительно серийного производства.

БЦВМ решает задачи второго уровня.
На БЦВМ осуществляется функциональное дублирование работы контроллеров.

Необходимо:
- применение алгоритмов, основанных на максимальном использовании принципов адаптивного управления, методов теории искусственного интеллекта, диагностики и прогнозирования состояния технических систем;
- создание и использование современных измерительных датчиков для систем мониторинга и диагностики;
- формирование бортовой информационной системы на основе современных интерфейсов типа RS485;
- максимальное развитие секционно-модульных конструктивов СЖО и АСУ с обеспечением в пределе двух кабелей связи с бортом: силовой кабель электропитания и кабель связи с бортовой информационной сетью;
- создание интеллектуальных систем идентификации и выдачи рекомендаций экипажу по локализации нештатных ситуаций для повышения живучести и существенного снижения затрат рабочего времени экипажа на эксплуатацию СЖО.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ: максимальная живучесть АСУ и её автономность могут быть достигнуты при ее построении на указанных принципах.