Интеллектуальная система прогноза посадки самолета и оценки ее реализуемости Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

С.Г. Баженов ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ СИСТЕМА ПРОГНОЗА ПОСАДКИ САМОЛЕТА И ОЦЕНКИ ЕЕ РЕАЛИЗУЕМОСТИ

В настоящее время основной тенденцией развития гражданской и транспортной авиации является повышение ее безопасности при увеличении объема перевозок. Необходимость увеличения объема перевозок приводит к росту интенсивности полетов, что ведет к увеличению частоты взлетов и посадок. Взлет и посадка являются наиболее сложными этапами полета за счет большого числа решаемых задач и дефицита времени у экипажа воздушного судна для принятия решений. Применение элементов искусственного интеллекта в системах управления самолетов обеспечивает качественно новый уровень информационной поддержки экипажа, который основан на оценке конкретной ситуации, прогнозе ее развития и формировании необходимых рекомендаций экипажу. Такой подход является перспективным направлением повышения безопасности полета. Для того чтобы решить задачу прогноза развития ситуации, необходим достаточно большой объем информации о состоянии самолета, его координатах и скорости, движении других воздушных судов, метеоусловиях и т.д. Также необходима математическая модель самолета, позволяющая на борту проводить численное моделирование различных сценариев. Кроме того, необходимо специальное программное обеспечение, позволяющее формировать различные сценарии развития событий и анализировать летные ситуации, полученные при этих сценариях.

Общая структура системы

В последнее время существует тенденция интенсификации применения технологии интеллектуальных систем (нейронные сети, методы нечеткой логики, логические системы поддержки принятия решений и т.д.) для решения ряда задач автоматизации управления самолетом. Среди них - контроль режимов полета, включая взлет и посадку. В настоящее время самолеты оборудуются спутниковыми системами определения координат (GPS, ГЛОНАСС). Точность определения координат с помощью таких систем вполне достаточна для контроля траекторий взлета и посадки. Кроме того, уже существуют достаточно подробные базы данных о рельефе земной поверхности, использование которых весьма полезно для предотвращения столкновений с землей. Таким образом, в ближайшем будущем перспективные самолеты будут обладать достаточной информацией для решения задачи о реализуемости и сложности посадки в текущих условиях.

Для решения данной задачи предполагается использовать экспертную систему (см. рис. 1), которая должна выполнять следующие основные функции.

1. С использованием бортовой математической модели самолета (уравнения движения, база аэродинамических данных), данных о состоянии самолета и информации о метеоусловиях оцениваются маневренные возможности самолета с учетом ограничений (угол крена, перегрузка, коэффициент подъемной силы и т.д.).

2. С использованием информации спутниковых и наземных станций определения координат самолета, определяется положение и вектор скорости самолета.

3. С использованием базы данных о положении взлетно-посадочной полосы и рельефа местности в окрестности аэродрома и текущих координат и скорости самолета формируется ряд возможных траекторий захода на посадку.

4. С учетом эксплуатационных ограничений и ресурсов по энергетике, управлению и т.д. оценивается реализуемость сформированных траекторий

5. Формируются рекомендации и предупреждения экипажу.

Рис. 1. Структура экспертной системы

Данная экспертная система, помимо традиционной математической модели движения самолета, которая необходима для численного расчета прогнозируемых траекторий, включает логическую модель летной ситуации и программные средства для решения логических задач.

Формирование логических МОДЕЛЕЙ и работа с ними

Представление объектов, с которыми сталкиваются инженеры и ученые в своей работе, в виде логических схем используется достаточно давно. В частности, в свое время был разработан и получил широкое распространение язык программирования Пролог, предназначенный для оперирования с логическими отношениями и объектами. В этом языке объектами являются логические утверждения, которые могут быть истинными, ложными или неопределенными. Логические утверждения связаны друг с другом логическими отношениями «И», «ИЛИ» и «НЕ». Пролог обеспечивает возможность достаточно эффективно работать со сложными логическими структурами, решать как прямые, так и обратные логические задачи. Под прямой логической задачей понимается нахождение последствий того, что одно или несколько логических утверждений верны или ложны. В свою очередь, под обратной логической задачей понимается нахождение причин того, что одно или несколько логических утверждений верны или ложны. Создание программных средств для решения прямых и обратных логических задач в среде программирования MatLab с использованием модулей на языке «С» и «С++» позволит начать разработку алгоритмов систем управления самолетов с элементами искусственного интеллекта и их отработку как путем математического моделирования в среде MatLab/Simulink, так и с последующим выходом на пилотажные стенды. С этой целью на базе системы ‘MatLab, разработана система 'Mat_Log' позволяющая решать как прямые, так и обратные логические задачи, и логические возможности которой могут быть использованы при моделировании сложных динамических систем.

Объектами данной системы являются логические утверждения (ЛУ), которые могут быть истинными, ложными и неопределенными. Среди них можно выделить:

1. Простые утверждения. По сути, это строка, выражающая наступление события:

ЛУ1=отказ гидросистемы;

ЛУ2=отказ привода;

ЛУ3=отсоединение привода от управляющей поверхности;

и т.д.

Эти утверждения описывают первопричины, последствия которых нас интересуют при решении прямых задач и которые нужно найти при решении обратных задач.

2. Составные утверждения. Данные утверждения связывают с помощью отношений «И», «ИЛИ», «НЕ» или прочих логических функций другие простые или составные утверждения. Например:

ЛУ4=ЛУ1|ЛУ2|ЛУ3;- сложное утверждение, описывающее потерю управляющей поверхности, которая отклоняются одним приводом. Знаки ‘|’ и ‘&’ обозначает отношения «ИЛИ» и «И» соответственно.

Рассмотрим иную ситуацию.

Допустим, необходимо перелететь из начальной точки (Хо^о) в конечную точку (Ж^Г) в условиях сложного рельефа местности, т.е. при наличии препятствий. Логическое утверждение

ЛУ1=”Перелет из точки (Хо^о) в точку (ХГ^Г) возможен” можно представить как комбинацию двух логических утверждений (см. рис. 2):

ЛУ1=ЛУ2|ЛУ3, где

ЛУ2=”Перелет из точки (Хо^о) в точку (Ж^Г) возможен без облета препятствий”;

ЛУ3=”Перелет из точки (Хо^о) в точку (Ж^Г) возможен с облетом препятствий”.

Рис. 2. Логическая схема оценки реализуемости полета самолета из начальной точки (Х0, У0) в конечную точку (Ху, Уу) с огибанием препятствий или без него

Как уже указывалось ранее, логические утверждения могут принимать значения «Ложь», «Истина» и «Неопределенность». То, какое значение будет присвоено логической переменной, соответствующей логическому утверждению, зависит

от следующих факторов. Так, логическое утверждение может описывать выполнение равенств, неравенств, дифференциальных или интегральных отношений, наличие или отсутствие того или иного события, наличия решения той или иной задачи и т.п. Проверка в процессе математического моделирования динамической системы данных соотношений позволяет определить значения соответствующих логических переменных.

Например, имеем следующее утверждение:

ЛУ2=”Перелет из точки (Хо^о) в точку (Ж^^ возможен без облета препятствий”.

Оно включает два логических утверждения:

ЛУ2=ЛУ2_Сущ&ЛУ2_Реал, где

ЛУ2_Сущ = ’’Траектория (Хо,Vo) - (Ж^^ существует”;

ЛУ2_Реал =”Траектория (Хо,Vo) - (Ж^Г) реализуема”.

Проверка истинности данных утверждений производится следующим образом. На первом этапе ищется наилучшая траектория перелета из точки (Хо^о) в точку (Ж^Г) без учета препятствий. Это может быть решениеу задачи о наличии гладкой кривой, состоящей из набора дуг различных радиусов с началом в точке Хо и окончанием в точке Ж, с наклонами, соответствующими ^ и Vf. Решение данной задачи существует всегда. После этого производится проверка - есть ли пересечение этой кривой с препятствиями. При отсутствии пересечений логической переменной ЛУ2_Сущ присваивается значение «Истина», в противном случае - «Ложь».

В случае если искомая траектория существует, возникает вопрос о ее реализуемости, т.е. об истинности утверждения ЛУ2_Реал. Проверка истинности данного утверждения производится в два этапа. На первом этапе оцениваются значения нормальной перегрузки и угла крена, необходимые для реализации траектории. Если значения этих параметров больше эксплуатационных ограничений, логическое утверждение о реализуемости заданной траектории считается ложным. В противном случае проводится более детальное исследование с использованием математической модели движения самолета в условиях местного рельефа, т.е. численное моделирование движения, где заданная траектория является входным воздействием. Если в процессе моделирования значение какой-либо переменной превысит максимальное эксплуатационное значение (к примеру, а > а тах, либо привод выйдет на ограничение, либо самолету не хватит энергии на выполнение маневра и т.п.), то логической переменной ЛУ2_Реал будет присвоено значение «Ложь». Это означает, что полет из точки (Хо^о) в точку (Ж^Г) по заданной траектории нереализуем. Ложность любого из утверждений ЛУ2_Сущ и ЛУ2_реал означает, что полет из точки (Хо^о) в точку (Ж^^ без облета препятствий невозможен. В этом случае анализируется возможность полета из точки (Хо^о) в точку (Ж^^ с облетом препятствий (рис. 3 ).

Логическое утверждение ЛУ3=”Перелет из точки (Хо^о) в точку (Ж^1} возможен с огибанием препятствий” можно представить в виде комбинации 3-х (или более) логических утверждений:

ЛУ3=ЛУ3_Л | ЛУ3_П | ЛУ3_В, где

ЛУ3_Л=”Перелет из точки Хо^о в Ж^Г возможен с облетом препятствия слева”;

ЛУ3_П=”Перелет из точки Хо^о в Ж^Г возможен с облетом препятствия справа”;

ЛУ3_В=”Перелет из точки Хо^о в Ж^Г возможен с облетом препятствия сверху”.

В свою очередь, каждое из этих утверждений включает два логических утверждения:

ЛУ3_1((Хо,Уо) - (Ж,У^)=ЛУ1((Хо,Уо) - (Х1,У1))&ЛУ1((Х1,У1) - (ЖУ^), где Х1,У1 - промежуточная точка.

Таким образом, данное утверждение является совокупностью исходных утверждений (ЛУ1). Логическая база данных имеет структуру типа «дерево», но эта структура динамическая, т.е. при различных исходных данных она будет разной. После того как составлена логическая схема динамической системы, она может быть использована для контроля (мониторинга) полета. Общий подход здесь следующий. В определенные моменты времени контролируется выполнение одного или нескольких логических утверждений, обобщающих состояние динамической системы. В частности, на рис. 2 представлена логическая схема оценки осуществимости перелета из точки (Хо,Уо) в точку (Х,УГ). Результирующим логическим утверждением является «Полет (Хо,Уо) - (Х,УГ) возможен». Для проверки этого обобщающего утверждения проверяется истинность составляющих логических утверждений. В первую очередь проверяется первое логическое утверждение: «Полет (Хо,Уо) - (Х,УГ возможен без огибания препятствий» (рис. 2). В случае если такая траектория существует и реализуема (ресурсы управления и энергетики достаточны и в процессе прогнозирования летной ситуации на математической модели не происходит превышения эксплуатационных ограничений), данное логическое утверждение является истинным и проверка обобщающего логического утверждения прекращается. В противном случае анализируется второе логическое утверждение, т.е. «Полет (Хо,Уо) - (Х,УГ) возможен с огибанием препятствий» (рис. 3 ).

Финальная точка ХШ

от препятствия

Полет (Хо, Уо) - (Х1, VI) возможен

Исходная логическая схема (см. рис.1)

Попет (Хо. Vo) - (X3, V3) возможен

Полет (X1,V1)-(Xf,Vf) возможен

Полет (Хо, Vo) - (Х1 .VI) - (ХГ, УО возможен с огибанием препятствия слева

Полет (Хо. Vo) - (Х2, V2) возможен

Полет (ХЗ. V3) - (Xf. V0 возможен

Попет (Х2, V2) - (Xf, Vf) возможен

Попет (Хо, Vo) - (X2.V2) - (Xf. VI) B03Mcwet с огибанием препятствия сверху

Попет (Хо. Vo) - (X3.V3) - (Xf. VÍ) возможен с огибанием препятствия с

!олет (Хо. Vo) - (Xf, V0 возможен с огибанием препятствия

Рис. 3. Логическая схема оценки реализации полета самолета из начальной точки (Хо,¥о)в конечную точку(Х/,У/) с огибанием препятствий

Анализ реализуемости захода на посадку.

Рассмотрим задачу реализуемости захода на посадку в условиях сложного рельефа местности (см. рис. 4).

В зависимости от координат самолета, высоты полета, углов курса и наклона траектории формируются запретные зоны, т.е. зоны, высота которых будет выше плоскости полета самолета при сохранении текущего полета. Границы этих зон показывают точки возможного столкновения самолета с поверхностью при продолжении текущего полета. Очевидно, что самолет должен избегать попадания в эти зоны.

Рис. 4. Рельеф местности вблизи аэропорта

На рис. 5 показаны траектории выхода на линию глиссады, которые требуют облета препятствий. В данном случае рассматриваются лишь варианты облета слева или справа, т.е. в горизонтальной плоскости.

Рекомендация: Облет справа и посадка

Рис. 5. Варианты захода на посадку с огибанием препятствий. Выбираются варианты действий, при которых параметры полета не превышают эксплуатационные ограничения

Самолет имеет возможность облететь препятствие справа и благополучно выйти на линию глиссады на достаточном расстоянии от ВПП. Углы крена в процессе этого маневра небольшие и составляют 9-13°, что вполне допустимо. Второй вариант (облет слева) требует достаточно больших углов крена (~29°), что ведет к неблагоприятному пространственному положению самолета, а потому отбраковывается. Летчику рекомендуется облет препятствия справа и посадка.

Заключительные замечания

1. Разработаны принципы и создано базовое программное обеспечение для создания интеллектуальной системы решения сложных логических задач мониторинга полета и прогноза развития летной ситуации. Данная система включает математическую модель движения самолета, цифровую карту местности, логическую базу данных, описывающую летную ситуацию, блок формирования заданных траекторий и программное обеспечение, которое позволяет решать прямые и обратные логические задачи.

2. На основе математической модели движения самолета, цифровой карты местности, логической схемы летной ситуации разработана процедура оценки реализуемости захода на посадку с облетом препятствий или без. Данная процедура может быть использована для формирования системы подсказок и рекомендаций экипажу, что позволит значительно расширить интеллектуальные возможности бортовых систем и значительно повысить безопасность полета.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Логическое программирование / Под ред. Агафонова. М:. Мир, 1989.

2. Баженов С.Г., Брагазин Ф.В. Построение диагностической системы оценки

состояния самолета и полетной ситуации». // Искусственный интеллект. № 3.

2003.