CC BY
192
РАЗВИТИЕ СТРУКТУРЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ПОДГОТОВКОЙ И ПУСКОМ РАКЕТ КОСМИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ С ЦЕЛЬЮ АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ УСТРАНЕНИЯ НЕШТАТНЫХ СИТУАЦИЙ
Минаков
Евгений Петрович,
д.т.н., профессор, профессор кафедры управления организационно-техническими системами космического назначения Военно-космической академии имени А.Ф.Можайского, г. Санкт-Петербург, Россия, [email protected]
Тарасов
Анатолий Геннадьевич,
к.т.н., докторант Военно-космической академии имени А.Ф.Можайского, г. Санкт-Петербург, Россия, [email protected]
Боровской Евгений Павлович,
научный сотрудник научно-испытательного центра 1-го государственного испытательного космодрома «Плесецк», г. Мирный, Россия, [email protected]
Ключевые слова:
автоматизированная система управления, нештатная ситуация, безопасность, логико-графическая модель, супервизорное управление, робот.
?
О л л С
Постановка проблемы: активное внедрение автоматизированных систем в процессы управления и, соответственно, сокращение эксплуатирующего персонала, с одной стороны, и принципиальная ограниченность привлечения персонала для устранения нештатных ситуаций с позиций безопасности, с другой стороны, требуют решения задачи автоматизации процесса устранения неисправности для обеспечения необходимого уровня оперативности и безопасности технологических процессов в целях повышения эффективности. Устранение нештатных ситуаций при подготовке ракет космического назначения к пуску на стартовом комплексе представляет экстремальную для человека сферу деятельности, связанную с проведением работ с пожаро- и взрывоопасными веществами. В рамках данной работы обосновывается целесообразность применения робототехнических средств с целью повышения безопасности и оперативности устранения нештатных ситуаций и ликвидации последствий аварий. Обосновываются показатели процесса подготовки ракет космического назначения к пуску, оптимизация которых за счет применения робототехнических средств, позволит повысить эффективность данного процесса. В качестве модели функционирования объекта управления предлагается логико-графическая модель «дерево функционирования» с учетом изменения состояния объекта при воздействии опасных факторов. Сложность разработки подробной модели внешней среды робота в условиях возникновения нештатных ситуаций, характеризуемая существенной неопределенностью, предполагается разрешить применением супервизор-ного управления. Супервизорное управление освобождает человека от непрерывного управления и возлагает на него интеллектуальные функции, а также не требует использования подробной модели внешней среды робота, создание которой является сложной задачей. Новизна подхода состоит в том, что при управлении технологическими процессами концепция «приемлемого» риска реализуется для всех возможных состояний объекта, а именно безопасного, опасного, аварийного. На практике создание адаптивных автоматизированных систем управления сдерживается недостаточной разработанностью методов их синтеза, а также недостатком соответствующих технических средств устранения нештатных режимов функционирования. Практическая значимость: сформулирована общая постановка задачи синтеза робототехнической подсистемы автоматизированной системы подготовки и пуска для автоматизации устранения нештатных ситуаций.
Введение
Развитие теории и практики автоматизированных систем управления (АСУ) связано с количественным и качественным расширением сферы их применения. Анализ сфер применения и выполняемых АСУ функций показал, что данные системы фактически не применяются для устранения нештатных или аварийных режимов функционирования объекта управления, а лишь обеспечивают фиксацию нештатных режимов функционирования средствами контроля и сигнализируют об этом оператору средствами звуковой и световой сигнализации. При этом устранение нештатной ситуации (НшС) обеспечивается силами эксплуатирующего персонала (ЭП) без участия либо с минимальным участием АСУ. Таким образом, возникает противоречие, когда в штатном режиме работы в целях обеспечения безопасности технические средства АСУ контролируют действия оператора, а в случае возникновения НшС более безопасной становится работа ЭП.
Таким образом, в настоящее время актуальной является задача создания адаптивных АСУ сложными техническими системами для автоматизации процесса устранения неисправности с целью обеспечения необходимого уровня оперативности и безопасности технологических процессов подготовки и пуска ракет космического назначения (РКН) [1].
На практике создание адаптивных АСУ сдерживается недостаточной разработанностью методов их синтеза, а также недостатком соответствующих средств устранения нештатных режимов функционирования.
Актуальность данного исследования определяется необходимостью решения следующих задач:
- повышение эффективности функционирования существующих автоматизированных систем управления;
- разработка новых методов синтеза АСУ;
- расширение сферы применения АСУ для случаев, когда объект управления является сложной динамической многопараметрической системой, функционирующей в условиях существенной неопределенности.
Выявление показателей эффективности
процесса подготовки и пуска РКН
В процессе подготовки и пуска (ПП) РКН необходимым требованием является своевременное выполнение операций технологического графика, так как выведение космического аппарата (КА) в заданную точку орбиты возможно при условии пуска РКН с конкретного космодрома в строго определенные интервалы времени (рис.1).
Время подготовки РКН к пуску складывается из времени подготовки РКН по технологическому графику ТТГ и времени восстановления работоспособного состояния систем и агрегатов технологического оборудования и технических систем в случае возникновения неисправности ТВ :
Т = Т + Т
(Ь ± тг 1 1 ю
Рис. 2. Схема выведения КА в заданную точку орбиты
где ТВ - время восстановления работоспособного состояния, ТВ = ТП+ТУ ;
ТП - время поиска места неисправности;
ТУ - время устранения неисправности.
Многочисленные работы в области контроля и диагностики технического состояния систем и агрегатов технологического оборудования и технических систем направлены на уменьшение времени поиска места неисправности, и очень мало внимания уделяется проблеме автоматизации процесса устранения неисправности. Сравнительный анализ действий ЭП и технических средств при устранении неисправности показал, что технические средства имеют ряд преимуществ:
- обладают большим быстродействием;
- характеризуются высокой точностью выполнения операций;
- не подвержены эмоциональным переживаниям (психологическая устойчивость);
- могут выполнять требуемые функции в условиях заражения и загрязнения окружающей среды.
Другой важный показатель процесса подготовки РКН к пуску обоснован человеческими жизнями, которыми испытатели пожертвовали ради освоения космоса во благо человечества. Вопросы обеспечения безопасности процессов ПП РКН рассматривались в работе [2]. Для повышения безопасности процессов ПП РКН необходимо уменьшать вероятность возникновения НшС, за счет повышения надежности оборудования СК, обучения и тренажа личного состава боевых расчетов, исключения условий возникновения НшС, а также повышать вероятность выхода из НшС за счет совершенствования технических средств обнаружения и распознавания НшС, применения технических средств поддержки принятия решения, надежной (безошибочной) реализации решения. Эффективность процесса подготовки РКН к пуску можно представить в виде вероятности РВ3(0 выполнения задачи подготовки РКН за время t < Тф:
Р,М)=КТ кж (0=КГРГ (»К1°Р™«)Р™ (0,
.77? ъТП
ЛЛЛЛЛ/ Н-РЧРИ
И&Р^ РР^РАРГИ
17
где К^Г*1 - вероятность того, что к моменту запуска РКН будет готова к функционированию (применению) и отработает безотказно на активном участке полета; К™ - вероятность того, что к моменту запуска РКН будет готова к функционированию (применению); Рфш- вероятность того, что в процессе применения РКН отработает безотказно на активном участке полета; К™ - вероятность того, что к моменту начала подготовки РКН технологическое оборудование (ТО) будет готово к функционированию (применению) и отработает безотказно в процессе подготовки РКН; К™- вероятность того, что к моменту начала подготовки РКН технологическое оборудование будет готово к функционированию (применению); Рф - вероятность того, что ТО отработает безотказно в процессе подготовки РКН;
Рф" - вероятность выполнения задачи КА при выведении его на заданную орбиту.
В современных условиях возникновение в ходе процесса подготовки РКН к пуску нештатных ситуаций (НшС) приводит в ряде случаев к более чем двукратному превышению фактического Тф времени подготовки РКН над плановыми. Это приводит к переносам сроков пуска РКН и, как следствие, к снижению уровня их эксплуатационно-технической готовности. Для обеспечения функционально-технологической надежности процесса подготовки РКН требуется оперативно парировать возникающие задержки, т.е. оперативно находить управленческие решения, которые позволили бы свести к минимуму отрицательное влияние возмущающих факторов на подготовку РКН.
Логико-графическая модель
функционирования объекта управления
Одним из первых этапов проектирования АСУ традиционно является построение математической модели объекта управления. Однако в случае возникновения НшС это сделать затруднительно, так как для построения модели недостаточно априорной (т.е. доступной до создания АСУ) информации. В необходимости разрешения данного противоречия и заключается основная проблема, возникающая при создании адаптивных АСУ.
В классическом варианте АСУ рассматривается как система, состоящая из двух основных подсистем: управляющей и управляемой, т.е. из субъекта и объекта управления (рис. 2) [3].
В рамках решения задачи автоматизации процесса устранения неисправностей и ликвидации последствий аварий основное внимание следует уделить подсистеме идентификации состояний среды и объекта управления и подсистеме выработки управляющих воздействий.
Задача идентификации заключается в построении математических моделей того или иного типа на основе результатов наблюдений за поведением объектов и исследовании их свойств. Построение математических моделей, в основном, осуществляется двумя способами: аналитическим и на основе эксперимен-
тальных данных, а также путем их комбинаций. Для моделирования НшС и аварийных ситуаций получение экспериментальных данных затруднительно, в связи с чем основным является аналитический метод, который основывается на «расщеплении» системы на более простые подсистемы, свойства которых известны из ранее накопленного опыта, наблюдений за поведением объекта с позиции законов физики, химии, механикии т.д. Для построения модели функционирования объекта управления (ОУ) в нештатных и аварийных ситуациях целесообразно использовать более общие классы моделей, чем аналитические, например, матричные (статистические) и информационные модели, которые относятся к абстрактным моделям.
Рис. 2. Типовая структура АСУ
Подобные модели невозможно применить для непосредственного формирования управления, так как они требуют предварительной конкретизации, которая осуществляется путем учета конкретной информации о фактическом поведении ОУ. Недостаток априорной информации о ОУ возможно компенсировать апостериорной информацией о нем, т.е. окончательный синтез модели ОУ предлагается осуществлять не до начала эксплуатации АСУ, как обычно, а уже непосредственно в процессе ее эксплуатации в адаптивном режиме.
Для определения класса моделей предлагается разрабатывать логико-параметрическую модель «дерево функционирования» сложной технической системы [4], которая позволит повысить достоверность оценок интегральных рисков реализации нештатных ситуаций за счет максимального учета возможных состояний агрегатов и оборудования системы. Новизна данной модели заключается в том, что при управлении технологическими процессами концепция «приемлемого» риска реализуется для всех возможных состояний объекта, а именно безопасного, опасного, аварийного.
Для разработки логико-графической модели «дерево функционирования» необходимо разработать модели, представленные на рис. 3.
На первом этапе разрабатывается модель штатного функционирования, в которой отражаются состояние задействованного оборудования системы в каждом режи-
Модель штатного функционирования Модель возникновения нештатных ситуации
Модель выхода из нештатных ситуаций
Рис. 3. Схема взаимосвязи моделей возникновения нештатных ситуаций и выхода из них
ме работы и условия перехода из одного режима в другой.
На втором этапе разрабатывается логико-параметрическая модель возникновения НшС, в которой отражаются инициирующие события возникновения НшС и параметрические критерии последствий и эскалации НшС.
На третьем этапе разрабатывается модель выхода из НшС, в которой отражаются контролируемые параметры, по которым фиксируется факт возникновения НшС, и защитные меры (блокировки) с целью парирования отказов и предотвращения эскалации опасной ситуации в случае ее возникновения. Защитные меры могут быть реализованы в автоматизированной системе управления технологическими процессами, противоаварийной автоматической защите (ПАЗ) (предохранительные клапаны, мембраны), физических барьерах защиты (обвалование, огнезащитные покрытия, взрывоустойчивое исполнение и т.п.).
На четвертом этапе разрабатывается модель «дерево функционирования», которая объединяет предыдущие модели и отражает свойство живучести системы, которое заключается в возможности сохранять и восстанавливать способность к выполнению основных функций в заданном объеме при изменении структуры системы и (или) алгоритмов и условий ее функционирования вследствие непредусмотренных регламентом штатной работы опасных факторов. В качестве опасных факторов могут выступать отказы элементов системы, в том числе ошибки обслуживающего персонала, входящего в состав системы (изменение свойств системы), а также изменение условий функционирования системы (изменение свойств среды).
Структура АСУ с применением
робототехнических средств
На этапе проектирования возможно максимально учесть изменения свойств системы, однако в отношении изменений свойств среды это сделать не представляется возможным. В связи с этим в подсистеме выработки управляющих воздействий должны быть заложены адаптивные алгоритмы управления.
При проектировании адаптивной АСУ возникает задача выбора определенной абстрактной модели ОУ. К модели предъявляют ряд довольно жестких требований, связанных с тем, что эта модель должна обеспечивать выработку управляющего воздействия в АСУ. Это означает, что данная модель должна обеспечивать решение следующих задач:
- формирование обобщенных образов состояний ОУ на основе обучающей выборки (обучение);
- идентификацию состояния ОУ на основе его выходных параметров (распознавание);
- определение влияния входных параметров на перевод ОУ в различные состояния (обратная задача распознавания);
- прогнозирование поведения ОУ в условиях полного отсутствия управляющих воздействий;
- прогнозирование поведения ОУ при различных вариантах управляющих воздействий.
Анализ существующих систем управления (ручного, автоматического, автоматизированного и роботизированного) показал, что признаки адаптивного управления заложены в интеллектуальных системах управления и системах с применением роботов. Среди особенностей роботов выделяют следующие:
- автономность, т.е. способность выполнять сложные и завершенные действия или производственные операции без непосредственного вмешательства человека;
- адаптивность, т.е. способность к целенаправленному изменению своего поведения под влиянием изменений внешних условий и к обучению в процессе взаимодействия с внешней средой;
- антропоморфизм, т.е. наделение робота физическими (силовыми), функциональными (двигательными) и интеллектуальными способностями.
В дальнейшем под роботом ПП РКН будем понимать автоматическое средство, самостоятельно осуществляющее отдельные операции ПП РКН в соответствии с информацией об окружающей обстановке и способное целенаправленно изменять свое поведение во внешней среде в процессе многократного применения по назначению. Структурно-функциональная схема робота (рис. 4) включает в себя четыре собственные подсистемы: информационно-измерительную (сенсорную), управляющую, исполнительную (двигательную) и коммуникационную (связную), а также ОУ, в котором реализуется технологический или другой процесс, внешняя среда, оказывающая воздействие как на процесс, так и на самого робота в процессе функционирования и смежные системы, с которыми робот вступает во взаимодействия для повышения эффективности выполнения целевых задач.
Таким образом, для решения задачи автоматизации процесса устранения неисправностей структуру АСУ необходимо дополнить робототехнической подсистемой (рис. 5).
Содержательную постановку задачи автоматизации устранения неисправности можно сформулировать следующим образом.
Пусть состояние ОУ, в качестве которого выступают объекты ракетно-космического комплекса (РКК), в момент времени t характеризуется вектором параметров p (t), а состояние окружающей среды в этот же момент времени - вектором параметров: pC[iedbl(t).
Факторы, воздействующие на поведение ОУ, разделим на две группы:
www.h-es.ru
h&esresearch
19
- воздействие окружающей среды в момент времени г, не зависящее от человека:/среды0,0;
- воздействие управляющей АСПП в момент времени fЛСУ0',t).
Состояния ОУ в моменты времени г обозначим 5(/,0, подмножество целевых состояний -
Синтез РТС АСПП в основном сводится к разработке математической модели ОУ, которая должна обеспечить генерацию такого набора управляемых факторов /РТПАСУ(],(), фактическое воздействие которых на ОУ в очередной цикл управления с максимальной возможной вероятностью переведет его в заранее заданное безопасное целевое состояние 1(},г).
Функционирование РТС под управлением АСПП, которая включает в контур управления человека-оператора, предопределяет в качестве предпочтительного супервизорное управление. Вопросы супервизорного управления манипуляционными роботами подробно рассмотрены в работе [5]. Супервизорное управление освобождает человека от непрерывного управления и возлагает на него интеллектуальные функции, которые нереализуемы локальной системой управления автономно. Супервизорное управление не требует использования подробной модели внешней среды робота, создание которой является сложной задачей. Интеллект человека-оператора, наблюдающего рабочую зону робота с помощью системы технического зрения, позволяет ему сформировать план выполнения элементарных действий робота, соответствующий конкретной задаче с учетом всех особенностей внешней среды.
Рис. 4. Структурно-функциональная схема РТС
Рис. 5. Графическое представление модели применения РТС ПП РКН
Заключение
Устранение НшС при подготовке РКН к пуску на стартовом комплексе представляет экстремальную для человека сферу деятельности, связанную с проведением работ с пожаро- и взрывоопасными веществами. Таким образом, назрела необходимость замены человека на технические средства в процессах устранения НшС, в качестве которых предлагается использовать роботы. Структура АСУ с РТС и неопределенность факторов возникновения НшС предопределяют применение супервизорного управления РТС, которое не требует разработки подробной модели внешней среды робота.
Литература
1. Тарасов А.Г. Перспективы создания робототехни-ческих средств и комплексов подготовки и пуска ракет космического назначения // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2014. №6. С. 72-75.
2. Федоров А.В. Обеспечение безопасности процесса функционирования стартового комплекса на основе анализа нештатных ситуаций. СПб: ВКА им. А.Ф.Можайского. 2004. 136 с.
3. Симанков В.С., Луценко Е.В. Адаптивное управление сложными системами на основе теории распознавания образов: Монография (научное издание). Краснодар: Технический университет Кубанского государственного технологического университета. 1999. 318 с.
4. Тарасов А.Г., Дорожко И.В. Логико-параметрический подход к моделированию живучести автоматизированных систем подготовки и пуска ракет космического назначения в условиях возникновения нештатной ситуации // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2015. №3. С. 38-44.
5. Кулаков Ф.М. Супервизорное управление мани-пуляционными роботами. Научные основы робототехники. М.: Наука. 1980. 448 с.
Для цитирования:
Минаков Е.П., Тарасов А.Г., Боровской Е.П. Развитие структуры автоматизированной системы управления подготовкой и пуском ракет космического назначения с целью автоматизации процессов устранения нештатных ситуаций // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2015. Т. 7. № 6. С. 16-21.
THE DEVELOPMENT OF THE STRUCTURE OF AUTOMATED CONTROL SYSTEM FOR PREPARATION AND LAUNCH OF SPACE ROCKETS TO AUTOMATE PROCESSES OF REMOVING EMERGENCY SITUATIONS
Minakov EvgenY Petrovich,
St. Petersburg, Russian, [email protected]
Tarasov Anatoly Gennadevich,
St. Petersburg, Russian, [email protected]
Borovskoi Evgeny Pavlovich,
Mirnyi, Russian, [email protected]
Abstract
Problem: active introduction of automated systems management processes and, consequently, reduce operational personnel, on the one hand, and the fundamental limitations of attracting staff to address emergency situations from the standpoint of security, on the other hand, requires solving the problem of automating the process of troubleshooting to ensure the necessary operability level and safety of production processes in order to increase efficiency. Elimination of emergency situations in the preparation of space rockets to launch at the launch complex is an extreme human activity associated with the work with fire and explosive substances. The article grounds the expediency of the robotic tools utilization to improve the safety and efficiency of emergencies elimination and consequences of accidents liquidation. In this paper indications of the preparing process on space rockets for launch optimization by robotic tools are substantiates, what will improve the efficiency of the process. As a model of the control object functioning is proposed logical-graphic model "tree operation" with the state of the object changes when exposed to hazards. The complexity of developing a detailed external environment robots model in the emergency situations characterized by substantial uncertainty, is expected to allow the use of supervisory control. Supervisory control frees man from the continuous management and holds his intelligence, and does not require a detailed model of the external environment of the robot, the creation of which is a difficult task. The novelty of the approach is that in the process control "acceptable" risk concept occurs for all possible objects states, namely a safe, dangerous and emergency. In practice, creation of adaptive automatic control
systems is constrained by insufficient development of methods for their synthesis, as well as the lack of appropriate technical means to remove emergency modes of operation. Practical significance: a general statement of the problem of synthesis robotic subsystem automated system of preparation and launch for automation to eliminate emergency situations.
Keywords: computer-based system, emergencies, safety, logic-graphic model, supervisory control, robot.
References
1. Tarasov A.G. Prospects of creation of robotic tools and systems training and startup space rockets. H&ES Research. 2014. Vol.6. No. 6. Pp. 72-75. (In Russian).
2. Fedorov A.V. Obespechenie bezopasnosti processa funk-cionirovaniya startovogo kompleksa na osnove analiza neshtatnyh situacij [Safety of process of functioning a starting complex on the basis of the analysis emergency situations]. Saint-Petersburg: Military space Academy named after A.F.Mozhaisky. 2004. 136 p. (In Russian).
3. Simankov V.S., Lutsenko E. V. Adaptivnoe upravlenie slozhnymi sistemami na osnove teorii raspoznavaniya obra-zov: Monografiya (nauchnoe izdanie) [Adaptive control of complex systems based on the theory of pattern recognition. Monograph (scientific publication)]. Krasnodar: Technical University of Kuban state technological University. 1999. 318 p. (In Russian).
4. Tarasov A.G., Doroghko I.V. Logically-parametric approach to survivability simulation of automated systems preparation and launching of space rockets in case of emergency. H&ES Research. 2015. Vol.7. No. 3. Pp. 38-44. (In Russian).
5. Kulakov F.M. Supervizornoe upravlenie manipulyacionny-mi robotami. Nauchnye osnovy robototekhniki [Supervisory control of manipulation robots. Scientific fundamentals of robotics]. Moscow: Nauka. 1980. 448 p. (In Russian).
Information about autors:
Minakov E.P., Ph.D., professor in department of organizational-technical systems for space purposes, Military Space Academy;
Tarasov A.G., Ph.D., doctoral student, Military Space Academy;
Borovskoy E.P., research officer of the research center of the Pleseck cosmodrome.
For citation:
Minakov E.P., Tarasov A.G., Borovskoi E.P. Method of justification the intervals of measuring instruments verification. H&ES Research. 2015. Vol. 7. No. 6. Pp. 16-21. (in Russian).
