Бортовой тренажер для отработки действий экипажа космической станции в аварийных ситуациях

БРОННИКОВ С.В.

КУЗИН С.А.

РОЖКОВА И.А.

БРОННИКОВ Сергей Васильевич — кандидат технических наук, начальник отделения

ROZHKOVA Irina Alekseevna — Lead engineer-researcher at RSC Energia, e-mail: irina.rozhkova@rsce.

Для обеспечения подготовленности экипажа к действиям при возникновении аварийной ситуации на борту космической станции (КС) [1] необходимо во время длительного полета периодически проводить соответствующие тренировки [2, 3].

Впервые тренировки в процессе полета по выполнению экипажем действий при возникновении аварийной ситуации начали проводиться на борту КС «Салют-6» в 1977 г. Они проводились без использования тренажера идеомоторным методом (мысленное «проигрывание» предстоящей деятельности) с использованием бортовых инструкций и штатного бортового оборудования.

Первый тренажер для проведения тренировки по аварийным ситуациям был применен на орбитальной станции «Мир» [4]. Он был разработан на базе персонального компьютера в виде компьютерной игры и предназначен для тренировки одного космонавта. Тренируемый перемещал на экране визуальную модель космонавта в модели внутреннего объема станции в соответствии с алгоритмом действий по ликвидации аварийной ситуации. В местах возможного выполнения деятельности на модели станции тренируемый должен был «кликнуть» на изображение средства деятельности и «раскрыть» его, а затем, используя виртуальные модели соответствующего оборудования, выполнить требуемые действия: выдать команды, состыковать кабель, закрыть люк и т. п. Инструктор, находившийся в Центре управления полетами (ЦУП), взаимодействовал с экипажем по голосовой линии связи, а также получал данные о ходе тренировки в виде файла, передаваемого с компьютера тренажера в ЦУП по радиоканалу.

В конце 1990-х гг. РКК «Энергия» впервые разработала тренажер по аварийным ситуациям нового типа, основной особенностью которого было то, что в процессе тренировки использовались как виртуальная модель КС, так и реальная КС [5–7]. Второй новой отличительной особенностью тренажера было то, что он обеспечивал тренировку всех членов экипажа. В процессе тренировки экипаж перемещался по реальной станции. В руках у каждого члена экипажа имелся мобильный терминал (карманный компьютер), с помощью которого космонавт взаимодействовал с виртуальной моделью КС, расположенной на бортовом сервере. Мобильные терминалы были подключены к серверу с помощью бортовой беспроводной компьютерной сети.

В 2000-х гг. на Международной космической станции (МКС) по предложению РКК «Энергия» совместно с NASA и другими партнерами МКС была реализована и используется до настоящего времени модифицированная версия этого тренажера, в котором в качестве мобильного терминала космонавта используются планшетные компьютеры, подключенные к локальной сети МКС.

В этой реализации тренажера был расширен его наземный сегмент, в который были включены рабочие места операторов и инструкторов всех ЦУП, участвующих в управлении МКС.

В данной статье, с учетом опыта тренировок экипажей по программе МКС в 2000–2017 гг., приводятся концепция и математическая модель бортового тренажера по аварийным ситуациям следующего поколения.

Бортовой тренажер ( S ), как сложную распределенную информационную систему коллективного пользования, можно представить в следующем виде:

S = {Ц, СТР, У}, где Ц — множество целей и задач тренажера; СТР — состав элементов тренажера и связей между ними; У — условия: требования к тренажеру, внешние и внутренние факторы, влияющие на его создание и функционирование.

Цель тренажера — обеспечение возможности выполнения экипажем учебной (имеющей требуемое соответствие реальной) деятельности по парированию аварийных ситуаций при обеспечении минимальных полных приведенных затрат [8].

Для достижения этой цели тренажер должен иметь следующие функции:

• •    моделирование КС;

• •    обеспечение взаимодействия экипажа, наземного персонала ЦУП, инструкторов и аппаратно-программных средств тренажера;

• •    управление тренировкой;

• •    анализ результатов тренировки;

• •    разработка (корректировка) моделей КС, аварийных процессов;

• •    хранение моделей, результатов тренировок, данных пользователей;

• •    синхронизация действий экипажа, инструкторов и наземных операторов ЦУП, бортовых и наземных моделей.

Для достижения этих целей необходимо решение следующих задач:

• •    разработка динамической модели космической станции;

• •    разработка интерфейсов экипажа, инструктора и наземных операторов ЦУП;

• •    создание рабочих мест экипажа, инструкторов и наземных операторов ЦУП;

• •    объединение всех элементов тренажера с помощью каналов связи;

• •    создание базы данных;

• •    создание инструментальных средств тренажера.

Структура

Структуру тренажера СТР, как человеко-машинную систему, можно представить в следующем виде:

СТР = {П, ТЕХ, С}, где П — персонал; ТЕХ — технические средства; С — множество связей.

Персонал. Персонал тренажера П состоит из тренируемых экипажей Э и наземных пользователей НП: ^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^^™

П = {Э, НП}, где Э = {э _i }, i = 1, n _э, n _э — количество членов экипажа; НП = (П_А, П_И, П_О), где П_А — администраторы тренажера; П_И — инструкторы тренажера; П_О — операторы ЦУП.

Технические средства. Технические средства тренажера ТЕХ можно представить в виде следующего множества:

ТЕХ = {А, ПО, БД}, где А — множество аппаратных средств; ПО — множество программных средств; БД — база данных.

А = {АБ, АН}, где АБ — аппаратные средства бортовой подсистемы тренажера; АН — аппаратные средства наземной подсистемы тренажера.

АБ = {БС, БМТ, ББС, СЗББ}, где БС — бортовой сервер; БМТ — множество бортовых мобильных терминалов экипажа; ББС — бортовая беспроводная сеть; СЗББ — бортовые средства системы связи «Земля–Борт».

Бортовой сервер БС используется для взаимодействия с наземным ведущим сервером НСВ с использованием системы связи «Земля–Борт» СЗБ; моделирования КС; управления бортовой подсистемой тренажера и взаимодействия с мобильными терминалами экипажа БМТ. В кач_–естве мобильного терминала бмт _i ( i = 1, n _э) в настоящее время на МКС используется планшетный компьютер.

Система связи «Земля–Борт» (СЗБ) включает наземные СЗБН, входящие в состав наземного комплекса управления, и бортовые СЗББ, входящие в состав КС, средства:

СЗБ = {СЗББ, СЗБН}.

Наземная подсистема тренажера АН включает в себя один ведущий наземный сервер (НСВ), серверы в каждом ЦУП, наземную сеть на базе Интернет И, внутренние сети ЦУП {лсi}, терминальное оборудование РМ персонала ЦУП:

АН = {НСВ, И, НС, ЛС, РМ, СЗБН}.

В i -ом ЦУП имеется наземный сервер нс _i ∈ НС, используемый для управления средствами тренажера, расположенными в этом ЦУП. Каждый наземный пользователь (оператор, инструктор, администратор) имеет в сост_–аве трена_–жера рабочее место (рмп _ij | i = 1, m ; j = 1… n_i ), где n_i — количество пользователей в i –ом ЦУП.

Программное обеспечение. Программное обеспечение тренажера можно представить в следующем виде:

ПО = {ПОБМТ, ПОБС, ПОНСВ, ПОНС, ПОРМП},

ПОБМТ — ПО мобильного терминала члена экипажа; ПОБС — ПО бортового сервера; ПОНСВ — ПО ведущего наземного сервера; ПОНС — ПО сервера ЦУП; ПОРМП — ПО рабочего места пользователя ЦУП (оператора, инструктора, администратора).

Задачи ПО бортового мобильного терминала космонавта ПОБМТ:

• •    интерфейс космонавта с тренажером;

• •    формирование (корректировка) текущего состояния КС;

• •    формирование форматов отображения состояния КС экипажу.

Задачи ПО бортового сервера ПОБС:

• •    технологический интерфейс космонавта с тренажером;

• •    получение, передача команд экипажа по управлению КА;

• • формирование (корректировка) и хранение

  – текущего состояния КС в памяти;

  – протокола действий экипажа;

  – текущей конфигурации бортовых средств тренажера);

• •    обеспечение взаимодействия бортовой и наземной подсистем тренажера;

• •    управление БД;

• •    обеспечение взаимодействия БС со

связанными с ним элементами тренажера.

Задачи ПО ведущего наземного сервера

^ПО НСВ ^: •

обеспечение взаимодействия борто- вой и наземной подсистем тренажера;

• • формирование (корректировка) и

• хранение

  – текущего состояния КС в памяти;

  – текущей конфигурации тренажера;

  – протокола действий экипажа;

• •    управление БД.

Задачи ПО наземного сервера ЦУП ПОНС:

• •    получение, передача команд инструкторов и операторов каждого ЦУП по управлению КА;

• •    формирование (корректировка) и хранение

• –    текущего состояния КС в памяти;

• –    протокола действий инструкторов и операторов каждого ЦУП;

• –    текущей конфигурации наземных средств тренажера в каждом ЦУП;

• •    формирование форматов отображения для наземных пользователей каждого ЦУП;

• •    управление БД;

• •    инструментальные средства для создания моделей, сценариев, анализа результатов тренировок;

• •    обеспечение взаимодействия НС с НСВ и другими элементами тренажера;

• •    технологический интерфейс космонавта с тренажером.

Задачи ПО рабочих мест наземных пользователей ПОРМП:

• •    интерфейс пользователя с тренажером;

• •    отображение выбранных форматов;

• •    подключение/отключение от тренировки;

• •    выдача команд по управлению КС;

• •    анализ результатов тренировки;

• •    формирование сценария тренировки.

База данных. База данных тренажера может быть представлена следующим множеством:

БД = {И, М, Сц, Н, А, Р}, где И — информация об обучаемых (персональные данные, выполненные работы и т. п.); М — модели КС; Сц — сценарии тренировок; Н — исходные состояния КС; А — модели аварийных ситуаций; Р — результаты тренировок.

Связи между элементами тренажера приведены на рисунке.

Условия. По своему устройству тренажер является сложной автоматизированной системой управления, поэтому он должен отвечать требованиям стандартов АСУ [9]. Тренажер является элементом космического комплекса [1], поэтому он должен создаваться в соответствии с требованиями по созданию, производству и эксплуатации космических комплексов.

При разработке тренажера должны учитываться следующие факторы.

• 1.    Должно быть обеспечено участие в тренировке всех членов экипажа, находящегося в данный момент на КС.

• 2.    При проведении тренировки на реальной КС нельзя выдавать команды и изменять состояние ее систем, так как это нарушит ее нормальное функционирование. Все действия по изменению состояния бортовых систем тренируемые должны выполнять на виртуальной модели КС с помощью персонального мобильного терминала (бмт _i ), имеющегося у каждого участвующего в тренировке члена экипажа.

• 3.    В тренировке должны иметь возможность участвовать наземные операторы ЦУП, выполняющие операции по парированию аварийных ситуаций. При проведении тренировки в ЦУП нельзя выдавать реальные команды и изменять состояние элементов станции, так как это нарушит ее нормальное функционирование. Все действия тренируемые должны выполнять на виртуальных моделях с помощью средств деятельности рабочего места рмп _ij , имеющегося у каждого участвующего в тренировке оператора.

• 4.    Модели КС, используемые в различных подсистемах тренажера (на борту КС, в различных ЦУП на Земле) должны быть синхронизированы.

• 5.    Тренажер должен работать в следующих режимах:

• •    разработка сценария тренировки;

• •    разработка модели КС;

• •    разработка модели аварийной ситуации;

• •    разработка исходного состояния космической станции;

• •    проведение тренировки;

• •    анализ и корректировка содержимого базы данных.

Проведение бортовой тренировки с применением тренажера

Необходимо включить, провести тестирование и привести в состояние готовности все оборудование, участвующее в тренировке.

Сценарий тренировки запускается с терминала персонала ЦУП (рмп _ij ) или с терминала члена экипажа (бпк _i ).

По запуску сценария (сц _i ) в тренажере начинается моделирование состояния КС: вводятся значения параметров бортовых систем, информационной модели, органов управления. На виртуальных моделях КС начинает развиваться аварийная ситуация, соответствующая выбранному сценарию.

(ПОБС)

(ПОНС)

бмт

(поБ;г)

• команды управления КА от всех ЦУП

• команды управления конфигурацией тренажера • изменения текущего состояния ПКА

• команды управления КА от инструкторов и операторов ЦУП

• протокол действий инструкторов и операторов

6mTj (по_БМТ)

рмпп

РМП1„!

Выбранные форматы

PMnmi

РМПт„

• команды управления КА • команды управления конфигурацией тренажера • команды по управлению отображением

• команды управления КА от инструкторов и операторов ЦУП

• протокол действий инструкторов и операторов нс, (ПОНС)

• текущее состояние ПКА

• команды управления КА от экипажа

• команды на подключение/ отключение операторов и инструкторов

• протокол действий экипажа

• команды управления КА • номера форматов, выбранных пользователем • режим тренировки

Форматы состояния ПКА V____________       ,

Выбранные форматы

НСВ

<понсв

• команды управления КА от всех ВПК экипажа

• команды управления конфигурацией тренажера

• протокол действий экипажа

• изменения текущего состояния ПКА

• команды управления КА • команды управления конфигурацией тренажера • команды по управлению

\ отображением е команды управления КА е номера форматов, выбранных пользователем • режим тренировки

Структура тренажера

Примечание. ПКА — пилотируемый космический аппарат. Другие сокращения см. в тексте.

Экипаж (Э) получает информацию о возникновении аварийной ситуации разными способами:

• •    по данным моделируемых параметров;

• •    по сообщению из ЦУП.

Члены экипажа (э _i ) перемещаются по реальной КС в соответствии со своими персональными функциями, указаниями ЦУП и командира экипажа. Прибыв в предписанную рабочую зону, тренируемый производит оценку возможности выполнения предписанных действий на реальном оборудовании: проверку наличия и готовность требуемых бортовых средств деятельности, доступность рабочей зоны. Затем тренируемый выполняет предписанные действия на виртуальной модели КС с помощью своего персонального терминала (бпк _i ). В соответствии с инструкцией, в процессе тренировки экипаж (Э) должен извлечь из мест хранения переносимое оборудование для действий в аварийной ситуации (респираторы, портативные дыхательные аппараты, огнетушители и анализаторы продуктов горения) и перемещаться с ним, не приводя данное оборудование в действие.

Моделирование КС осуществляется с учетом действий пользователей: воспроизводится ответная реакция систем КС, на персональный терминал пользователя (бпк _i ) представляется заданная пользователем информация.

Таким образом, в течение тренировки на тренажере непрерывно имитируется состояние КС с учетом аварийной ситуации, включенной в сценарий тренировки (сц _i ), и с учетом действий пользователей.

Персонал ЦУП получает информацию о моделируемом состоянии КС на своих персональных терминалах (рмп _ij ) и выполняет предписанные ему действия, взаимодействуя с экипажем с помощью штатных средств связи СЗБ. Управляющие действия персонала ЦУП выполняются на персональных терминалах (рмп _ij ), затем поступают на соответствующий НС и передаются в БС. Таким образом, отрабатываются практические навыки ведения связи и координации действий с центрами управления в соответствии со сценарием аварийной ситуации (сц _i ).

Во время тренировки инструкторы осуществляют непрерывный контроль и управление процессом тренировки. Инструкторы находятся в ЦУП и наблюдают за ходом тренировки, используя свои персональные терминалы (рмпij), на которые выводится необходимая для оценки действий экипажа (Э) информация: местонахождение экипажа, время и описание выполненных экипажем действий. Кроме того, интерфейс инструктора имеет дополнительную возможность обмена информацией между инструкторами, находящимися в разных центрах управления.

Использование модификаций тренажера при наземной подготовке экипажей

Тренажер аварийных ситуаций может использоваться в процессе комплексных тренировок совместно с комплексным тренажером КС. Его применение позволяет повысить эффективность и качество решения следующих задач подготовки:

• •    отработка умения четко оценивать изменения параметров КС на основании имитируемых тренажером проявлений аварийной ситуации и умения принимать правильные решения;

• •    отработка навыков ведения связи и координации действий с центрами управления, навыков групповой работы;

• •    освоение конкретных должностных и функциональных обязанностей в экипаже при выполнении действий по парированию аварийной ситуации.

Также тренажер аварийных ситуаций может использоваться в автономном режиме, отдельно от комплексного тренажера КА, на этапах общекосмической подготовки, подготовки в составе группы для проведения занятий в классе.

Для этого тренажер должен дополнительно включать в себя виртуальную 3 D –модель КС и математическую модель систем и оборудования, используемых при ликвидации аварийных ситуаций. Обучаемые, находясь во время тренировки на рабочем месте за столом в учебном классе, имеют возможность, погружаясь в виртуальную среду, перемещаться внутри моделируемого интерьера КС и осуществлять управление бортовыми системами.

Применение тренажера аварийных ситуаций на этих этапах тренировок позволяет повысить эффективность и качество решения следующих задач подготовки:

• •    изучение конструкции, состава и назначения служебных систем, бортового оборудования, задействованных при

возникновении аварийной ситуации, а также приобретение первоначальных навыков их эксплуатации;

• •    приобретение знаний о логике функционирования систем КС в условиях аварийной ситуации;

• •    приобретение знаний об органах управления, контроля и методах управления КС в аварийных ситуациях;

• •    изучение реакции бортовых служебных систем КС на аварийные ситуации;

• •    формирование навыков выполнения бортовых процедур по парированию аварийных ситуаций;

• •    совершенствование обучаемыми концептуальной модели аварийных ситуаций, выработка навыков ориентации в предметном пространстве КС.

Заключение

Новизной тренажера является применение комплекса средств, включающего реальный объект и его математическую модель. Тренажер реализуется на базе локальной компьютерной сети и, при необходимости, глобальной компьютерной сети. Может применяться для отработки действий персонала по ликвидации аварийных ситуаций на сложных объектах, включающих в себя большое количество персонала и технических средств.