Проблемы повышения живучести робототехнических систем космического назначения на основе многоагентных технологий

Бурное развитие робототехники в последние годы привело к широкому внедрению робототехнических систем в производстве, сфере обслуживания, военном деле. В частности, в войсках зарубежных государств уже нашли применение роботы-разведчики, саперы, охранники, а также роботы для обслуживания вооружения и военной техники, для безэкипажного функционирования подвижных средств военной техники. Есть определенный опыт внедрения робототехнических систем и в нашей армии [15].

Особый интерес вызывают проекты в области космической робототехники. Робототехническая система (РТС) космического назначения – это робот (или их совокупность), объединяющий в себе интеллектуальную подсистему управления, подсистему сенсоров, исполнительные органы, подсистему связи и телекоммуникаций.

Основным назначением таких систем является автоматизация работ при функционировании орбитальных станций, космических аппаратов и их группировок в космическом пространстве, а также применение научно-исследовательских комплексов на поверхности планет Солнечной системы [8].

В то же время с учетом высокой дороговизны космических проектов и необходимости длительного автономного функционирования различных объектов космического назначения актуальной становится проблема повышения живучести робототехнических систем космического назначения [14; 16].

Калюжный А.В., Гончаренко В.А., Соколовский А.Н. Проблемы повышения... 169

Принципы обеспечения живучести робототехнических систем

В ГОСТ 34.003-90 под живучестью ( survivability ) понимается свойство автоматизированной системы, характеризуемое способностью выполнять установленный объем функций в условиях воздействия внешней среды и отказов компонентов системы в заданных пределах.

Живучесть системы предполагает ее способность продолжать или восстанавливать выполнение своих функций, возможно в более ограниченном объеме, после повреждений ее отдельных элементов. Проблеме повышения живучести сложных технических систем посвящено множество работ [6; 14; 16]. Так, в смежной области построения компьютерных систем и сетей все шире привлекаются адаптивные и интеллектуальные технологии для обеспечения устойчивости к различного рода деструктивным воздействиям [3; 10; 12].

В робототехнике, изначально использующей интеллектуальные технологии, существуют подобные проблемы. РТС, в отличие от компьютерной системы, помимо информационной, управляющей и коммуникационной подсистем, имеют двигательную и сенсорную подсистемы, что предъявляет дополнительные требования по обеспечению живучести.

В космической робототехнике развиваются все основные типы РТС по способу управления: интерактивные, дистанционные и автономные (автоматические) роботы. Но для автономных космических РТС, среди которых выделяют программные, адаптивные и интеллектуальные, проблема живучести является наиболее актуальной.

В основу построения современных РТС, как и компьютерных систем, должны быть заложены следующие принципы:

• •    унификация функциональных компонентов [2];

• •    реконфигурируемость и возможность создания систем переменной структуры [5; 11; 14];

• •    оптимальное сочетание функций автомата и человека [14];

• •    комбинированное управление системой (как автоматизированное, так и автоматическое) через развитый человеко-машинный интерфейс [1; 15].

Для РТС космического назначения, работающих как в космосе, так и на поверхности планет, важны возможности, обеспечивающие их длительное функционирование в условиях неопределенной или агрессивной среды [4; 7].

Основной постулат теории живучести – это отсутствие в системе единой точки отказа, что предполагает внесение избыточности в РТС на структурном и функциональном уровнях [14]. Такая РТС для обеспечения живучести должна обладать дополнительными свойствами:

• •    интеллектуальность – робот для решения сложных неформализуемых задач должен иметь элементы искусственного интеллекта, основанного на базах знаний и экспертных системах [1];

• •    само- и взаимовосстанавливаемость – «умение» решать проблемы, возникающие в процессе функционирования (самодиагностика, самообслуживание и саморемонт, при групповом применении – взаимодиагностика, взаимообслуживание и взаиморемонт) [10];

• •    многоразовость – в случае отсутствия возможности самовосстановления должна существовать некоторая база и система доставки робота для анализа, обслуживания и ремонта; связь с базой должна осуществляться по зашифрованному каналу [5; 15];

170 в ыпуск 1/2020

• •    гибкость – свободный переход робота от автономного использования к совместной работе с человеком, от узкой специализации к универсальности [1; 5];

• •    габаритная оптимизация – компактность РТС для удобства доставки, с одной стороны, и удобный размер для работы с человеком – с другой [4];

• •    приспособляемость – способность адаптироваться к существующим условиям работы [11], в том числе использовать подручные материалы.

Технология многоагентных систем и групповое поведение роботов

Основными аспектами, существенно влияющими на повышение живучести РТС, являются:

• •    адаптивность энергосберегающих технологий [17];

• •    качество, безопасность и миниатюризация используемой элементной базы и микроконтроллерных схем [8];

• •    функциональная избыточность манипуляторов и систем передвижения [5; 9; 13];

• •    интеллектуальность РТС в части реагирования на нештатные ситуации [1; 15].

Для повышения живучести РТС перспективным является направление создания распределенных робототехнических комплексов.

Одной из перспективных технологий, которая может быть положена в основу управления в распределенных РТС космического назначения, является технология так называемых многоагентных систем [4; 9], возникшая на стыке искусственного интеллекта и телекоммуникационных сетей и основанная на принципах распределенного интеллектуального управления. Робот выступает в роли агента многоагентной РТС. Каждый агент описывается четверкой S_ma = n, E, R, F> , где А_n – множество агентов n типов; E – глобальная телекоммуникационная среда, в которой происходит взаимодействие агентов; R – множество отношений между агентами в коммуникационной среде; F – множество функций (действий), выполняемых агентами.

Многоагентная система может содержать множество однотипных или разнотипных агентов, распределенных в космическом пространстве, локально взаимодействующих между собой и с окружающей средой, которые могут иметь общие и/или различные цели, могут быть написаны на различных языках программирования и работать на различных операционных платформах, но быть совместимыми друг с другом на уровне форматов данных, команд и целеуказаний, а также на уровне технических каналов их передачи [9].

Для управления перспективными РТС космического назначения создается распределенная интеллектуальная система управления [1; 2]. Интеллектуальные системы управления – предельный по сложности класс систем управления, ориентированных на получение, обработку и использование некоторой дополнительной информации, накапливаемой в базе знаний, предназначенные для работы в условиях неопределенности информации о свойствах сложных объектов и среды их функционирования и способные к адаптации и самообучению [7].

В данном контексте в ближайшей перспективе актуальными будут исследования в области группового поведения роботов [5; 13]. В отличие от известных распределенных РТС групповая робототехника предполагает новый подход к координации большого количества роботов и их масштабируемость для решения разных задач, например, с использо-

Калюжный А.В., Гончаренко В.А., Соколовский А.Н. Проблемы повышения... 171

ванием только локальной беспроводной связи между собой. Основными направлениями исследований в области коллективного поведения роботов являются математические решения на основе теории систем, технологии многоагентных систем, имитационное моделирование, алгоритмы роевого интеллекта, эволюционные методы [1; 4; 5; 9; 13; 15] и др.

Алгоритмы роевого интеллекта, используемые для описания коллективного поведения децентрализованной самоорганизующейся системы (например, муравьиные, пчелиные, иммунные и др.), позволяют оптимизировать получаемое решение, несмотря на отсутствие централизованной системы управления [7; 11]. Роевой интеллект представляет собой многоагентную систему, обладающую самоорганизующимся разумным поведением.

В перспективе получат свое развитие многоагентные робототехнические системы [5; 9]. Унификация и стандартизация аппаратных средств и программного обеспечения бортовых систем управления роботами как активных элементов многоагентной системы становится тем важнейшим фактором, который будет определять возможность и эффективность обеспечения их информационно-логического взаимодействия и совместимости. Обеспечение автономности робота (как самостоятельного элемента многоагентной системы, априорно ориентируемого на работу в условиях неопределенности) предполагает наличие интеллектуальной бортовой системы управления [1], имеющей иерархическую структуру и реализующей весь спектр необходимых функций на основе комплексного применения современных технологий обработки знаний [9].

Выводы

Исходя из изложенного, в целях повышения живучести РТС космического назначения представляется необходимым решение проблемы построения интеллектуальных систем распределенного управления коллективным поведением роботов на основе многоагентных технологий [5; 13].