Лаборатория №5

Искусственный интеллект и безопасность полетов

1. Формирование плана исследований, конкретизация направлений; обзор литературы и патентные исследования по следующим направлениям:

- Аналитические, расчетные и экспериментальные исследования по разработке высоконадежных интеллектуальных систем ручного и автоматического управления полетом СПС.

- Аналитические и экспериментальные исследования элементов человеко-машинного интерфейса и управляемости СПС на различных режимах полета. Выбор рычагов управления и обоснование их характеристик.

- Разработка и отработка на пилотажном стенде идеологии формирования единого информационно-управляющего поля кабины СПС на основе использования технологий «искусственного интеллекта», технического зрения и дополненной реальности. Исследования в области технологий виртуальной и дополненной реальности для пилотажного стенда СПС.

- Многодисциплинарные исследования по формированию и оптимизации траекторий СПС, адаптированных к требованиям перспективной системы организации воздушного движения (ОрВД) с учетом функциональных ограничений и ограничений по звуковому удару; разработка алгоритмов планирования и коррекции траекторий для вычислительной системы самолетовождения.

- Аналитический обзор современной научно-технической литературы и других материалов в области решений: гибридного отслеживания движений и безмаркерного отслеживания движений человека)

- Интеллектуальное управление полетом СПС, включая анализ особенностей динамических и пилотажных характеристик СПС, разработку системы критериев оценки пилотажных характеристик и явления раскачки СПС, анализ состояния исследований и разработок в области адаптивного и интеллектуального управления полетом летательных аппаратов применительно к специфике управления полетом СПС.

- Активные рычаги управления, анализ различных вариантов и типов для сверхзвукового пассажирского самолета и методов выбора их характеристик.

- Перспективные системы отображения информации СПС, прогнозирующей развитие его движения, включая концепции построения перспективной системы индикации, базирующейся на закономерностях восприятия летчиком визуальной информации, а также моделях его поведения в системе самолет-летчик. Обоснование целесообразности представления прогнозной информации о развитии движения СПС в условиях предвидения его программной траектории.

- Интеллектуальная система мониторинга технического состояния бортового оборудования и систем СПС. Анализ неопределенностей постановок задач мониторинга технического состояния бортового оборудования и систем СПС, вызванных наличием возмущений и ошибок измерений, неидентифицируемостью, нелинейностью и нестационарностью математических моделей контролируемых объектов.

- Интеллектуальная система реконфигурации бортового оборудования и систем СПС. Анализ неопределенностей постановок задач реконфигурации бортового оборудования и систем СПС, вызванных наличием возмущений и ошибок измерений, неидентифицируемостью, нелинейностью и нестационарностью математических моделей контролируемых объектов.

- Интеллектуальная система обеспечения кибербезопасности бортового оборудования и систем СПС. Анализ перспективных внешних сервисов, потенциальных киберугроз, подходов к обеспечению кибербезопасности бортового оборудования и систем информационно-связанных воздушных судов.

- Проведен обзор литературы и патентные исследования по направлениям: "Аналитические, расчетные и экспериментальные исследования по разработке высоконадежных интеллектуальных систем ручного и автоматического управления СПС", сформирован план и детализованы направления дальнейших исследований. В частности, сформирован предварительный набор функций комплексной системы управления (КСУ) сверхзвукового пассажирского самолета (СПС) и обоснованы архитектура и состав информационно-вычислительной части КСУ. Определены ключевые проблемы, связанные с аэроупругими колебаниями конструкции СПС, влияющими на устойчивость, управляемость, ресурс СПС, комфорт пассажиров и экипажа. Выполнен обзор проблем, связанных с построением системы снижения нагрузок, ее интеграцией в КСУ СПС. Определены ключевые проблемы, связанные с особенностями аэродинамики перспективной компоновки СПС, включая нестационарность, запасы путевой и поперечной устойчивости, запасы продольной устойчивости на дозвуковых и сверхзвуковых режимах, аэродинамическое демпфирование, эффективность предлагаемых органов управления. Основными особенностями компоновки сверхзвукового СПС с низким уровнем звукового удара с точки зрения анализа динамики полета и синтеза системы управления являются следующие.

Повышенная «V»-образность крыла, что приводит к очень большой степени поперечной устойчивости самолета. Большая вытянутость носовой части самолета, что приводит к низкой степени путевой устойчивости, большому значению момента инерции Iyy и, соответственно, большому соотношению Iyy/Ixx. Эти особенности приводят к крайне неблагоприятным характеристикам бокового движения, в частности, движения типа «голландский шаг». Кроме того, компоновка СПС имеет большой запас устойчивости на сверхзвуковых режимах, что ведет к большому балансировочному сопротивлению и снижению экономических характеристик, и значительную степень неустойчивости на дозвуковых скоростях, что требует использования систем улучшения устойчивости. Проблемами могут оказаться эффективность органов управления и высокие точностные и динамические требования к исполнительной части КСУ. Для компоновки ожидаются достаточно низкие частоты аэроупругих колебаний конструкции. Требуется обоснование необходимости систем снижения нагрузок на конструкцию и системы повышения комфорта. Система повышения комфорта может потребоваться в том числе и для решения проблемы рассогласования каналов зрительной и акселерационной информации, которое может появиться в «слепой» кабине. Для реализации системы повышения комфорта может потребоваться переднее горизонтальное оперение умеренной площади

- Проведен обзор литературы и патентные исследования по направлениям: "Аналитические и экспериментальные исследования элементов человеко-машинного интерфейса и управляемости СПС на различных режимах полета. Выбор рычагов управления и обоснование их характеристик", сформирован план и детализованы направления дальнейших исследований. Выполнен анализ различных типов рычагов управления, используемых на современных самолетах транспортной категории, их структурное решение и конструктивное исполнение. Оценены перспективы их использования применительно к сверхзвуковому пассажирскому самолету. Выполнен анализ набора функций различных типов рычагов управления, включая ограничение предельных режимов полета. Оценены существующие и перспективные концепции и принципы взаимодействия системы «человек-рычаг управления-самолет». Проведен анализ существующих критериев управляемости самолетов на различных режимах полетов.

Проведен анализ литературы и результатов патентных исследований, касающихся эргономических требований к разным типам рычагов управления, требований к статической и динамической точности систем загрузки, а также обеспечения приемлемых характеристик загрузки.

Определены направления полунатурного моделирования для решения различных задач динамики полета, человеко-машинного интерфейса и траекторного управления СПС. Сформулированы задачи, решаемые на пилотажном стенде, определен набор функций и обоснован технический облик пилотажного стенда СПС.

- Проведен обзор литературы и патентные исследования по направлениям: «Разработка и отработка на пилотажном стенде идеологии формирования единого информационно-управляющего поля кабины СПС на основе использования технологий «искусственного интеллекта», технического зрения и дополненной реальности. Исследования в области технологий виртуальной и дополненной реальности для пилотажного стенда СПС», сформирован план и детализованы направления дальнейших исследований. Выполнен обзор различных подходов к организации информационно-управляющего поля (ИУП) кабины с применением перспективных технологий, включая техническое зрение и дополненную реальность. Определены ключевые проблем создания ИУП в «слепой» кабине и возможные методы их решения. В частности, использование телевизионных камер для формирования изображений внешней обстановки требует решения следующих проблем. Для обеспечения надежности и отказобезопасности системы визуализации необходимо резервирование камер (2-4). При этом режим работы камер (с замещением после отказа или смешением (fusion) изображений с разных камер с использованием специальных алгоритмов) требует дополнительных исследований. Расположение камер и кабины экипажа также требуют детального обоснования, поскольку рассогласование зрительной и акселерационной информации могут быть очень негативно оценены летчиками. Это становится еще более актуальным поскольку для данной компоновки ожидаются достаточно низкие частоты аэроупругих колебаний, что приведет к помехам и быстрым изменениям кадров камер. Это может потребовать использования систем стабилизации камер и разработки алгоритмов этих систем, что еще больше усложнит реализацию системы визуализации.

- Проведен обзор литературы и патентные исследования по направлениям: «Многодисциплинарные исследования по формированию и оптимизации траекторий СПС, адаптированных к требованиям перспективной системы организации воздушного движения (ОрВД) с учетом функциональных ограничений и ограничений по звуковому удару; разработка алгоритмов планирования и коррекции траекторий для вычислительной системы самолетовождения», сформирован план и детализованы направления дальнейших исследований. Определены ключевые проблемы синтеза траекторного управления СПС с учетом ограничений по звуковому удару, выбраны и обоснованы возможные методы их решения. Основными проблемами формирования траекторного управления СПС является необходимость учета возможной фокусировки звуковых волн, ударное воздействие на самолеты, летящие на более низких эшелонах.

- Проведен обзор литературы и патентные исследования, сформирован план и детализованы направления дальнейших исследований. Выявлены основные особенности динамики СПС – неустойчивость по скорости и обращенное управление на посадочных скоростях, неустойчивость на дозвуковых скоростях, взаимосвязь движения крена и рысканья, существенное влияние аэроупругости на пилотажные характеристики СПС, отсутствие визуального контакта с землей на посадке из-за больших посадочных углов атаки;

Сформирована система критериев оценки пилотажных характеристик и явления раскачки летчиком СПС, позволяющая оценить уровни пилотажных характеристик и тенденцию к PIO в терминах обобщенных параметров динамики объекта управления, а также в терминах параметров системы самолет-летчик. Получена система критериев, позволяющая вычислить субъективную оценку летчика. Разработана процедура модификации баз данных, используемых для формирования критериев оценки пилотажных характеристик. Предложена процедура модификации и создания критериев оценки ПХ, позволяющая повысить прогностические возможности критериев.

Проведен обзор литературы и патентные исследования, сформирован план и детализованы направления дальнейших исследований. Проведенный анализ различных вариантов построения адаптивных систем управления показал, что наиболее приемлемым подход, должен базироваться на технологиях машинного обучения, в частности, на сочетании обучения с подкреплением из нейросетевого обучения. Синтезированный с его помощью закон управления является не только адаптивным, обеспечивающим управление движением в условиях неопределенности, но и оптимальным. В дальнейшем планируется интегрировать этот подход с методами нечеткой логики и эволюционных вычислений. Эффективность подхода планируется повысить за счет его интеграции с методами математического моделирования, а также методами робастного управления, управления с использованием скользящих режимов и нелинейного управления с использованием линеаризации обратной связью.

- Проведен обзор литературы и патентные исследования, сформирован план и детализованы направления дальнейших исследований. Проанализированы различные варианты типов рычагов управления, определены функции активного рычага управления. Сформулированы задачи по выбору их характеристик, методы теоретического и экспериментального решения этой задачи.

- Проведен обзор литературы и патентные исследования, сформирован план и детализованы направления дальнейших исследований. Проведен анализ средств отображения полетной информации, показаны созданные в последнее время новые перспективные решения в области измерения и демонстрации летчику параметров движения.

В работе проведены исследования по выявлению закономерностей восприятия летчиком визуальной информации в разных формах ее представления, а также описаны модели его поведения в системе самолет-летчик. Показаны существенные различия в характеристиках управляющих действий летчика и системы самолет-летчик при слежении с предвидением по сравнению с компенсаторным слежением. Показано, что при переходе от компенсаторной системы к системе с предвидением, дисперсия ошибки слежения уменьшается более чем в 2 раза. Также значительно уменьшается (до 3 раз) дисперсия отклонения рычагов управления и происходит увеличение частоты среза разомкнутой системы на 1-2,5 1/сек. Полученные результаты являются основанием дальнейших работ по замене использующихся сегодня компенсатораных дисплеев на дисплеи с предвидением.

На основе выявленных закономерностей и моделей поведения летчика была разработана концепция построения системы отображения информации, охватывающая различные этапы полета и учитывающая особенности динамики СПС на различных этапах полета.

- Представлен обзор актуальных решений в области отслеживания движений человека для дальнейшего переноса в виртуальную среду в реальном времени (трекинг). Описаны оптические, электромеханические, ультразвуковые. магнитные, инерциальные, гибридные (инерциально-позиционные) методы трекинга и методы отслеживания движений глаз. Проведено сравнение различных методов. Показаны преимущества применения гибридной системы трекинга в составе пилотажного стенда СПС. Приведено описание оптического (in-out типа) и гибридного трекинга, перспективных для применения в составе комплекса дополненной реальности, отображающего элементы информационного поля СПС. Из обзора можно сделать вывод об актуальности и соответствии дальнейшего плана работ группы в области гибридного трекинга мировому уровню исследований.

- Разработаны планы исследований, проведены патентные исследования и обзор отечественной и зарубежной литературы по исследуемым направлениям;

- Разработаны классификации неопределенностей постановок задач мониторинга технического состояния и реконфигурации бортового оборудования и систем СПС.

-Сформированы перечни перспективных внешних сервисов, каналов и интерфейсов передачи данных, потенциальных киберугроз СПС;

- Сформулирован системный подход к обеспечению кибербезопасности бортового оборудования информационно-связанных СПС;

- Обоснована актуальность разработки интеллектуальных систем мониторинга технического состояния, реконфигурации и обеспечения кибербезопасности бортового оборудования и систем СПС.

---

Разработка методов и моделирование распространения вредных выбросов в районе аэропортов:
- Разработка макета программного комплекса для расчета процесса распространения загрязнений от летательных аппаратов в зоне аэропортов и прилегающих территорий.

Сформирован банк данных для создания математической модели перспективной компоновки СПС на базе вычислительной аэродинамики, аналитические и расчётные исследования по оценке собственных динамических характеристик.

Концепция управления и набор традиционных и интеллектуальных функций управления, предлагаемый для реализации на КСУ СПС.

---

Аналитические и экспериментальные исследования концепций, функций и элементов человеко-машинного интерфейса, управляемости СПС на различных режимах полета. Выбор рычагов управления и обоснование их характеристик

Определены типовые сценарии, режимы полета и задачи управления для выбора рычагов управления СПС. Определен перечень основных свойств и функций рычагов управления СПС.

Результаты сравнительного анализа использования различных рычагов управления для управления СПС.

---

Разработка и отработка на пилотажном стенде идеологии формирования единого информационно-управляющего поля кабины СПС на основе использования технологий «искусственного интеллекта», технического зрения и дополненной реальности. Исследования в области технологий виртуальной и дополненной реальности для пилотажного стенда СПС.

Сформированы принципы построения информационно управляющего поля (далее - ИУП) кабины СПС, не имеющего внешнего остекления.

Концепция интегрированного ИУП кабины СПС.

---

Многодисциплинарные исследования по формированию и оптимизации траекторий СПС, адаптированных к требованиям перспективной системы организации воздушного движения (ОрВД) с учетом функциональных ограничений и ограничений по звуковому удару; разработка алгоритмов планирования и коррекции траекторий для вычислительной системы самолетовождения.

Разработана математическая модель траекторного движения сверхзвукового ЛА на основании открытых характеристик модели НАСА N-2.Программа расчета распространения звукового луча адаптирована для использования в программе расчета траектории самолёта и траекторий луча.

Концепция интеграции СПС в перспективную структуру воздушного движения с учетом функциональных ограничений и ограничений по уровню звукового удара.

---

Интеллектуальное управление полетом СПС:
- Фундаментальные основы создания алгоритма интеллектуальных систем управления СПС.
- Разработка методов формирования нейросетевых моделей движения СПС. Разработка базовых вариантов алгоритмов адаптивного и интеллектуального управления полетом СПС, устойчивых к отказам оборудования и повреждениям конструкции СПС.
Активные рычаги управления сверхзвуковых самолетов:
- Разработка концепции активного рычага управления СПС и определение его основных функций.
- Обоснование целесообразности использования в качестве управляющего сигнала для системы управления усилий, прикладываемых летчиком к рычагу управления.
Перспективные системы отображения информации СПС, прогнозирующей развитие его движения:
- Разработка модели характеристик управляющих действий летчика при восприятии прогнозной информации.

1. Разработана модель движения ЛА, обеспечивающая получение наборов обучающих и тестовых данных для алгоритмов синтеза законов управления движением СПС. Обеспечен учет воздействия атмосферной турбулентности на движение ЛА, проведены подготовительные работы по учету других видов атмосферных воздействий (сдвиг ветра, микропорывы (microbursts), струйные течения, спутный след от другого ЛА) на движение ЛА.

2. Проведено исследование двух вариантов алгоритмов приближенного динамического программирования с точки зрения их возможностей для решения задач синтеза законов адаптивного оптимального управления движением СПС в условиях неопределенности. Рассмотрен случай продольного возмущенного движения ЛА, проведены подготовительные работы для расширения диапазона исследуемых режимов и условий полета ЛА.

- Разработана общая концепция активного рычага управления, выбраны альтернативные варианты рычагов управления, которые будут детально исследованы на последующих этапах работы;

- Выявление различий в действиях летчика при восприятии им информации о дальнейшем развитии заданной траектории движения

- Разработана математическая модель характеристик управляющих действий летчика для управления с использованием компенсаторной системы отображения информации на этапе посадки в штатных условиях пилотирования.

1. Адаптивные модели динамики полета СПС, требуемые для функционирования интеллектуальных систем управления полетом СПС.
2. Базовые варианты алгоритмов адаптивного и интеллектуального управления полетом СПС, устойчивых к отказам оборудования и повреждениям конструкции СПС.
3. Концепция и функции активного рычага управления СПС.
4. Математическая модель характеристик управляющих действий летчика для различных этапов полета СПС, вариантов систем отображения информации, включая пилотирование с предвидением, в штатных и нештатных условиях эксплуатации и при воздействии внешних возмущений.

---

Анализ проблем совместной работы зрительного и вестибулярного анализатора и определение возможных путей их решения при разработке нового поколения подвижных пилотажных стендов. Анализ возможностей систем дополненной реальности с перспективой применения в критических условиях пилотирования СПС.

Произведён обзор литературных источников по динамической, визуальной и гальванической вестибулярной имитации для задач тренировки лётного состава с целью повышения безопасности полёта на современных и перспективных летательных аппаратах. Обзор включает информацию по видам и классам тренажёрных устройств, систем подвижности и визуализации, современные требования к тренажёрным устройствам, сведения по устройству вестибулярного аппарата. На основе него сформированы предложения по повышению качества динамической и визуальной имитации, в том числе благодаря применению технологии гальванической вестибулярной имитации.

Результаты аналитического обзора современной научно-технической литературы и других материалов в области решений в части:
- технологий 3D-дисплеев;
- методов компенсации ошибок стереоскопического рендеринга;
- совместного использования шлемов виртуальной реальности, вестибуло-гальванической стимуляции (GVS-технологии), динамической имитации на пилотажно-динамических стендах.

---

Научные исследования в части интеллектуальной системы мониторинга технического состояния бортового оборудования и систем СПС:
- разработка концепции универсальной интеллектуальной системы мониторинга технического состояния бортового оборудования и систем СПС, способной решать задачи обнаружения, локализации и прогнозирования возникновения отказов в режиме реального времени в условиях параметрических и непараметрических неопределенностей.

Разработана концепция универсальной интеллектуальной системы мониторинга технического состояния (УИСМТС) бортового оборудования и систем СПС, в том числе:

– разработаны требования верхнего уровня к УИСМТС;

– разработаны подходы к разработке УИСМТС;

– разработаны принципы и логика функционирования УИСМТС;

– сформирован перечень бортового оборудования и систем СПС, взаимодействующих с УИСМТС.

Отличительной особенностью разработанной концепции является способность УИСМТС решать задачи обнаружения, локализации и прогнозирования возникновения и развития отказов в режиме реального времени в условиях параметрических и непараметрических неопределенностей за счет комплексного использования как внутренних, так и внешних систем многоуровневого контроля и диагностирования технического состояния.

- концепция интеллектуальной системы мониторинга технического состояния бортового оборудования и систем СПС.

---

Научные исследования в части интеллектуальной системы реконфигурации бортового оборудования и систем СПС:
- разработка концепции универсальной интеллектуальной системы реконфигурации бортового оборудования и систем СПС, способной решать задачи динамической реконфигурации информационно-измерительных, информационно-вычислительных и информационно-исполнительных подсистем комплекса бортового оборудования в режиме реального времени в условиях параметрических и непараметрических неопределенностей.

Разработана концепция универсальной интеллектуальной системы реконфигурации (УИСР) бортового оборудования и систем СПС, в том числе:

– разработаны требования верхнего уровня к УИСР;

– разработаны подходы к разработке УИСР;

– разработаны принципы и логика функционирования УИСР;

– сформирован перечень информационно-измерительных, информационно-вычислительных и информационно-исполнительных подсистем комплекса бортового оборудования СПС, взаимодействующих с УИСР.

Отличительной особенностью разработанной концепции является способность УИСР решать задачи динамической реконфигурации информационно-измерительных, информационно-вычислительных и информационно-исполнительных подсистем комплекса бортового оборудования в режиме реального времени в условиях параметрических и непараметрических неопределенностей за счет комплексного использования традиционных (модельных, параметрических) и интеллектуальных (безмодельных, непараметрических) подходов к реконфигурации.

- концепция интеллектуальной системы мониторинга технического состояния бортового оборудования и систем СПС. 

---

Научные исследования в части интеллектуальной системы обеспечения кибербезопасности бортового оборудования и систем СПС:
- разработка концепции интеллектуальной системы обеспечения кибербезопасности бортового оборудования и систем СПС, основанной на разделении информационно-вычислительного пространства воздушного судна по уровням доверия на безопасные контролируемые домены с разными уровнями критичности, использовании технологий сервисно-ориентированной архитектуры и распределенных реестров.

Разработана концепция интеллектуальной системы обеспечения кибербезопасности (ИСОК) бортового оборудования и систем СПС, в том числе:

– описаны процессы определения потенциальных киберугроз, идентификации киберуязвимостей, оценки подверженности киберрискам бортового оборудования и систем СПС;

– описаны меры обнаружения и защиты от киберинцидентов бортового оборудования и систем СПС;

– разработаны функциональные требования верхнего уровня к ИСОК бортового оборудования и систем СПС.

Отличительными особенностями разработанной концепции являются разделение информационно-вычислительного пространства воздушного судна по уровням доверия на безопасные контролируемые домены с разными уровнями критичности, использование технологий сервисно-ориентированной архитектуры и распределенных реестров.

- концепция интеллектуальной системы обеспечения кибербезопасности бортового оборудования и систем СПС.

---