close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Popov

код для вставкиСкачать
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
М.Б.Игнатьев, В.П.Попов
КИБЕРФИЗИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
С НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬЮ
Учебное пособие
2018
УДК 004.9
ББК 32.81
И26
Рецензенты:
Профессор кафедры компьютерных систем и программных технологий
Института компьютерных наук и технологий Санкт-Петербургского политехнического
университета Петра Великого, доктор технических наук, профессор В.Ф. Мелехин;
Профессор кафедры информационных систем Санкт-Петербургского
государственного электротехнического университета «ЛЭТИ», академик Российской
академии образования, доктор технических наук, профессор Б.Я. Советов.
Рекомендовано советом института вычислительных систем и программирования
Игнатьев М.Б., Попов В.П.
Киберфизические системы с неопределенностью: учебное пособие / М.Б. Игнатьев,
В.П. Попов. – СПб. 2018. – 201 с. : ил.
ISBN 978-5-8088-0891-1
В пособии рассматриваются киберфизические системы, активное использование этого
термина началось в последнее десятилетие в связи с широкой автоматизацией промышленности
и транспорта. Киберфизические системы состоят из собственно физических систем
(корпус,
двигатели и др.), из информационных систем с датчиками параметров внешней и внутренней
среды и из кибернетических систем принятия решения. Неопределенность в структуре систем
является необходимым для адаптации к изменениям внешней и внутренней среды. В первом
разделе рассматриваются теоретические основы киберфизических систем, во втором разделе
рассматривается множество современных киберфизических систем, а третий раздел посвящен
умным автомобилям и дорогам. Пособие опирается на опыт авторов в области автоматизации и
обобщение мирового опыта. Учебное пособие предназначено для студентов направлений
09.03.01 и 09.04.01 “Информатика и вычислительная техника” и смежных направлений в
курсах “Теория вычислительных процессов”, “Интерфейсы периферийных устройств”,
“Введение в направление” и др. Пособие может быть полезным аспирантам родственных
специальностей.
УДК 004.9
ББК 32.81
ISBN 978-5-8088-0891-1
© Санкт-Петербургский государственный
университет аэрокосмического
приборостроения (ГУАП), 2018
© М.Б.Игнатьев,
© В.П.Попов, 2018
2
Введение
Самым революционным событием ХХ века было появление и развитие электронных
вычислительных машин, что обеспечило как бы второе рождение кибернетики как метанауки
[1,4,105] и обеспечило широкую автоматизацию человеческой деятельности во всех областях.
Вычислительная машина, компьютер, стала самой распространенной машиной в мире и
оказывает большое влияние на формирование нового миропонимания.
Активное использование термина «киберфизические системы» началось в рамках проекта
немецкого правительства Industry 4.0 по компьютеризации промышленности [1,4].
Киберфизические системы относятся к четвёртой промышленной революции. Первая
промышленная революция состоялась благодаря паровому двигателю, резко увеличив
производительность труда в 19 веке, вторая ознаменовалась массовым производством в
начале 20 века за счет использования электроэнергии. Третью революцию можно считать
промежуточной и отнести к ней промышленных роботов и автоматизацию с начала 1970-х,
соответственно четвёртая промышленная революция означает появление полностью
цифровой промышленности, основанной на взаимном проникновении информационных
технологий и промышленности.
Киберфизические системы охватывают целые отрасли и страны с разной скоростью и в
разных направлениях [1, 22, 23, 24, 25].
Отрасли с широкой продуктовой линейкой, такие как автомобильная, продукты питания,
выигрывают от гибкости киберфизических систем и роста производительности. Отрасли,
требующие высокого качества, такие как электроника и фармацевтика, выигрывают от
использования больших данных и аналитики, непрерывного улучшения качества и
функциональности продукции.
Развитые страны, с высокой стоимостью квалифицированного труда, могут воспользоваться
ростом спроса на квалифицированных сотрудников. Развивающиеся страны, с молодежью
имеющей навыки в информационных технологиях и мехатронике, могут перепрыгнуть
несколько технологических этапов и создавать совершенно новые производственные
концепции. В целом, более гибкие, быстрые и эффективные способы получения качественных
товаров по сниженным ценам, приводит к росту экономики, квалифицированных рабочих
мест и в конечном счете изменяет конкурентоспособность компаний и регионов. Главное –
модели физических процессов должны включать в явном виде возможность
информационного управления, например, через произвольные коэффициенты.
Успехи современной науки со времен Ньютона неоспоримы, но чем энергичнее внедряются ее
результаты в виде различных машин и технологий во все сферы жизни, тем явственнее
проступают ее недостатки. Один из главных недостатков заключается в том, что современные
технологии рассчитаны на использование больших количеств энергии и материалов, больших
давлений, напряжений, усилий, температур и т.д., что приводит к загрязнению окружающей
среды, исчерпанию источников энергии и материалов, гибели живой природы – то есть к
тому, что называют экологическим кризисом.
Истоки этих недостатков лежат в самой парадигме современной науки, ее
деятели слишком часто пользовались бритвой Оккама, срезая как бы все лишнее и слишком
упрощая проблемы. В итоге сложилось стремление к «гениальной» простоте, физика
заполнилась формулами из трех букв вроде закона Ома. И если это было простительно в
докомпьютерный век, то с появлением мощных компьютеров, которые буквально входят в
каждый дом, неоправданное упрощение недопустимо, недопустимо пренебрежение тонкими
сущностями. Информатика имеет дело со слабыми сигналами, которые могут управлять
большими процессами. Слабое человеческое слово способно приводить в действие мощные
армии. Информатизация всех отраслей человеческой деятельности – это прежде всего
выявление возможностей управления с помощью слабых сигналов, слабых по мощности,
температуре, напряжению.
Но для того чтобы управлять системами, необходимо иметь новые модели
различных процессов, в сами эти модели должна быть заложена возможность
3
информационного управления. В этом сущность процесса информатизации. Обычно под
информатизацией понимается процесс внедрения новых информационных технологий,
прежде всего компьютерных и телекоммуникационных, в различные сферы социальноэкономической жизни, но этого недостаточно. Люди в основном пользуются формальными
моделями XIX века.
Другой недостаток современной науки, основанной на эксперименте, заключается в том,
что факт признается достоверным, если он воспроизводим. Но в сложных системах
обеспечить повторяемость невозможно, можно утверждать, что повторяющихся явлений в
сложных системах крайне мало, как число похожих людей в обществе, каждый человек
характеризуется своей индивидуальностью. Для познания природы важна не только
воспроизводимая информация, но и невоспроизводимая, ее необозримый массив.
Ниже рассматривается новый класс моделей. Любая отрасль науки опирается на модели
реальных процессов, в одних отраслях науки эти модели более, в других менее
формализованы, но все они используют естественный язык. Естественный язык – это мощная
моделирующая система, созданная усилиями всего человечества, и очень важно разобраться,
как она работает. Из-за особенностей голосовой и слуховой систем человека естественный
язык – это линейная последовательность слов, в которой обозначаются слова, а их смыслы
подразумеваются.
Теория должна помогать решать еще нерешенные задачи, важнейшей из которых
является моделирование плохо формализованных систем. Чтобы превратить различные
научные изыскания в технологию, необходимо осуществить большую работу по
формализации. Вначале человек формулирует свои мысли на естественном языке Ячел,
описывает ситуации и задачи на естественном языке; потом, если удается, строит
математическую модель, формулирует задачи на языке основных соотношений Яос; потом
эти формулировки переводятся на тот или иной язык программирования Япр; потом
разработанная программа реализуется в компьютере на языке конкретной машины Ямаш, и
как результат решение задачи выдается на языке результата Ярез в виде таблиц, графиков,
текстов, анимаций и т.д. Ниже показана вся цепочка преобразований.
Ячел  Яос  Япр  Ямаш  Ярез
Главная проблема – как перейти от описания на естественном языке к описанию на языке
основных соотношений. Для решения этой проблемы предлагается использовать лингвокомбинаторное моделирование плохо формализованных систем, которое базируется на
использовании ключевых слов, основных понятий, сложившихся в предметной области.
Модель состоит из трех групп переменных: характеристик основных понятий, изменения этих
характеристик и структурированной неопределенности в эквивалентных уравнениях, которая
может быть использована для адаптации и управления. В качестве примеров рассматриваются
модели атомов, города, организма, атмосферы и литосферы, которые иллюстрируют основные
положения кибернетики.
1 Теория киберфизических систем
1.1 Неопределенность и лингво-комбинаторное моделирование
Лишь для небольшого числа реальных систем имеются математические модели.
Прежде всего системы описываются с помощью естественного языка. Предлагается [1, 21,
61] способ перехода от описания на естественном языке к математическим уравнениям.
Например, пусть имеется фраза
WORD1 + WORD2 + WORD3
(1.1)
4
В этой фразе мы обозначаем слова и только подразумеваем смысл слов. Смысл в
сложившейся структуре естественного языка не обозначается. Предлагается ввести понятие
смысла в следующей форме:
(WORD1)*(SENSE1) + (WORD2)*(SENSE2) + (WORD3)*(SENSE3) = 0
(1.2 )
Будем обозначать слова как Аi от английского Appearance, а смыслы – как Еi от
английского Essence, звездочка * означает операцию умножения.. Тогда уравнение (1.2)
может быть представлено как
A1*E1 + A2*E2 + A 3*E3 = 0
(1. 3 )
Уравнения (1.2) и (1.3) являются моделями фразы (1.1). Образование этих уравнений,
приравнивание их к нулю есть операция поляризации.
Рассмотрим пример. Если мы имеем математическое уравнение
F(x1, x2, x3 ) = 0,
то можем получить формулу (1.3) посредством дифференцирования этого уравнения,
тогда Аi будут частными производными, а Еi – производными по времени от переменных.
Лингво-комбинаторная модель является алгебраическим кольцом (операторным
кольцом), где используются три операции – сложение, вычитание и умножение в
соответствии с аксиомами алгебры, и мы можем разрешить уравнение (1.3) либо
относительно Аi, либо относительно Еi путем введения третьей группы переменных –
произвольных коэффициентов Us:
A1 = U1*E2 + U2*E3
A2 = - U1*E1 + U3*E3
(1.4)
A3 = - U2*E1 – U3*E2
или
E1 = U1*A2 + U2*A3
E2 = - U1*A1 + U3*A3
(1.5)
E3 = - U2*A1 – U3*A2
где U1, U2, U3 – произвольные коэффициенты, которые можно использовать для
решения различных задач на многоообразии (1.3). Например, если хотим достигнуть
максимум на поверхности F(x1, x2, x3) = 0 по переменной х3, то можем назначить
произвольные коэффициенты U2 = -b*A1, U3 = - b*A2 и тогда получим
dx1/dt = U1*A2 – b*A1*A3
dx2/dt = - U1*A1 – b*A2*A3
(1. 6)
dx3/dt = b*(A1*A1 + A2*A2)
5
и если b > 0, тогда переменная х3 устойчиво стремится к максимуму, а для
манипуляции траекторией остается коэффициент U1. Если уравнения (1.4) или (1.5)
подставить в уравнение (1.3), то оно тождественно обратится в нуль при любых Us .
Впервые неопределенность была конструктивно введена в квантовой механике.
В общем случае, если имеем n переменных и m многообразий, ограничений, то
число произвольных коэффициентов S будет равно числу сочетаний из n по (m+1),
табл. 1.1:
m+1
S=C , n>m
( 1.7 )
n
Это основной закон кибернетики. Число произвольных коэффициентов является
мерой неопределенности и адаптивности. Лингво-комбинаторное моделирование
может опираться на
Таблица 1.1
n /m
1
2
3
4
5
6
7
2
1
3
3
1
4
6
4
1
5
10
10
5
1
6
15
20
15
6
1
7
21
35
35
21
7
1
8
28
56
70
56
28
8
1
9
36
84
126
126
84
36
9
8
1
анализ всего корпуса текстов на естественном языке, это трудоемкая задача по
извлечению смыслов для суперкомпьютеров, его можно также использовать, опираясь
на ключевые слова в конкретной области, что позволяет получать новые модели для
конкретных областей знания. В этом случае лингво-комбинаторное моделирование
заключается в том, что в конкретной предметной области выделяются ключевые слова,
которые объединяются во фразы типа (1.1), на основе которых строятся эквивалентные
системы уравнений с произвольными коэффициентами. В частном случае они могут
быть дифференциальными уравнениями и при их исследовании может быть
использован хорошо разработанный математический аппарат. Лингво-комбинаторное
моделирование включает все комбинации и все варианты решений и является
полезным эвристическим приемом при изучении плохо формализованных систем.
Таблица иллюстрирует сдвинутый треугольник Паскаля, который связан с числами
Фиббоначчи и Золотым сечением.
Рассмотренный лингво-комбинаторный подход является алгебраической теорией
смысла. Лингво-комбинаторное моделирование является развитием квантово6
механического подхода, который был сформулирован в 20-ых годах ХХ века и в
котором неопределенность рассматривается как важнейший аспект. Следующий шаг в
этом направлении был сделан американским профессором Лотфи Заде, который ввел
понятие нечетких множеств и с которым автор неоднократно обсуждал вопросы
лингво-комбинаторного моделирования. Существуют и другие подходы к этой
проблеме, например, логико-математический.
В лингвистической литературе имеется множество трудов, в которых исследуются
понятия смысла и значения, которые были проанализированы Л. Витгенштейном в его
Голубой книге. Использование в качестве модели фразы (1.1) уравнения (1.2)
позволяет построить исчисление смыслов, которое хорошо реализуемо на
компьютерах. По мнению Д. А. Леонтьева, смысл (будь то смысл текстов, фрагментов
мира, образов сознания, душевных явлений или действий) определяется, во-первых,
через более широкий контекст и, во-вторых, через интенцию или энтелехию (целевую
направленность, предназначение или направление движения). В нашем определении
смысла наличествуют эти две характеристики – контекстуальность (смыслы
вычисляются, исходя из контекста) и интенциальность (произвольные коэффициенты
позволяют задавать те или иные устремления).
Интенциальность – фундаментальное свойство человеческого разума.
Интенциальность есть соотнесение ментальных состояний с объектами и ситуациями
внешнего мира – я вижу что-то, я верю во что-то, я ожидаю чего-то, я боюсь чего-то, я
хочу чего-то и т.д. Понятие интенции, намерения, направленности сознания, воли,
чувства на какой-либо предмет было в 19 веке введено немецким философом Ф.
Брентано. Интенциальные состояния можно отличить от неинтенциальных, не
имеющих референтного объекта – я волнуюсь, я устал, я испуган, я счастлив и т.д.
Интенциальность – это свойство сложных систем, которое развивается в процессе
эволюции. Устройство жилищ общественных насекомых является примером
коллективной интенциальной динамики. Например, множество термитов строят
прочные сооружения, достигающие высоту 5 метров и весом 10 тонн.
1.2 Адаптационные возможности сложных систем
В структуре эквивалентных уравнений систем со структурированной
неопределенностью есть произвольные коэффициенты, которые можно использовать
для приспособления системы к различным изменениям, чтобы повысить точность и
надежность функционирования систем, их живучесть в потоке перемен. В качестве
простого примера рассмотрим систему с коррекцией аргумента [21] для генератора, ,
переменные которого удовлетворяют уравнение окружности
(x)2  (y)2  R2
(1.8)
После дифференцирования получим
(x)dx/dt  (y)dy/dt  0
(1.9)
и уравнения произвольными коэффициентами будут иметь вид
dx/dt  U1.y
(1.10a)
dy/dt   U1.x
(1.10b)
Произвольный коэффициент U1может быть использован для коррекции генератора 1,
как показано на рис.1.1, где мы имеем два сервомеханизма и где f1 и f2 – помехи,  x и
 y – ошибки сервомеханизмов. Блок 2 вычисляет сигнал коррекции
 (  ) 2  (  x)2  (  y)2
(1. 11)
7
2
U1
x
f1
x
f2
1
y
y
Рисунок 1.1 - . Система с коррекцией аргумента
ПредПредтавленные на рис. 1.2 осциллограммы 1 – 5 –это результат моделирования системы с
коркоррекцией аргумента в случае одинаковых сервомеханизмов для различных скоростей
в пв пропорции 1:2:3:4:5, где  есть эквивалент U1.
8
Рисунок 1.2 - Результат моделирования системы с коррекцией аргумента в случае
одинаковых сервомеханизмов
На рис.1.3 представлены результаты моделирования системы с коррекцией аргумента
при неодинаковых характеристиках сервомеханизмов и без коррекции.
9
Рисунок 1.3. - Осциллограммы 21 и 23 - результат моделирования системы с
коррекцией аргумента при неодинаковых характеристиках сервомеханизмов,
осциллограммы 20 и 22 - результат моделирования системы без коррекции аргумента.
Таким образом регулируется скорость генерации управляющих сигналов для
сервоприводов чтобы уменьшить ошибку воспроизведения окружности. Система на
рис.1.1. моделирует металлорежущий станок, который в свою очередь может
моделировать движение сталкивающихся литосферных плит по поверхности земного
шара. На рис.1.1. f1 и f2 – помехи, действующие на приводы, в том числе и помехи,
возникающие от столкновения резца с металлом заготовки.
Рисунок 1.4 - Модель среда - система
10
Теперь рассмотрим феномен адаптационного максимума в жизненном цикле сложных
развивающихся систем.
Биологические системы – от живой клетки до многоклеточных организмов –
проходят свой цикл развития от рождения до смерти. Социально-экономические
системы – семья, предприятия, банки, города, села, регионы, страны проходят
сложный путь развития, находясь под воздействием различных внутренних и внешних
факторов. Одни предприятия и банки процветают, другие терпят крах и банкротятся,
одни города и страны процветают, другие переживают стагнацию, о чем
свидетельствует мировая статистика. Все эти системы являются сложными
развивающимися системами и в жизненном цикле этих систем проявляются
закономерности, свойственные многомерным системам.
Важной закономерностью, оказывающей большое влияние на социальноэкономические системы, является феномен наличия адаптационного максимума,
который заключается в следующем.
Установлена ранее неизвестная закономерность наличия адаптационного максимума в
жизненном цикле сложных развивающихся систем, заключающаяся в том, что при
наложении ограничений на систему из n переменных ( n > 6) число произвольных
коэффициентов в структуре эквивалентных уравнений, описывающих поведение
системы, сначала возрастает, достигает максимума, а потом начинает убывать, и
соответственно изменяются адаптационные возможности системы – сначала они
растут, достигают максимума, а потом начинают убывать, и если наложение ограничений
продолжается, то система делается жесткой и погибает в потоке перемен окружающей
среды, откуда вытекает стратегия управления различными сложными системами – они
должны управляться так, чтобы удержать их в зоне адаптационного максимума, если
хотим обеспечить их живучесть в потоке перемен (табл.1.1.).
Уже давно известно, что существуют ритмы в биологических системах.
Например, из результатов переписи населения (табл. 1.2) ясно видно наличие
минимума смертности для людей в возрасте 10-14 лет, при этом следует отметить, что
он сохраняется независимо от социально – экономических условий – и в период 18961897 годов, и в период 1984-1985 годов, но объяснения этому минимуму смертности не
было. Из статистики развития экономики известны циклы
Таблица 1.2
Years/age 1896-
1958-
1969-
1978-
1982-
1984-
1897
1959
1970
1980
1983
1985
0–4
133,0
11,9
6,9
8,1
7,9
7,7
5–9
12,9
1,1
0,7
0,7
0,6
0,6
10 – 14
5,4
0,8
0,6
0,5
0,5
0,5
15 – 19
5,8
1,3
1,0
1,0
1,0
0,9
20 – 24
7,6
1,8
1,6
1,7
1,6
1,5
11
25 – 29
8,2
2,2
2,2
2,3
2,2
2,0
30 – 34
8,7
2,6
2,8
2,9
2,9
2,8
35 – 39
10,3
3,1
3,7
4,3
3,8
3,6
40 – 44
11,8
4,0
4,7
5,4
5,6
5,7
45 – 49
15,7
5,4
6,0
7,8
7,4
7,3
50 – 54
18,5
7,9
8,7
10,3
10,9
11,3
Кондратьева и другие циклические явления в экономике как отдельных предприятий,
так и более крупных экономических образований. В технических системах известны
периоды максимальной надежности и устойчивости систем. Предложенная
математическая модель развивающихся систем (рис.1.5) позволяет говорить о наличии
закономерности адаптационного максимума, которая объясняет многочисленные
факты и позволяет предсказывать поведение сложных систем.
Рисунок 1.5 - Трансформация развивающейся системы, n1<n2<n3,
траектория системы: 1-2-3-4-5-6-…, сплошной линией показаны
эволюционные процессы, пунктирной – креативные процессы.
Система – целостная совокупность элементов, в которой все элементы настолько
тесно связаны между собой, что она выступает по отношению к другим системам и
окружающей среде как нечто единое. На рис.1.4 представлена схема, где система
взаимодействует со средой и использует два механизма адаптации – а - настойка или
самонастройка системы с помощью произвольных коэффициентов в структуре
эквивалентных уравнений системы, - б- обучение или самообучение системы, которая
заключается в наложении новых ограничений на систему. Кроме этих механизмов
адаптации возможны и другие, такие как рост числа переменных системы,
размножение, эффективное забывание, ограничение контактов со средой,
объединение систем в коллектив и др. В общем случае число произвольных
коэффициентов S в структуре эквивалентных уравнений системы определяется как
число сочетаний из n по m+1 и определяется формулой (1.7) (см. таблицу 1.1)
12
Сложная система – это система, в которой проявляется феномен адаптационного
максимума, то есть система с числом переменных больше шести. На рис.1.4
представлена схема взаимодействия вышеописанной системы с окружающей средой,
где переменные системы х1,…,хk взаимодействуют с переменными среды у1,…,уk, а
сигналы рассогласования передаются в блок управления, и у системы есть две
возможности приспособиться к изменениям в среде, это, во-первых, настойка с
помощью манипуляции произвольными коэффициентами, и чем больше этих
коэффициентов, тем выше адаптационные возможности, и, во-вторых, обучение,
наложение новых ограничений на переменные системы. В режиме непрерывного
обучения число произвольных коэффициентов изменяется в соответствии с формулой
(1.7), и это приводит к появлению циклов в развитии систем, что иллюстрируется на
рис.1.5, где цикл развития системы начинается в точке 1, проходит через максимум в
числе произвольных коэффициентов и заканчивается в точке 2, где должна наступить
трансформация, сброс ранее накопленных ограничений, далее начинается в точке 3
новый цикл, опять система проходит через максимум адаптационных возможностей,
достигает точки 4, где опять происходит трансформация, и система начинает новый
цикл в точке 5 и так далее. Сплошной линией на рис. 1.5 показаны адаптационные
процессы, пунктирной – креативные процессы. Алгоритм креативных процессов
заключается в том, что выбираются элементы из набора и они объединяются в
уравнение типа (1.2) или (1.3), разрешая которые мы получаем генерирующую
систему. В точке 2 возможно несколько исходов – либо система продолжит эволюцию,
либо система через креативный процесс перейдет в новое состояние, либо она будет
разрушена. Эта модель позволяет объяснить наличие циклов в развитии сложных
биологических, социально-экономических и технических систем и ситуацию кризисов.
Наличие кризисов (точки 2, 4, 6…) является имманентным свойством сложных систем,
мы можем влиять лишь на глубину кризисов, включая как можно раньше креативные
процессы.
Предложенная модель процессов самоорганизации сложных развивающихся
систем реализует закономерность наличия адаптационного максимума в жизненном
цикле систем в потоке перемен. Жизненный цикл – совокупность фаз развития, пройдя
через которые система достигает зрелости и становится способной эффективно
функционировать и дать начало новому поколению.
Как показывает статистика, существуют циклы в развитии экономики, в частности
- циклы Кондратьева. Учет закономерности наличия адаптационного максимума
позволяет объяснить эти циклы. Надежность сложных человеко-машинных
комплексов достигает своего максимума в зоне адаптационного максимума и
технические системы должны строиться таким образом, чтобы при изменении этих
систем они оставались в зоне адаптационного максима как можно дольше.
Число примеров систем можно было бы увеличивать, но уже ясно, что феномен
адаптационного максимума существует и учет закономерности наличия
адаптационного максимума в жизненном цикле сложных развивающихся систем
позволит лучше понять механизмы их функционирования и значительно улучшить их
характеристики. Для того, чтобы выжить, этносоциум должен находиться в зоне
адаптационного максимума.
Структурная стабильность, совокупность устойчивых связей объекта,
обеспечивающих его целостность и тождественность самому себе, т.е. сохранение
основных свойств при различных внешних и внутренних воздействиях, обеспечивается
адаптационными возможностями. В представленных лингво-комбинаторных моделях
адаптационные возможности систем определяются числом произвольных
коэффициентов в структуре эквивалентных уравнений и наибольшая структурная
стабильность достигается в зоне адаптационного максимума, который обнаруживается
у различных систем с числом переменных больше шести. Для удержания систем в зоне
адаптационного максимума можно использовать различные методы – рост числа
13
переменных, наложение и снятие ограничений, объединение систем в коллективы.
Действительно, если имеем две системы
S1 = Cn1m1+1 S2 = Cn2m2+1
( 1.12 )
то путем наложения общих ограничений mcol получим коллектив
Scol = Cn1+n2m1+m2+mcol+1
(1.13)
При этом в зависимости от конкретных параметров может быть Scol > S1 + S2, когда
объединение в коллектив приводит к росту адаптационных возможностей, а может
быть Scol < S1 + S2, когда адаптационные возможности меньше суммы
адаптационных возможностей исходных систем. Наличие неопределенности в
структуре системы, произвольных коэффициентов, позволяет реализовать различные
механизмы самоорганизации.
Примером коллективных взаимодействий являются муравьи, в сообществе
которых существует четкое выделение рабочих и солдат. Изучение муравьиного
сообщества привело к созданию муравьиных алгоритмов, которые используются при
решении задач коммивояжера и др.
Эффект коллектива необходимо учитывать при организации боевых действий.
Как показывает анализ современных войн в Ираке, Афганистане и Чечне, группы слабо
вооруженных и плохо обученных людей оказываются часто эффективнее хорошо
вооруженных армий. Эти группы используют стайную тактику ведения боевых
действий. Под стаей понимается децентрализованная слабосвязанная организация
боевых единиц, не имеющая четко выраженного командования, но объединенного
общей целью в соответствии с уравнением (1.13).Стайная тактика используется при
массированном применении беспилотных летательных аппаратов.
В настоящее время сложилась методология и контроллинга крупномасштабных
систем (см. Д.В.Реут «Крупномасштабные системы» изд. МГТУ им.Баумана, 2013) и
выделяют различные виды управления – этологическое, традиционное, умное,
изономическое и др., но при любом виде управления будут проявляться эмерджентные
свойства сложных систем, что необходимо учитывать при определении коридора
эволюционных возможностей.
Наличие феномена адаптационного максимума в жизненном цикле различных
сложных развивающихся систем позволяет объяснить эволюцию систем в условиях
изменяющейся среды. Феномен адаптационного максимума является основой
самоорганизации в природе и обществе. Структура неопределенных коэффициентов
задает матрицу картины мира, в рамках которой и разыгрываются различные события.
Произвольные коэффициенты в структуре эквивалентных уравнений могут быть и
волновыми функциями, а различные системы могут рассматриваться как квантовые
макрообъекты. Лингво-комбинаторное моделирование существенно пополняет арсенал
средств моделирования и позволяет сформировать новую картину мира, которая
опирается на все достижения современной науки. Лингво-комбинаторная картина мира
состоит из трех групп переменных, во-первых, это явления (Appearances), во-вторых,
это смыслы (Essences), в-третьих – это структурированная неопределенность (Structural
Uncertainty), из которых состоят все неживые и живые системы. Лингвокомбинаторное моделирование – это математический аппарат постнеклассической
науки. На уровне неклассической науки был введен наблюдатель, на уровне
постнеклассической науки
14
введен управитель. Ниже рассматриваются лингво-комбинаторные модели из
различных отраслей знаний.
1.3 Управление хаосом и неструктурированная
неопределенность
В древнегреческой мифологии хаос – беспредельная изначальная масса, из которой
образовалось впоследствии все существующее. В переносном смысле – беспорядок,
неразбериха. Хаос сегодня в науке принято определять так – это динамическая система,
имеющая следующие характеристики: чувствительность к начальным условиям, свойство
топологического перемешивания, нелинейность, быть глобально устойчивой, но иметь
хотя бы одну неустойчивую точку равновесия колебательного типа, при этом размерность
системы дифференциальных уравнений должна быть не менее трех и т.д. Мы будем
рассматривать интеллектуальные системы, в которых уже выделились отдельные слова
естественного языка, которые могут складываться в тексты различной осмысленности. В
настоящее время для анализа смысла и значения используются логико-математические и
алгебраические модели. Выше было описано лингво-комбинаторное моделирование, в
рамках которого была введена структурированная неопределенность в виде произвольных
коэффициентов в структуре эквивалентных уравнений, которые можно использовать для
приспособления системы к различным изменениям чтобы повысить точность и
надежность функционирования систем, их живучесть в потоке перемен. Хаос часто
связывают с неопределенностью в системах. В лингво-комбинаторных структурах мы
можем регулировать неопределенность в структуре эквивалентных уравнений, накладывая
и снимая ограничения на переменные системы в соответствии с табл. 1.1 также можно
менять неопределенность, управлять хаосом.
Для борьбы с хаосом в вычислительных системах можно использовать метод
избыточных переменных , который позволяет вводить избыточность на уровне
исходной задачи, что открывает возможность наложить дополнительные ограничения
на переменные расширенной системы, которые можно использовать в качестве
контрольных условий. Например, если требуется решить дифференциальные уравнения:
dX
dt
 F2  X ,Y  ,
 F1  X ,Y  , dY
dt
(1.14)
то можно ввести новую, третью переменную в эту задачу
X  ai * xi , Y   bi * xi , i  1,2 ,3 ,
(1.15)
и на расширенную систему наложить дополнительное ограничение, например такое:
F3 x1 , x2 , x3   0 ,
(1.16)
которое можно использовать в качестве контрольного условия — если оно нарушается, то сигнал ошибки можно использовать для коррекции системы [1,2,4].
Схема вычислительного процесса с контролем и коррекцией по методу избыточных
переменных изображена на рис.1.6. В контрольном органе (КО) проверяется выполнение контрольного условия. Сигнал ошибки, полученный на выходе контрольного
органа, может быть использован для коррекции вычислительного процесса с помощью
обратной связи (пунктирная линия I на рис.1.6) или с помощью коррекции вперед
(пунктирная линия II на рис.1.6). В блоке УС — устройство сжатия — осуществляется
15
преобразование от избыточных переменных обратно к исходным. Блок ВУ —
вычислительно устройство.
Рисунок 1.6. - Схема вычислительного процесса с коррекцией
Аналогичным образом можно вводить избыточность в различные системы, накладывать контрольные условия и строить цепи коррекции. Актуальность темы подтверждается необходимостью реализовывать встроенные вычислительные устройства в
различные блоки для программного управления оборудованием высокой ответственности в реальном времени.
При решении дифференциальных уравнений на вычислительных машинах
возможны нарушения, во-первых, в начальных условиях, во-вторых, в правых частях
уравнений, в-третьих, в самом операторе дифференцирования. И если в идеальной
системе должна решаться система уравнений
dyi
dt
 fi  y1 , y2 ,...,yn ,t  ,
yi 0  yi 0 ,
(1.17)
то реально будет решаться система
d~
yi
dt
 fi ~
y1 , ~
y2 ,...,~
yn ,t   Ai ~
y1 ,...,~
yn ,t  ,
(1.18)
~y 0  ~y , i  1,2,...,n .
i
i0
~
~
где Ai y1 ,...,yn ,t
уравнений.

— помехи, действующие на систему дифференциальных
Нарушения в операторе дифференцирования также сводятся к аддитивной добавке аналогичного вида в правых частях реально решаемых систем уравнений.
16
Суть метода избыточных переменных заключается в том, чтобы решать в вычислительном устройстве не исходную систему уравнений, а эквивалентную ей
расширенную систему с неопределенными коэффициентами.
Введение избыточности позволяет не только организовать контроль, но также
управлять вычислительным процессом как на основании априорных данных о помехах,
так и на основании текущего контроля процесса в реальном времени. В качестве
примера рассмотрим гармонический осциллятор.
Воспроизводимая функция в данном случае:
y12  y 22  R 2 ,
(1.19)
Эквивалентная данному уравнению система дифференциальных уравнений будет
иметь вид:
 dy1
 dt  y 2 ,
 dy
 2   y1 .
 dt
(1.20)
Введем в качестве сигнала ошибки новую переменную
y12  y22  R 2  y3 .
(1.21)
После дифференцирования будем иметь
2 y1dy1  2 y2 dy2  dy3  0 .
Эквивалентная система дифференциальных уравнений будет иметь вид:
 dy1
 dt  u1 2 y2  u2 ,

 dy2
 u1 2 y1  u3 ,

dt

 dy3
 dt  u2 2 y1  u3 2 y2 .
(1.22)
Величина y3 подсчитывается в контрольном органе по формуле (1.21), она известна, и ее можно использовать для коррекции, назначив неопределенные коэффициенты u2 и u3 таким образом, чтобы y 3  0 .
Это осуществимо, если положить
u2  y3 2 y1 , u 3  y 3 2 y 2  ,
(1.23)
где   0 .
В системе с коррекцией по воспроизводимой функции будут решаться уравнения:
17
 dy1
 u1 2 y2  y3 2 y1 ,

 dt

 dy2  u1 2 y1  y3 2 y2  ,
 dt

с начальными условиями
F  y10 , y20   0 .
(1.24)
y10 и y20 , при которых воспроизводимая функция
Последнее уравнение системы (1.22) прямо не будет решаться в системе — оно
используется для аналитического синтеза. При подстановке в него (1.23) видно, что
y 3  0 при а>0. С помощью коэффициента u1 задается скорость и направление
движения по заданной траектории F  y1 , y 2   0 .
Для моделирования этой и последующих систем была выбрана библиотека моделирования Simulink, являющаяся частью среды MatLab. Далее приводятся результаты
решения системы дифференциальных уравнений с применением различных численных
методов, с различным шагом дискретизации  (рис.1.7, 1.8). Рассматриваются
возможности применения коррекции по воспроизводимой функции для каждого метода.
а)
б)
Рисунок 1.7 - Графики зависимости y 2 от y1 (метод Эйлера
с шагом дискретизации 0.5) без коррекции (а) и с коррекцией (б)
а)
б)
Рисунок 1.8 - Графики зависимости y 2 от y1 (метод Рунге-Кутты
с шагом дискретизации 0,5) без коррекции (а) и с коррекцией (б)
18
Анализируя данные примеры, можно сделать вывод, что метод избыточных переменных позволяет, не уменьшая шага дискретизации, т.е. не увеличивая времени
решения системы дифференциальных уравнений, при помощи манипулирования
только произвольными коэффициентами значительно снизить величину ошибки, а в
некоторых случаях добиться решения там, где стандартными методами это сделать
невозможно. В качестве другого примера рассмотрим систему дифференциальных
уравнений, моделирующую построение лемнискаты Бернулли, которая имеет другую
особую точку.
Воспроизводимая функция в данном случае:
y
2
1

 y22  2a 2 ( y12  y22 )  0 .
Аналогичным образом можно организовать контроль и коррекцию и в этом случае,
результаты вычислительного эксперимента приведены на рис.1.9 .
а)
б)
Рисунок 1.9 - Графики зависимости y 2 от y1 (метод Эйлера
с шагом дискретизации 0.5, u1  0.01 ) без коррекции (а) и с коррекцией (б).
В качестве примера управления хаосом с использованием произвольных
коэффициентов рассмотрим задачу построения аттрактора на сфере.
Для построения аттрактора на сфере была сгенерирована система
дифференциальных уравнений движения точки по сфере. При этом обязательным
является нахождение точки на сфере (если мы рассматриваем аттрактор
применительно к движению материковых плит – они находятся на поверхности
земного шара). Неопределенные коэффициенты необходимо назначить так, чтобы их
изменения (переназначения) приводили к значительным изменениям переменных, на
которые эти коэффициенты влияют.
Воспроизводимая функция сферы:
x12  x22  x32  R2 .
(1.25)
Количество неопределенных коэффициентов будет равно 3, и система
дифференциальных уравнений будет иметь вид:
19
 dx1
 dt  u1 x2  u 2 x3 ,
 dx
2
 u1 x1  u3 x3 ,

 dt
 dx3  u x  u x ,
2 1
3 2
 dt
(1.26)
x1 (0)  x10 , x2 (0)  x20 , x3 (0)  x30 удовлетворяющими
уравнению (1.25). Тогда можем назначить u1  x2 , u2  x3 , u3  1 тогда x1  max . Через
некоторое время назначаем u1   x1 , u3  x3 , u2  1 тогда x2  max . Через некоторое
время назначаем u2   x1 , u3   x2 , u1  1 тогда x3  max . Далее цикл повторяется,
с начальными условиями
можно организовать попеременное устремление к максимуму каждой из переменных
x1 , x2 ,
x3 , переключая коэффициенты в случайный момент времени (когда время
перехода от одного состояния к другому неизвестно). В качестве среды моделирования
выберем Simulink — часть среды моделирования MatLab. Каждый читатель этой книги
может установить на своем компьютере MatLab и повторить эти эксперименты
(рис.1.10) и поставить новые.
Рисунок1.10 - Модель воспроизведения аттрактора на сфере.
Результаты моделирования представлены рис.1.11 и 1.12.
20
Рисунок 1.11 - Графики зависимости переменных x1 , x2 ,
x3 от времени t .
Рисунок 1.12 - Траектория на поверхности сферы с координатами x1 x2
x3 .
21
Таким образом было показано, как можно управлять хаосом, манипулируя числом
произвольных коэффициентов или назначая их таким образом, чтобы уменьшить
влияние хаоса или организовать аттрактор (см. Игнатьев М.Б., Катермина Т.С.
«Контроль и коррекция вычислительных процессов в реальном времени на основе
метода избыточных переменных»// Нижневартовск, 2014, 188 с.). Метод избыточных
переменных позволяет бороться с хаосом в различных вычислительных средах.
Полученные результаты распространяются на широкий класс систем, так как они
опираются на использование естественного языка – универсальной знаковой системы.
1.4 Структура цифровой вычислительной системы
Во время Второй мировой войны возникла мощная индустрия для производства
электронных ламп – триодов, пентодов и др., которые использовались в системах связи. После
войны эти лампы были использованы для создания электронных вычислительных машин (
ЭВМ), компьютеров, сразу в ряде стран – в США, СССР, Германии, Англии и др. На рис.1.13
изображена структура компьютера первого поколения, которая состоит из процессора,
памяти, системы управления и устройства ввода-вывода для общения с человеком
Структура цифрового компьютера позволяет реализовать неопределенность,
память компьютера может быть и пустой, и заполненной различными программами, которые
могут меняться.
Рисунок 1.13. Компьютер первого поколения
Люди всегда думали о том, как облегчить свой труд и создавали различные механизмы
и машины, которые прошли длинный путь развития от простейших рычагов до нанотехники.
В своих мифах и мечтах люди создали образ помошника, который в ХХ веке принял образ
робота. В настоящее время миллионы роботов трудятся на различных рабочих местах – от
сборки автомобилей до исследования космоса. Основные составные части робота – вопервых, это движители, с помощью которых осуществляется перемещение робота или его
частей, во-вторых, это сенсоры, с помощью которых робот получает информацию из
окружающей среды, в-третьих, это решающие устройства, которые обрабатывают сенсорную
22
информацию, сопоставляют ее с целевой установкой и вырабатывают управляющие сигналы
на движители, чтобы достичь тех или иных целей. Все эти системы имеют аналоги в живых
системах. Применительно к человеку движители – это мышцы и кости скелета, сенсоры – это
кожа, зрение, слух, обоняние и вкус, решающая система – это нервная система человека и
мозг. В настоящее время люди только начинают разбираться в устройстве биологических
систем, еще очень велик разрыв между возможностями биологических систем и техникой,
созданной руками человека. Сформировалось научное направление – бионика, в рамках
которого изучаются биологические структуры и пытаются технически реализовать
выявленные принципы. Развитие нанотехники позволит сократить этот разрыв.
В процессе развития движители прошли путь от простых рычагов, полиcпастов,
через использование мышечной силы животных, через создание различных гидравлических и
пневматических систем, через создание различных электроприводов до нанодвижителей, и эта
эволюция заняла тысячи лет.
В процессе развития сенсорные системы прошли путь от химических структур,
чувствительных ко вкусу и запаху, через развитие тактильных датчиков, через развитие
различных слуховых и зрительных анализаторов до наносенсоров. Наибольшее внимание
далее уделяется развитию информационно-вычислительных систем, потому что этот путь у
нас перед глазами, он был пройден за каких-то пятьдесят лет благодаря усилиям ученых и
инженеров различных специальностей.
Вычислительные машины – это системы со структурированной
неопределенностью. Структурированная неопределенность может иметь разное физическое
воплощение. Имеются примеры реализации вычислительных устройств на пневматических и
гидравлических элементах, на аналоговых и цифровых структурах. Недосягаемым для
современной техники является устройство и функционирование нервной системы живых
существ, слишком плохо мировая наука изучила физико-химические и информационные
процессы в биологических структурах, слишком велик технологический разрыв между
электроникой и биологическими процессами. Так называемый нейрокомпьютинг – это не
более, чем внешняя имитация сложных процессов в нейронных структурах Наибольшее
распространение в настоящее время- конец ХХ и начало ХХ1 века - получили
микроэлектронные системы – от мобильных телефонов до суперкомпьютеров, сложилось
представление о поколениях вычислительной и телекоммуникационной техники. Эволюция
вычислительной техники весьма поучительна для понимания логики развития
информационных систем. В июле 2006г в Петрозаводске проходила международная
конференция по истории вычислительной техники в России и в странах бывшего СССР
(SoRuCom-2006), на которой было заявлено, что безвозвратно утеряны или уничтожены
многие образцы вычислительной техники и их документация, что составляет научное и
культурное наследие России [50-59]. В настоящей работе восстанавливаются некоторые
аспекты истории развития вычислительной техники.
1.4.1 Эволюция элементной базы
Во время Второй мировой войны развивалась радиосвязь и радиолокация, что
привело к развитию производства электронных ламп и в конце сороковых годов ХХ века
сразу в нескольких странах – США, СССР, Великобритании и др.- были построены
электронные вычислительные машины, где в качестве основных элементов использовались
электронные лампы., они составили первое поколение компьютеров и использовались прежде
всего для научно-технических расчетов и обороны. В табл. 1.3 представлена эволюция
элементной базы. В пятидесятые годы появились полупроводниковые элементы, которые
позже были объединены в интегральные схемы. Первый коммерчески доступный
микропроцессор появился в 1971 г. Это был 4-разрядный микропроцессор 14004 фирмы Intel,
23
содержащий на кристалле 2300 транзисторов и работающий с тактовой частотой 0,4 Мгц с
производительностью 60 тыс. операций в секунду. В то время использовалась 10-микронная
технология изготовления микросхем. В 1984г появились 32-разрядные микропроцессоры,
такие как 18386 фирмы Intel, который содержал 275 тыс. транзисторов, работал на частоте 16
Мгц с быстродействием до 5,5 млн. оп. сек. В таких микропроцессорах использовалась
технология, позволяющая доводить расстояние между элементами на микросхеме до 1
микрона. К концу 1998г наиболее производительные микропроцессоры Pentium II фирмы
Intel работали с частотой 450 Мгц, содержали около 7,5 млн.транзисторов на
микросхеме, они изготовлялись по технологии 0,25 микрона. Успехи в физико-химической
очистке кристаллов кремния позволили освоить еще более высокие параметры. За последние
годы удвоение тактовой частоты и числа транзисторов на кристалле происходило примерно за
2, 3 года. Этот показатель называют законом Мура ( мистер Мур- бывший президент
компании Intel). Дальнейшее увеличение количества элементов на кристалле выявило
технологические ограничения – механические и прочностные ограничения на количество
выводов из кристалла, встала задача сокращения потока информации из кристалла и в
кристалл, что оказалось возможным осуществить только на основе построения
самоорганизующихся БИС, когда многие функции реализовывались в рамках только самого
кристалла. Этими функциями стали контроль, диагностика и коррекция вычислительных
процессов внутри кристалла за счет разумно введенной избыточности и возможности
диагностировать неисправные элементы и исключить их из вычислительного процесса без
критического уменьшения быстродействия.
Разрабатываются объемные интегральные схемы, в которых транзисторы размещаются
на параллельных слоях, что облегчает коммуникацию между слоями. В пределе размеры
решающих элементов приблизятся к размерам молекул и атомов, но там уже действуют
другие законы, законы квантовой механики, которые учитываются в нанотехнологиях. В
последние годы ведется интенсивная разработка квантовых вычислительных машин, самое
интересное в этих разработках является возможность реализации особых квантовых явлений,
таких как телепортация.
. Таблица 1.3
К
Р
Е
М
Н
И
Й
Эволюция элементной базы
Факт
Прогноз
Наноструктуры на основе углерода
+
Сверхбольшие интегральные схемы
+
Большие интегральные схемы
+
Интегральные схемы
+
Полупроводниковые элементы
Электронные лампы
+
+
1.4.2 Эволюция уровня знаний
За последние 50 лет мы могли наблюдать непрерывное повышение уровня
интеллекта ЭВМ, которое проявляется в том, что все более сложные процедуры, постановки и
решения интеллектуальных задач передаются от человека машине. Этапы качественного
24
изменения в разделении труда между человеком и ЭВМ совпадают по времени с объявлением
новых поколений ЭВМ. В табл. 1.4 отражена эволюция уровня знаний ЭВМ.
Таблица 1.4
Эволюция уровня знаний
Метазнания
Всеобщие знания
Проблемные знания
Системные знания
Интерфейсные знания
Процедурные знания
Факт
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Прогноз
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
В качестве второго принципа эволюции рассматривается постоянное возрастание
уровня знаний в ЭВМ. Машины 1 поколения обладали процедурными знаниями, располагали
стандартными программами, например, для решения большого числа линейных
алгебраических уравнений. Машины 2 поколения обладали интерфейсными знаниями,
располагали трансляторами. Машины 3 поколения обладали уже и системными знаниями,
различными управляющими программами, из которых выросли операционные системы.
В качестве третьего принципа рассматривается эволюционное развитие
архитектуры ЭВМ, интегрирование достижений предыдущих этапов развития –
преемственность и совместимость, что и обеспечило быстрый прогресс компьютерных
технологий.
В качестве четвертого принципа рассматривается повышение уровня операционной
среды в ЭВМ, что проявляется в развитии механизмов виртуализации программных и
аппаратных средств, введении средств автоматизации контроля и восстановления процессов,
автоматизации планирования и распределения ресурсов и др.
В качестве пятого принципа рассматривается реализация знаний
детерминированной аппаратной логикой. На первых этапах развития вычислительной
техники аппаратное обеспечение было дороже программного, в настоящее время – наоборот,
программное обеспечение дороже аппаратного и поэтому представляется целесообразным
реализация максимального числа функций аппаратным образом.
В качестве шестого принципа рассматривается специализация средств обработки
информации и управления. В принципе цифровые машины универсальны, но затраты памяти
и времени для решения различных задач разные. При специализации вычислительной техники
на решение конкретных задач стоимость и качество решения отличаются в десятки раз и
поэтому предпочитают проблемно ориентировать вычислительную технику для
использования в конкретных областях – в финансовой сфере, в сфере управления самолетами
и т.д. Высший уровень знаний – это метазнания, знания о знаниях, он реализуется в виде
поисковых систем типа GOOGLE.
1.4.3 Эволюция операционной среды
Под интеллектуальной понимается естественная, искусственная или формальная
система , обладающая способностью целесообразного поведения в изменяющейся среде –
выбора и принятия решений, обучения и адаптации, целеполагания и устойчивости. Под
знаниями интеллектуальной системы понимается ее атрибутивная информация, Моделью
25
интеллектуальной системы является операционная среда. Под архитектурой ЭВМ понимается
спецификация операционной среды через определение в терминах пользователя ее состава,
свойств, функций и правил взаимодействия. В табл. 1.5 представлена эволюция операционной
среды. В табл. 1.6 представлена эволюция интерфейса общения.
Таблица 1.5
Эволюция операционной среды
Факт
Прогноз
Искусственный «разум»
+
Интеллектуальная машина
+
Объектная машина
+
Виртуальная машина
+
Реальная машина
Физическая машина
+
+
+
+
+
+
+
Таблица 1.6
Определяющие свойства интерфейса общения
Естественные языки
Прикладные языки
Логические языки
Функциональные языки
Процедурные языки
Машинные языки
Факт
+
+
+
+
+
+
Прогноз
+
+
+
+
+
+
+
+
+
1.4.4 Эволюция устройств ввода-вывода информации
Удельный вес устройств ввода-вывода информации в стоимости
вычислительных систем непрерывно повышается, прогресс в этой области значительно
сложнее, так как непосредственно связан с характеристиками человека как конечного
пользователя. В табл. 1.7 представлена эволюция устройств ввода-вывода.
Таблица 1.7
Определяющие свойства устройтв
ввода-вывода
Виртуальные костюмы
Динамические объекты
Запах и вкус
Речевой ввод
Цифровыедисплеи
Кнопочные панели
Факт
+
+
+
Прогноз
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Кнопочные панели были и являются самыми распространенными устройствами ввода
информации, их размеры определяются размерами человеческих пальцев и удобством
26
пользования. Цифровые дисплеи для вывода визуальной информации развиваются быстро,
растет число пикселей, палитра цветов. Созданы плазменные и жидко-кристаллические
дисплеи. Развиваются системы речевого вывода информации из компьютера с помощью
различных синтезаторов речи, значительно труднее решаются задачи речевого ввода
информации от человека в компьютер, который не обладает таким мощным слуховым
анализатором как у человека. Уже продаются системы генерации запахов и вкуса. Возникли
специальные динамические системы типа кибернетического велосипеда, когда человек
становится органичной частью системы виртуальной реальности. Создаются виртуальные
костюмы для полного погружения человека в виртуальные миры. Разрабатываются системы
информационного зазеркалья, генерирующие всю матрицу окружающей среды. В связи с
развитием вычислительных систем сейчас все машины подключаются к сетям и все эти
машины – автомобили, самолеты, корабли, металлорежущие станки и др. превращаются в
терминалы вычислительных сетей, формируется интернет вещей.
1.4.5 Эволюция средств связи
Параллельно с развитием средств обработки информации развивались системы
передачи информации. В рамках эволюции живых систем самым главным была передача
наследственной информации от родителей к потомкам. В процессе эволюции живые системы
оснащались различными сенсорными системами – тактильными, вкусовыми, анализаторами
запахов, анализаторами зрительных образов, анализаторами слуховых образов. Потом
возникли системы устной и письменной речи, получила распространение система почты. В
середине 19 века возник электрический телеграф, потом радио, потом телефон, потом
телевидение. Вычислительные машины в начальный период своего развития не были
объединены в сети. Системы передачи информации (передачи в пространстве), хранения
информации (передачи во времени) и вычислительные машины развивались как бы
отдельно. Но с семидесятых годов ХХ столетия происходит их объединение, возникли
вычислительные сети, первой из которых была ARPANET, и сетевые технологии получили
большое развитие, сложилась всемирная паутина, и в настоящее время осуществляется
интеграция всех средств передачи информации по формуле
Networking = data + voice + image
Происходит сращивание всех средств связи и передачи информации, в итоге каждый
человек получит в свое распоряжение мощный коммуникатор и получит быстрый доступ ко
всем накопленным знаниям, складывается гибридный человеко-машинный интеллект.
Россия – гигантская по территории страна и ее социально-экономическое
развитие во многом определяется информатизацией на основе новых технологий. В
соответствии с правительственными решениями, каждый населенный пункт с населением
свыше 500 человек должен иметь выход в ИНТЕРНЕТ. Для того, чтобы решить эту большую
задачу, необходимо решить следующие проблемы.
Во-первых, определить поэтапно спектр предоставляемых услуг с перспективой их
развития. Единая сеть должна объединять все органы управления, почты, организации
здравоохранения, образования и культуры и предоставлять населению широкий спектр услуг.
В перспективе каждый житель России от ребенка до пенсионера должен иметь своего
помощника – аватара для получения различных услуг в виртуальных мирах.
27
Во-вторых, ввиду неразвитости инфраструктуры связи возникает проблемы создания
такой инфраструктуры, которая поначалу могла бы объединить все районные центры России,
с использованием всех проводных и беспроводных средств связи, оптоволоконных линий и
систем с привязными аэростатами.
В-третьих, необходима разработка трехслойного ИНТЕРНЕТа, где первый слой – это
системы проводной связи, наземные системы, второй слой – это системы на основе привязных
аэростатов и свободно летающих дирижаблей, третий слой – это системы на основе
использования спутников. Трехслойный ИНТЕРНЕТ имеет повышенную надежность,
мобильность и высокую пропускную способность.
В четвертых, возникает проблема концентрации финансовых ресурсов для решения
этой задачи, с привлечением как местных и федеральных ресурсов, так и ресурсов частных
фирм.
В-пятых, решение проблемы информатизации регионов России – это задача
комплексного системного анализа территорий и ресурсов. В качестве примеров
рассматриваются задачи информатизации Ленинградской области и Санкт-Петербурга.
Помимо традиционных направлений работ коммуникационной отрасли одной из задач
при построении национальных систем связи является создание транспортной среды,
позволяющей осуществлять передачу первичных и тематически обработанных в реальном
масштабе времени к различным центрам генерации и анализа комплексной информации и
принятия решений.
Специалистами группы компаний "Евразия Телеком" совместно с ведущими научными
специалистами был проведен цикл исследований, имевших целью выработку рекомендаций
по оптимизации структуры широкополосной транспортной сети при использовании ее в
качестве коммуникационной основы для различных распределенных систем национального
масштаба.
1.4.6 Эволюция защиты информации
Системы отделяются друг от друга и от окружающей среды с помощью границ. В
биологических структурах клетки отделяются с помощью мембран, а кожа отделяет один
организм от другого. Системы обработки и передачи информации отделяются с помощью
структур защиты информации, которые непрерывно развиваются. При этом развитие
современных открытых сетей передачи информации (сетей общего пользования) привело к
появлению разнообразных задач, ранее в криптографии не рассматривавшихся.
1.5 Принцип обратной связи
Обратная связь – одно из основных понятий, характеризующих функционирование и
развитие систем. Если прямая связь есть передача управляющих сигналов от центрального
блока (в частности мозга) к исполнительным органам системы, то обратная связь – передача в
центральный блок информации о результатах управления. Прямая и обратная связь образуют
замкнутый контур циркуляции информации в системе, представляя собой механизм
устранения рассогласования между целью (или аналогом цели) и результатом управления.
Обратная связь обеспечивает как стабилизацию параметров управляемого объекта (например,
поддержание постоянства температуры, давления и состава крови в живом организме), так и
генерацию различных сигналов в случае положительной обратной связи. Механизмы
обратной связи подробно изучаются в курсах по автоматическому регулированию и
управлению и получили новое развитие в трудах С.В.Емельянова. Рекурсивные
28
вычислительные структуры реализуют принцип обратной связи на новом уровне,
формируются метациклические виртуальные машины.
В наши дни видеокамера – обычное устройство, она воспроизводит на телевизионном
экране образ той сцены, на которую она обращена. Но что происходит, если видеокамера
смотрит на свой собственный экран? Эта ситуация похожа на парадокс Эпименида («Это
утверждение – ложь») и другие знаменитые парадоксы, ссылающиеся на самих себя. Когда
видеокамера смотрит на себя, система сходит с ума, в чем легко убедиться в эксперименте.
Чаще всего картинки стремятся к спонтанной упорядоченности и структурированности и
превращаются в колеса на оси, спирали, лабиринты, волны и полоски. Иногда эти формы
приобретают устойчивость и сохраняются, иногда они ритмично вибрируют и т.д.
Видеосистема, наблюдающая самою себя – пример самоорганизации. Возможны различные
усложнения этого опыта, например, видеокамерой можно управлять с помощью музыки,
тогда генерируемые изображения будут по разному отражать структуру каждого
музыкального произведения.
Дальнейшее развитие этой системы – кибернетический велосипед,
который представляет собой человеко-машинную систему. Обычный велосипед закрепляется
в стойке, на велосипеде сидит человек, который крутит педали и руль. Перед человеком
установлен экран, на котором изображена дорога, по которой он едет. Снимаются сигналы с
поворота руля и педалей, эти сигналы передаются в компьютер, который управляет
мультимедийным проектором. В этой системе роль видеокамеры выполняют глаза человека и
в зависимости от ситуации на дороге человек крутит руль и педали, таким образом
реализуется обратная связь. У человека возникает иллюзия, что он едет по реальной дороге,
объезжая препятствия.
1.5.1 Кибернетический велосипед
В настоящее время для решения различных задач в образовании, здравоохранении, науке,
культуре, спорте, фитнесе и др. наметилась тенденция применения технологии виртуальных
миров (ВМ), обеспечивающей погружение человека в определенную среду и взаимодействие
с объектами этой среды с использованием различных его характеристик - физических,
сенсомоторных и др. При этом одной из проблем эксплуатации подобных сред является
противоречие между требованием высокой степени погружения и уровня интерактивности
человека с ВМ и стандартными устройствами ввода-вывода вычислительных систем, которые
не могут это обеспечить.
В качестве одного из решений указанной проблемы для доступа к ВМ предлагается
устройство «Кибернетический велосипед», которое представляет собой программноаппаратный комплекс, позволяющий велосипедисту перемещаться в виртуальном мире и
взаимодействовать с его объектами, в т.ч. на основе биологической обратной связи.
Велосипед как интерфейс функционально интуитивен и дает возможность простого
управления перемещением в терминах скорости и маневренности, что дает пользователю
полную физическую и визуальную экспозицию ВМ, а также требует от пользователя
реальных телесных и когнитивных усилий, порождающих различные ощущения как
соединение его физического и виртуального опыта.
В России в этом направлении ведутся фундаментальные и экспериментальные работы в
ГУАП, первые результаты которых вошли в комплекс инновационных разработок
«Образовательные виртуальные миры Петербурга», удостоенные премии Президента РФ в
области образования в 2005 г. (Указ Президента РФ В.В.Путина от 25.01.2005 №79).
К настоящему времени разработаны экспериментальные образцы кибервело (см. табл.
1.9 , колонка «образцы текущие» и рис. 1.14 – 1.19), апробация которых выявила наиболее
актуальные областям применения:
 Образование (дошкольное, дополнительное, школьное, среднее и высшее) - активное
освоение различных дисциплин (география, биология, физика, физкультура, информатика и
др.), правил дорожного движения, сочетание обучения с оздоровлением.
 Научные исследования человеко-машинных интерфейсов - сенсомоторных и нейро.
29
 Здравоохранение – реабилитация, лечение зависимостей (наркотики, алкоголь и др.).
 Спорт, фитнес, велнес - индивидуальный и групповой тренаж, релаксация, виртуальные
соревнования.
 Культура и искусство - электронный туризм, различные инсталляции и т.п.
 Развлечения – индивидуальные и коллективные игры и соревнования.
Для улучшения функциональных и потребительских характеристик кибервело (см.
табл. 1.9, колонка «образец планируемый») необходима научно-исследовательская и опытноконструкторская работа, в результате которой будут разработаны и апробированы в
различных областях 10 экспериментальных образцов с продвинутой функциональностью,
превосходящей зарубежные аналоги, что позволит в дальнейшем коммерциализировать эти
результаты Вклад ГУАП – результаты интеллектуальной деятельности с 2001 года.
Таблица 1.9
№
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
2
2.1
2.2
2.3
Состав
Аппаратные средства
Велосипед
Конструкция
 станина – подвесная/роликовая
 датчик поворота руля
 датчик оборотов колеса
 имитатор нагрузок
 мотор-колесо
 накопитель электроэнергии
Модуль сбора, передачи данных и управления
нагрузкой по стандартным протоколам
Управляющий компьютер
настольный/ноутбук/планшет/смартфон
Устройства ввода-вывода
 экраны устройств/проекционные/ТВ
 шлемы виртуальной и дополненной
реальности, в т.ч. на базе смартфона
 аудиосистема
 управление касаниями, жестами и голосом
 управление с учетом биологической
обратной связи (пульс, давление, нейро)
Сервер MultiUser
Стерео визуализация
Программные средства
Платформы – windows/android/iOS
Велобраузер
Библиотеки интерактивных 3D моделей,
включая
 велосипеды с персонажами
 трассы с окружающей средой
(город, пересеченная местность)
 интеллектуальные автономные
Опытные образцы
текущие
планируемые
2 образца
10 образцов
дорожный
любой
+/+
+
+
+
-
+/+ *)
+ *)
+ *)
+ *)
+
+
USB
Bluetooth,
WiFi
+/-/-/-
+/+/+/+
+/+/+
+
-
+/+/+
+
+
+
+
-
+
+
+/-/+
+/+/+
+ *)
1
1
не менее 5
не менее 2
-
не менее 1
30
2.4
2.5
2.6
2.7
велосипедисты
Модуль для организации
многопользовательского режима с поддержкой
текстовой, голосовой и невербальной
коммуникации
Редактор моделей трасс (пользовательский)
Модуль работы с on- и off-line приложениями,
соответствующими принятым форматам
(например, SecondLife, WebGL и др.)
Модуль сбора и отображения данных заездов
-
+
-
+
+
-
+
*) – на современной аппаратной и программной базе.
Рисунок1.16 – Вид с пользователем
Рисунок1.14 – Подвесная конструкция
Рисунок1.15 – Роликовая конструкция
Рисунок1.16 – Вид с пользователем
31
Рисунок 1.17. - На велодроме
Рисунок 1.18 - Многопользовательский режим
32
Рисунок 1.19 - Кибервело как система с биологической обратной связью.
Как показывают маркетинговые исследования, каждая школа будет иметь класс
кибернетических велосипедов. ( см. -М.Б.Игнатьев, А.А. Никитин, А.В. Никитин,
Н.Н.Решетникова, М.Б.Сергеев. Кибервело – Динамическая система для погружения в
киберпространство и виртуальных путешествий. – V Международная выставка ДИАЛОГИ,
Биеннале, июль-август 2001, ЦВЗ «Манеж», Комитет по культуре Администрации СПб., СПб.,
2001, С.5.)
1.6 Самоорганизация и внешнее управление
Когда говорят о кибернетике как предтече современной теории самоорганизации
сложных систем, обычно упоминают имена Н.Винера и У.Росс Эшби. Большой вклад в
развитие кибернетики и ее эпистемологических следствий внес немецкий ученый Хайнц фон
Ферстер. Под его влиянием чилийский ученый Франсиско Варела разработал теорию
автопоэзиса. С точки зрения экспериментальной эпистемологии У.Мак-Каллоха, кибернетика
представляет собой, по сути, теорию познания. Х.фон Ферстер развил свою оригинальную
теорию познания, которую сегодня называют конструктивизмом.
Фундаментальной идеей кибернетического мышления является идея цикличности,
самоотнесенности, обратной связи. Ключевым словом в трудах Х.фон Ферстера является
немецкое слово “Eigen”, соответствующее английскому “self” или русскому «собственный»,
«само», «Я» ( eigenbehavior, eigenelement, eigenfunction, eigenprocess, eigenvalue). Ни одна
система не могла бы выжить без способности поддерживать и воспроизводить свое
собственное поведение и свою собственную организацию. В самоорганизации всегда есть
элемент цикличности, это, по сути, организация организации. Сознание сознания есть
самосознание, а понимание понимания есть самопонимание. Кстати, русский писатель
Ф.М.Достоевский внес большой вклад в развитие этих понятий.
33
Окружающий мир в том виде, в котором мы его воспринимаем, является нашим
изобретением. Мозг является конструктором карт и моделей и все наши теории и объяснения
являются конструкциями. Нам надлежит принять ответственность за те миры, которые мы
конструируем. Кибернетика первого порядка отличается от кибернетики второго порядка тем,
что когда первая изучает наблюдаемые миры, вторая изучает наблюдающие системы.
Кибернетика первого порядка разделяет объект и субъект, она указывает на предполагаемый
независимый мир «там, вне нас». Кибернетика второго порядка сама является циклической –
человек научается понимать себя частью того мира, который он намеревается наблюдать. Вся
ситуация описания сдвигается в другую область, в которой человек вынужден принять на себя
ответственность за свои собственные наблюдения. Согласно Х.фон Ферстеру, мы не
отражаем, а изобретаем, конструируем мир, строим виртуальный мир. Поскольку мир есть
наше изобретение, то каждый из нас когнитивно одинок. Каждый осваивает, инактивирует
для себя свой собственный мир, конструирует свою реальность. Цель познания – это сам
процесс познания. Правы буддисты, которые говорят, что ты прокладываешь свой путь при
движении по нему, ибо путь не есть нечто вечное и заранее заданное, путь возникает в момент
движения.
Облик когнитивной науки сегодня – это так называемая телесная когнитивная наука
(embodied cognitive science), значительный вклад в разработку концептуальных основ которой
внес Ф.Варела. В когнитивной науке сейчас происходит концептуальный поворот от
вычислительной к динамической стратегии, основы которой были заложены еще в
шестидесятые годы . Динамическая стратегия базируется на семи принципах –
1. ознание инкарнировано (соgnition is embodied) , познание телесно, воплощено,
детерминировано телесной облеченностью человека, мезокосмически обусловлено
способностями человеческого тела видеть, слышать, ощущать. То, что познается и как
познается, зависит от строения тела и его конкретных функциональных особенностей,
способностей восприятия и движения в пространстве и во времени. Устроено по-разному –
значит познается мир по- разному. Ум живет в теле, а тело живет в мире, а телесное существо
действует, охотится за чем-либо, воспроизводит себя, мечтает, воображает. «Тело живет в
мире как сердце в организме», «тело-это наш способ обладания миром» (М.Мерло-Понти),
тело и мир образуют единую систему.
2.
Познание ситуационно. Когнитивная система встроена, укоренена как
внутренне – в обеспечивающем ее деятельность материальном нейронном субстрате, так и
внешне – включена во внешнее ситуативное физическое и социокультурное окружение.
Каждый живой организм раскраивает «мир» по-своему. Он выбирает, черпает из огромного
резервуара возможностей мира то, что отвечает его способностям познания. В процессе
формирования собственной идентичности живой организм как существо когнитивное
вырезает из окружающей реальности контур своей среды. По словам Мерло-Понти,
воспринимаемый мир – это совокупность дорог, по которым движется мое тело. Плоть мира –
это кладезь возможностей, а познающее тело-разум пробуждает из забытья, выводит на
поверхность из бездны кишащих возможностей в данном конкретном акте познания лишь
одну из них, лишь что-либо из того, что присуще миру и одновременно отвечает его
познавательным устремлениям, его исследовательским намерениям, его жизненным
потребностям.
3.
Познание инактивировано (cognition is enacted) – познание осуществляется в
действии и через действие, через действия, двигательную активность формируются и
когнитивные способности. Познавательная активность в мире создает и саму окружающую
среду по отношению к когнитивному агенту среду – в смысле отбора, вырезания когнитивным
агентом из мира именно и только того, что соответствует его когнитивным способностям и
установкам. Мир живого организма возникает вместе с его действием. Это –
инактивированный мир. Не только познающий разум познает мир, но и процесс познания
формирует разум. «Познание есть активное участие, глубинная кодетерминация того, что
кажется внешним, и того, что кажется внутренним»(Ф. Варела). Познающий не столько
отражает мир, сколько творит его.
4.
Когнитивные структуры являются эмерджентными (cognition is emergent), они
проявляются спонтанно, непредсказуемо и относительно недерминированно в ходе процессов
34
самоорганизации, которые охватывают и увязывают воедино мозг человека, его тело и его
окружение. Простой пример – кибервело.
5.
Процесс познания индивида протекает во взаимной связи, кодетерминации ЯДругой, их обоюдном и синхронном становлении. Границы между Я и Другим даже в
процессах восприятия , не очерчены точно, с полной определенностью – быть собой,
проявлять свое Я и создавать Другого – это события, сопутствующие друг другу. Наличие
другого позволяет говорить о параллельных мирах, каждый из которых имеет свою динамику
развития и свои способы взаимодействия с другими.
6.
Познание динамично и строится в процессе самоорганизации. Когнитивные
системы являются динамическими и самоорганизующимися системами. Функционирование
познавательных систем принципиально сходно, единосущно функционированию познаваемых
природных систем, т.е. объектов окружающего мира. Именно поэтому в рамках телесного
подхода находят плодотворное использование новейшие достижения в области нелинейной
динамики, теории сложных адаптивных систем, теории самоорганизованной критичности,
синергетики.
7.
В процессе познания имеет место циклическая детерминация субъекта и объекта
познания. Сложность и нелинейность сопровождающих всякий акт познания обратных связей
означает то, что субъект и объект познания взаимно детерминируют друг друга, то есть
находятся в отношении ко-детерминации, они используют взаимно предоставленные
возможности, пробуждают друг друга, сорождаются, сотворятся, изменяются в когнитивном
действии и благодаря ему.
Наглядный образ такого рода дает нам известная литография М. Эшера «Рисующие
руки» (1948г.). Правая рука рисует манжету с запонкой. Ее работа не закончена, а справа уже
детально прорисована левая рука, которая рисует манжету с запонкой, из которой выступает
правая рисующая рука. Эти две руки взаимно рисуют друг друга, они взаимно полагают
условия своего возникновения и составляют некое единство, некое взаимодействие, которое
можно назвать креативным кругом.
В качестве основного математического аппарата в книге используется лингвокомбинаторное моделирование, которое на основе анализа текстов позволяет выявить
возможности управления в самых различных системах. При этом управление может быть как
внутренним, осуществляться блоком управления, действующим внутри системы, так и
внешним, когда управление осуществляется извне по отношению к системе. В реальности
сочетаются эти оба вида управления. Применительно к различным системам предстоит
исследовать возможности как внутреннего, так и внешнего управления. Вполне вероятно, что
человечество управляется через нервную систему Вселенной.
Экономика со времен Адама Смита существенно изменилась и представляет
собой сложную самоорганизованную систему.. После великих географических открытий 1516 веков в мире сложился глобальный социо-культурный цикл. В наше время этот цикл
охватывает все страны и регионы. Каждый человек может быть творцом в отдельный момент
времени, творцы производят множество инноваций – проектов, патентов, песен и т.д. Эти
инновации после апробации в микросредах, после прохождения цензуры попадают в средства
массовой информации и обрушиваются на людей через телевидение, прессу, Интернет и
вызывают по ассоциации у некоторых людей рождение новых идей, новых инноваций, и
таким образом цикл повторяется многократно. Часть инноваций, проходя через
конструкторские бюро и различные производства превращается в вещи – одежду, машины и
т.п и опять таки обрушивается потоком на людей и т.д.- см. рис.1.20. Этот социо-культурный
цикл [17] является основой процессов глобализации, в который погружено все человечество.
Непрерывный поток инноваций в самых разных областях человеческой деятельности –
неотъемлемый элемент современной картины мира и основа существования потребительского
общества. Вместе с тем безудержное развитие потребительского общества ведет к
исчерпанию природных ресурсов и росту социальных противоречий в обществе. Растет
разница в доходах самых богатых и самых бедных слоев общества, самых богатых и самых
бедных стран мира, что ведет к росту напряженности и терроризму. Необходимость
международного регулирования этих проблем становится все очевиднее, что привело к
рождению концепции устойчивого развития. Устойчивое развитие в русской транскрипции –
35
это неточный перевод с английского слов «sustainable development», что означает
поддерживающее развитие. Этому термину много веков, в средневековой религиозной
литературе он означал как пройти по тонкой грани между раем и адом.
People
Mass Media
Creators
Manufacturing
Innovations
Censoring
Project
Micro
Bureaus
Societies
Рисунок 1.20 - Глобальный социокультурный цикл
В современном обществе большую роль играют деньги. Финансовый цикл оказывает
большое влияние на экономику. Именно в финансовом цикле имело место массированное
применение вычислительных систем и сетей. Если в 1950 году в торгах на биржах мира
участвовали тысячи людей, то в 2000 году в торгах на биржах принимало участие свыше 100
миллионов человек через компьютерные сети. Изобретение кредитной карточки и развитие
компьютерных сетей, которые связали магазины и банки, позволило ускорить оборот
наличности в 10 раз. В настоящее время в виртуальном финансовом мире оборачивается
гигантское количество денег, во много раз превосходящее валовой национальный продукт,
что послужило источником многочисленных афер и спекуляций и вызвало в конце 2008 года
мировой финансовый кризис. Создана международная информационно-вычислительная
система расчетов SWIFT, с помощью которой США контролируют все расчеты во многих
странах мира. Существует множество моделей социально-экономических процессов, ниже
рассматривается возможность их лингво-комбинаторного моделирования.
Нас окружают человекоразмерные системы – то есть системы и объекты,
которые мы воспринимаем своими обычными органами чувств, с которыми мы можем
манипулировать нашими руками и ногами, с которыми мы можем разговаривать на нашем
обычном естественном языке. Помимо этого человекоразмерного мира существует микромир
– мир молекул, атомов, элементарных частиц и других сущностей, с которым
непосредственно мы не можем взаимодействовать и изучаем с помощью микроскопов. Кроме
микромира существует макромир, мир очень больших систем, объектов и расстояний, мир
астрономии и астрофизики, с которым мы не можем непосредственно взаимодействовать и
изучаем с помощью телескопов. Современная наука много сделала для изучения микромира и
макромира, но самый доступный для взаимодействия – это человекоразмерный мир,
доступный для изучения. Человекоразмерный мир нами непосредственно наблюдается и
изучается, люди непосредственно в нем живут и развивают этот мир своей активностью,
своей деятельностью. Возникает вопрос – насколько выявленные в человекоразмерном мире
закономерности будут действовать в микромире и в макромире или эти закономерности будут
другими.
Самая древняя книга – это китайская книга перемен, которая утверждает, что мир
непрерывно меняется. В наше время это видно отчетливо для каждого человека за время его
36
жизни – с осознаваемого детства до взрослости и пенсионного возраста перемены отражаются
в памяти конкретного человека. В обобщенном виде факт непрерывного изменения нашего
человекоразмерного мира отражается в понятии глобального социокультурного цикла
(рис.1.20 ). Глобальный социокультурный цикл складывается из отдельных частных циклов.
Во-первых, это большие циклы отдельных стран, потому что главный обмен информацией
идет с использованием национального языка каждой из стран и каждая из стран стремится
развить свою промышленность и сельское хозяйство таким образом, что максимально
удовлетворить потребности своих граждан. При этом необходимо учитывать и внешнюю
торговлю, и обмен информацией и людьми с другими странами. Во-вторых, глобальный цикл
и большие циклы распадаются на другие отдельные циклы, например, цикл печатных
сообщений, цикл музыкальных сообщений, цикл изобразительных сообщений и т.д., которые
имеют свою специфику.
Роль культуры состоит в том, что она дает человеку «экран понятий», на который
он проектирует и с которым он сопоставляет свое восприятие внешнего мира. Современный
человек открывает для себя окружающий мир как с помощью системы образования, так и по
законам случая, в процессе проб и ошибок, в силу случайности своей биографии.
Совокупность его знаний определяется статистически, он черпает их из жизни, из газет, их
телевидения, из сведений, добытых по мере надобности (рис.1.21). Лишь накопив
определенный объем информации, он начинает обнаруживать скрытые в ней структуры.
Экран знаний формировался по-разному. Классический широко пользовался логической
дедукцией и приемами формальных рассуждений и экран знаний напоминал хорошо
организованную решетку
Рисунок1.21 - Человек под воздействием системы образования и средств массовой
информации на протяжении всего жизненного цикла
37
. В наше время фактура экрана знаний иная – он все больше похож на волокнистое
образование, знания складываются из разрозненных обрывков, связанных простыми, чисто
случайными отношениями близости по времени усвоения, по созвучию или ассоциации идей.
Эти обрывки не образуют регулярной структуры, но она обладает силой сцепления, которая
не хуже старых логических связей придает экрану культуры плотность, не меньшую, чем у
традиционной структуры. Такую культуру называют мозаичной.
В настоящее время основой социо-культурного цикла являются вычислительные системы
и сети, которые пронизывают все частные циклы и оплели паутиной весь земной шар,
благодаря чему сформировался глобальный сетевой человеко-машинный гибридный
интеллект (рис.1.22).
Computer
Computer
Network
Computer
Рисунок 1.22 - Вычислительная сеть и пользователи, сетевой человеко-машинный
интеллект
Анализ процессов глобального социально-культурного цикла выявил большую степень
неравенства между различными социальными группами. По методике ООН вычисляют, какой доход
приходится на каждые 20% населения. На рис.1.23 представлено сложившееся распределения дохода и
откуда следует, что 20% самых богатых получают свыше 80% дохода, а 20% самых бедных получают
1,4% доходов, что несправедливо и ведет к росту напряженности во взаимоотношениях между
различными социальными группами людей. Эта диаграмма является результатом действия закона
Парето во всемирном масштабе. Очевидная неустойчивость «рюмки доходов» ведет к
росту
катаклизмов в мировом сообществе. При социализме в СССР такого неравенства не было. Концепция
устойчивого развития призвана смягчить это противоречие.
38
Рисунок 1.23 - Распределение доходов и экономическое неравенство в мире, 1992 г. по
данным ООН
В настоящее время слова «система» и «системный подход» широко используются во всех
сферах деятельности и именно по этому нуждаются в уточнении. Существуют несколько десятков
определений понятия «система», со временем оно изменялось не только по форме, но и по
содержанию.
Мы будем пользоваться таким определением системы – системой называется целостная
совокупность элементов, в которой все элементы настолько тесно связаны между собой, что она
выступает по отношению к другим системам и окружающей среде как нечто единое.
С понятием «система» часто связывают понятие «цель». Использование слова « цель» в
случае нефинальных инструкций не совсем корректно, в этом случае правильнее говорить не о
конечных целях, а о принципах поведения, выраженных в императивах, как показал И. Кант. Для
живой системы таким категорическим императивом будет сохранение жизни во что бы то ни стало и
при любых обстоятельствах. Выигрыш при этом невозможен, проигрыш недопустим, а вся
деятельность направлена на то, чтобы «игра в жизнь» продолжалась как можно дольше.
Императив в лингвистике – повелительное наклонение глагола, например –
посмотрите, отойдите и т.д.. Междометный императив – разряд глагольных слов с
повелительно-восклицательным значением, например в русском языке – «вон!», «прочь!»,
39
«долой!». Императивная норма, норма права - установленное государством общеобязательное
правило общественного поведения.
Гораздо лучше эта картина описывается так называемым странным аттрактором,
в случае которого и процесс, и положительная обратная связь удерживаются не в
пространстве одного параметра, а в некоторой зоне многомерного фазового пространства
как показал И.Пригожин. Происходит как бы притяжение параметров процесса к центру или
центрам аттрактора, но в силу инерционных эффектов возникают сложные движения вокруг
него (в одномерном случае – знакомые инженерам автоколебания).
В процессе непрерывной погони за выживанием изменяются свойства живой системы
и среды ее существования и поэтому система оказывается в каждый данный момент времени
в новой ситуации, в новом месте многомерного фазового пространства внешних и
внутренних параметров. Там требуются соответственно и новые специфические действия,
обеспечивающие поддержание процесса жизни. С такими действиями могут быть связаны
временные цели, которые часто перестают быть актуальными еще до того, как они
оказываются достигнутыми (императив сохранения жизни важнее частных целей).
Во второй половине 19 в. началось проникновение понятия система в различные
области конкретно-научного знания, важное значение имело создание эволюционной теории
Ч.Дарвина, теории относительности, квантовой физики, структурной лингвистики и др.
Многие конкретно-научные принципы анализа систем были сформулированы в тектологии
А.А.Богданова, в праксеологии Т.Котарбинского, в работах В.И.Вернадского и др.
Предложенная в конце 40-х годов 20 века Л.Берталанфи программа построения «общей
теории систем» явилась одной из первых попыток обобщенного анализа системной
проблематики. При определении понятия система необходимо учитывать теснейшую
взаимосвязь его с понятиями целостности, структуры, связи, элемента, отношения,
подсистемы, иерархии, границы, мембраны и др.
В конце восьмидесятых годов Пер Бак и его коллеги предложили теорию
самоорганизованной критичности, где в качестве иллюстрации выступает куча песка. По мере
того, как добавляется песок на верх кучи, она приближается к тому, что Бак называет
критическим состоянием, при котором даже одна дополнительная песчинка, опущенная
наверх кучи, может вызвать лавину по бокам. Если исследовать размер и частоту лавин,
происходящих в этом критическом состоянии, то результаты соответствуют степенному
закону – частота лавин обратно пропорциональна некоторой степени размера кучи. Эта
теория произвела большое впечатление на вице-президента США Э. Гора, который
утверждал, что самоорганизованная критичность помогла ему понять не только
чувствительность окружения к потенциальным подрывам, но также изменения в его
собственной жизни. Но некоторые исследователи из Чикагского университета считают, что
модель Бака не дает даже хорошего описания его парадигматической системы – кучи песка.
Их эксперименты показали, что кучи песка ведут себя совершенно по разному в зависимости
от размера и формы песчинок. Поведение лишь очень немногих куч соответствует степенному
закону, предсказанному Баком.
По этому поводу следует заметить, что куча песка – это куча жестких песчинок, и
сколько бы мы не добавляли песчинок в эту кучу, она так и останется кучей песка,
качественного перехода не произойдет. Другое дело, если бы мы взяли муравьев, к одному
муравью добавили второго, третьего и так далее – мы бы получили качественное изменение –
муравейник, живую организацию, а не мертвую кучу песка.
Со времен В.Л.Канторовича, ученые в области экономики внесли большой вклад в
изучение сложных систем, что отразилось и в Нобелевских премиях по экономике.
1.7 Избыточность как фактор эволюции
Кибернетические системы различного назначения содержат в сигналах и
структурах избыточность, которая используется для улучшения качества функционирования
систем. В одних системах эту избыточность искусственно вводят для обеспечения заданного
40
качества функционирования, в других системах она естественным образом присутствует, и
управление такими системами представляет серьезные трудности. К системам первого
класса относятся различные вычислительные устройства и процессы, к системам второго
класса - роботы-манипуляторы, оснащенные многозвенными механическими «руками» с
автоматизированным приводом.
Избыточность присутствует в различных биологических структурах и является
важным фактором эволюции. Для естественного отбора необходимо наличие избыточных
подсистем. Сегодня доказано и фактически принято, что геном живых организмов
избыточен, и то, какие его участки вскрываются при осуществлении деятельности клеток
или при передаче наследственной информации, зависит от состояния белковой, в частности
ферментной внутренней среды. Избыточность является изначальным и универсальным
свойством всех биосистем, обеспечивающее их существование, приспособляемость и
эволюцию. Избыточность проявляется во всей иерархии биосистем, она обеспечивает
асимметрию живой материи.
Избыточность в естественном языке обеспечивает его помехоустойчивость. С
точки зрения теории информации Шеннона, если бы все буквы алфавита были
равновероятными, то информация на букву равнялась бы I0 = log2 n, для русского алфавита,
32 буквы, I0 = log2 32 = 5. Но на деле буквы встречаются с разной частотой, например,
относительная частота пробела равна 0,175, буквы «О» равна 0,009 и т.д. Учитывая
различную частоту встречаемости букв в текстах, информация, содержащаяся в каждой
букве русского текста будет равна I1 = 4,35. Если учитывать влияние предшествующих букв,
то результаты меняются. Для пар букв I2 = 3,52. Если учитывать влияние на результат двух
предшествующих букв, то I3 = 3,01. Аналогичным образом можно подсчитать условную
информацию любого порядка, содержащуюся в букве русского текста. При этом
оказывается убывающей последовательность
I0 > I1 > I2 > I3 > …> Ik
У этой последовательности существует предел. Реальная информация,
приходящаяся на букву русского текста , оценивается величиной, заключенной между 1,0 и
1,2. Таким образом, в каждой букве текста содержится примерно пятикратная избыточность,
что позволяет языку нормально функционировать в условиях помех.
Вычислительная техника в настоящее время является основным средством
для решения важных научно-технических, медицинских, экологических, экономических и
военных проблем. Качество решения задач зависит в общем случае от вида решаемой задачи
/З/, от используемой вычислительной аппаратуры /А/, от применяемого вычислительного
метода и программного обеспечения /М/ и от вида помех /П/.
γ=Г/З, А, М, П/ ,
где γ - качество решения задачи /надежность, точность, помехоустойчивость,
быстродействие, удобство программирования и интерпретации полученных результатов и
др.
Помехи различного рода - сбои и отказы вычислительной аппаратуры, наводки и
дрейфы в аналоговых машинах, ошибки округления и ошибки от неточных цифровых
алгоритмов интегрирования, логические ошибки и др. снижают качество решения задач и
заставляют искать средства для борьбы с помехами на различных уровнях вычислительного
процесса.
Для решения каждой конкретной задачи имеется свое наилучшее сочетание
используемой аппаратура и вычислительных методов. Одно из основных средств
достижения заданных показателей качества вычислительного процесса - это введение
избыточности на различных этапах его осуществления.
С точки зрения обобщенного программирования вычислительный процесс может
быть представлен как цепочка следующих преобразований:
41
Я ч→Яос→Япр→Ям→Яр ,
где Я ч - язык человека, на котором формулируется задача; Яос - язык основных соотношений
/математических зависимостей и формул/; Япр - язык процессов, программ и блок-схем; Ям машинный язык напряжений и кодов вычислительного устройства; Яр - язык результатов
вычислений (тексты, таблицы, рисунки, анимации и др.), понятный человеку-оператору и
пользователю.
Представленный таким образом вычислительный процесс состоит из
преобразований на каждом из языков и из переводов с одних языков на другие. На каждом из
этих этапов действуют помехи, - ошибки, которые возникают из-за несовершенства
аппаратуры; ошибки численных методов, ошибки программирования. Например, при
преобразовании Яос→Япр возникают ошибки аппроксимации точных математических формул
машинными алгоритмами, а на уровне Ям могут действовать сбои и отказы элементов
вычислительного устройства.
Ненадежность аппаратуры А проявляется главным образом на уровне Я м.
Большинстве работ по повышению надежности вычислительных машин сконцентрирована на
решении проблемы повышения надежности именно на этом уровне или вблизи него
Развиваются методы верификации программ, среди этих методов важное место занимает
Model Cheking, но он не позволяет осуществлять контроль непосредственно в процессе
функционирования.
В настоящей работе анализируются возможности повышения качества
вычислительного процесса в целом за счет введения избыточности на других уровнях, и
прежде всего на уровне основных соотношений Яос.
Все методы улучшения качественных показателей, и, в частности,
надежности, связаны с эквивалентными преобразованиями алгоритмов, формульных
зависимостей или схем. Так как в настоящее время еще не разработано алгебры алгоритмов,
которая позволяла бы производить эквивалентные преобразования алгоритмов ,то естественно
обратиться к обычной алгебре и анализу, где такие преобразования выполняются простым и
естественным образом, и в результате был разработан метод избыточных переменных.
1.8 Множественность миров
Каждый, кто работает на компьютере знает, что в нем используются отдельные
программы, иногда очень сложные, иногда очень защищенные, каждая из которых может
представлять целый мир. Компьютер - это такая машина, в которой практически реализуется
идея множественности миров.
Идея множественности миров зародилась в Античные времена в связи с
критикой геоцентрических воззрений на природу (Демокрит). В эпоху Возрождения она
получила развитие в работах Джордано Бруно, которого за эти идеи сожгли на костре
инквизиции в Риме на площади Цветов в 1600 году. Концепция негеоцентризма сыграла
важную эвристическую роль в астрономии, позволив преодолеть гелиоцентризм Коперника
переходом от мира Коперника к миру Д.Геншеля, в котором Солнце оказывается одной из
звезд в нашей Галактике. Под влиянием этой концепции был осуществлен уже в 20 веке
переход от мира Д.Гершеля к миру Хаббла, наша Галактика оказалась не центром Вселенной,
а лишь небольшим островком в гигантском множестве галактик.
Еще более общая формулировка концепции множественности миров была дана
Лейбницем (17 век) в его учении о множественности логически возможных миров. Согласно
Лейбницу, объективное существование может обрести любой мысленно воображаемый мир,
если его структура не противоречит законам формальной логики. Наблюдаемый нами мир
потому стал действительным (существующим актуально), что он оказался ( с христианской
точки зрения) наилучшим из логически возможных миров, так как в нем имеется оптимальное
сочетание добра и зла.
42
В 20 веке идея множественности миров получила дальнейшее развитие не только
в мега-, но и в микронаправлении, возникло представление о качественном многообразии
материи, о структурных уровнях материи. Между тем создание в 19 веке неэвклидовой
геометрии и теории множеств и открытие в 20 веке теории относительности и квантовой
механики показали ограниченность концепции естественнонаучного негеоцентризма и
поставили проблему развития идеи множественности миров в новом направлении.
В рамках философской интерпретации квантовомеханической концепции Х.
Эверетта (1930-1982) сформулирован ряд аксиом о реальности – реально все возможно; наш
мир – не единственная реальность; реальности не только ветвятся, но и склеиваются и др. В
познавательном отношении эвереттика выражает принцип, противоположный принципу
Оккама, а именно – сущности умножаются. Создание компьютеров принесло новые
возможности в развитие идеи множественности миров, возникли идеи виртуальных миров и
технологии виртуальных миров.
Нас окружают различные самоорганизующиеся системы – это и живые организмы,
которые рождаются, живут и умирают, это и социально-экономические системы, человекомашинные сложно организованные коллективы, которые тоже рождаются, живут и
распадаются. К сожалению технические системы, искусственно созданные человеком, чаще
всего не являются самоорганизующимися, и людям приходится тратить много времени и
ресурсов на их создание и программирование. В связи с развитием нанотехнологий во весь
рост встает вопрос о создании самоорганизующихся наноструктур, ведь складывать из
отдельных атомов и молекул нужные людям объекты оказывается очень трудоемким делом.
Автор еще в 50-е годы ХХ века принимал участие в создании цифровых систем
управления металлорежущими станками, и тогда тоже вставала задача уменьшения потока
информации от человека к машине при программировании обработки деталей на станках.
Самая первая ступень программного управления станками – это точечное управление, когда
задаются координаты отдельной точки. Но если таких точек очень много, то встает вопрос об
уменьшении их числа. Эту проблему удалось решить путем перехода к контурному
управлению, когда задавались параметры линии, которую надо было воспроизвести на станке.
Но если таких линий было много, то следующий шаг по сокращению потока информации от
человека к машине заключался в переходе к поверхностному управлению, когда задавались
параметры поверхности, которую надо было обработать на станке. При обработке сложных
штампов нужно было выбрать металл из объемов и сложилось объемное управление
станками, управление на трехмерных многообразиях. В настоящее время станки с
программным управлением составляют технологическую основу промышленности, создано
много совершенных систем программирования, в которых реализованы и точечное, и
контурное, и поверхностное, и объемное управление. Дальнейшее сокращение потока
информации от человека к машине было достигнуто за счет внедрения адаптивного
управления станками, когда в процессе работы параметры системы станок-инструмент-деталь
непрерывно измерялись и в процессе обработки вносились коррективы в программу, что
позволило существенно повысить качество обработки и производительность как тех, кто
заранее программировал работу станков, так и тех, кто непосредственно работал на станках.
Этот опыт может быть использован и при разработке нанотехнологий. Но самое
главное - перейти к созданию самоорганизующихся систем, в этом случае удастся
существенно сократить трудозатраты на создание наноструктур. Создаваемые наноструктуры
должны выполнять задачи, поставленные людьми. Люди должны иметь возможность
осуществлять внешнее управление как в процессе создания наноструктур, так и в процессе их
использования. Если в процессе внешнего управления от людей требуется очень много
информации, как в случае точечного программного управления, то необходимо искать другие
пути создания наноструктур, с более высоким уровнем самоорганизации.
Предшественница нанотехнологий – микроэлектроника, опираясь на которую
возникла современная вычислительная техника. Для того, чтобы понять феномен
возникновения и развития информатики и вычислительной техники и определить их
перспективы развития в направлении нанотехнологий необходимо разобраться в том, что
такое сложные системы и как они развиваются во времени и пространстве. Ключевым
43
понятием теории и практики сложных систем является самоорганизация. Дух нашего времени
пронизан идеей самоорганизации в самых разных аспектах.
Прежде всего идеей самоорганизации пронизана биология – эволюция живых
организмов это яркий пример самоорганизации в изменяющихся условиях окружающей
среды. Во-вторых, жизнь человеческого общества тоже пронизана идеями самоорганизации,
семья, предприятие-это ячейки самоорганизации, сложился глобальный социо-культурный
цикл с петлями обратной связи как в области генерации идей так и в области генерации
продуктов промышленности и их потребления. В качестве третьего примера необходимо
указать на естественный язык как на сложную самоорганизующуюся систему, которой мы все
пользуемся и которая лежит в основе культуры по всем аспектам. По сути дела это три
основных источника теории самоорганизующихся систем, которая еще только начинает
складываться.
Все системы можно разбить на три класса по своим размерам. Во-первых, это
человекоразмерные системы, наиболее изученные, которые проще всего наблюдать в
развитии, в этих системах вопросы управления и информации занимают важное место.
Во-вторых, это системы, которые много больше человекоразмерных систем – это
планетарные системы, звезды и галактики, эти системы наблюдадись людьми издревле, но
они горазда меньше изучены, в существующих моделей этих больших систем нет элементов
управления и информатики.
В- третьих, это системы, которые гораздо меньше человекоразмерных систем, это
микромир, мир атомов и молекул, изучение которого ведется методами атомной физики и
нанотехнологий, в моделях этих малых миров опять-таки не используются понятия об
управлении и информации. Таким образом перед учеными стоит задача распространить идеи
управления и информации, идеи самоорганизации и внешнего управления на системы,
которые гораздо больше человекоразмерных систем и на системы, которые гораздо меньше
человекоразмерных систем, с учетом их специфики. Необходимые и достаточные условия
синтеза нанороботов будут сформулированы в разделе 2.
Технология виртуальных миров позволяет сделать реально зримыми самые
различные наноструктуры, что важно для их анализа и синтеза. Будущее индустрии видится в
виде небольших фабрик, которые по заказу смогут синтезировать самые различные
наноструктуры, из которых можно будет строить человекоразмерные системы.
При этом должны быть решены вопросы утилизации уже использованных систем. В
настоящее время мы имеем множество свалок, где хранятся отходы, фрагменты
использованных вещей от упаковок до старых автомобилей, что наносит большой вред
экологии. Утилизация этих отходов в настоящее время требует больших трудовых затрат.
Новые технологии должны обеспечить малозатратную утилизацию старых вещей.
Наряду с понятием самоорганизации стоит понятие о внешнем управлении той или
иной системой. Ведь системы существуют не изолированно друг от друга, они оказывают
взаимное влияние. В зависимости от идеологии и экономической и военной мощи отдельные
страны навязывают другим линию поведения, которая выгодна именно им. Биологические
системы развиваются на основе генетической информации, которая им передается от
родителей. Ребенок с детства подвергается воздействию родителей, они воспитывают и
обучают ребенка, оберегают его от опасностей, но постепенно ребенок становится
независимым и сам принимает решения.
1.9 Автоматизация и сложность
Автоматизация – это уменьшение потока информации от человека к машине при
выполнении тех или иных заданий. Если рассмотреть программное управление
станками, то это переход от точечного управления к контурному, когда мы задаем
лишь коэффициенты уравнения кривой – contour control. Далее – так как кривые
расположены на поверхности, дальнейшее сжатие информации произойдет при
задании поверхности , на которой расположены кривые траекторий, такое управление
называется «поверхностным» - surface control.
44
Далее, так как поверхности образуют объем, то следующее сокращение количества
информации – это переход к заданию объема – volume control.
Если точка – это многоообразие нулевой размерности, то кривая – это одномерное
многообразие, поверхность – двумерное многоообразие, объем – трехмерное
многообразие и так далее, то есть автоматизацию мы можем определить как переход к
формулировке заданий для машины в виде многообразий со все большим числом
измерений. При этом происходит уменьшение потока информации от человека к
машине. Для автоматизации необходим анализ структуры деятельности в самых
различных сферах, он необходим для автоматизации производства, проектирования и
исследований.
Задача рационализации труда рабочего всегда стояла перед организаторами
производства. В двадцатые годы на заводах Форда в США инженер Гилбрет
предложил систему микроэлементов для описания движений рабочего, который
выполнял различные операции на производстве. Система этих микроэлементов –
терблигов – явилась примером структурного подхода к анализу деятельности рабочего
и послужила основой для целого ряда других систем описания и нормирования труда.
Все микроэлементы делятся на приноровительные и решительные, что определяется
состоянием технологической среды. С помощью приноровительных движений как бы
ощупывается, изучается рабочая среда, получается информация для движений
решительных. В результате сложилась следующая система микроэлементов – 1.
микроэлемент ИСКАТЬ. 2. микроэлемент НАЙТИ. 3. микроэлемент ВЫБРАТЬ. 4.
микроэлемент ПРОТЯНУТЬ РУКУ. 5. микроэлемент ПЕРЕМЕСТИТЬ РУКУ С
ГРУЗОМ. 6. микроэлемент НАЖАТЬ. 7. микроэлемент РАЗЪЕДИНИТЬ. 8.
микроэлемент ПРИВЕСТИ В НУЖНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ (ПОВЕРНУТЬ). 9.
микроэлемент ПОВЕРНУТЬ РУКОЯТКУ. 10. микроэлемент ВЗЯТЬ. 11.
микроэлемент СОЕДИНИТЬ. 12. микроэлемент УСТАНОВИТЬ. 13. микроэлемент
ДЕРЖАТЬ. 14. микроэлемент ОТПУСТИТЬ (ГРУЗ). 15. микроэлемент
ОБРАБОТАТЬ. 16. микроэлемент ПРОВЕРИТЬ.
Итак, была создана система из 16 микроэлементов, рабочие на конвейере были
обучены четко выполнять эти микроэлементы, производительность труда повысилась в
несколько раз, родилась потогонная система, которая послужила основой для
кинофильма Чарли Чаплина «Огни большого города». В настоящее время система
микроэлементов является основой программирования роботов для автоматизации
производства, разработаны языки LAROT – язык для программирования
роботизированного производства, LADET – язык для программирования
проектирования, LASCIT – язык для автоматизации научных исследований, что
позволяет осуществить компьютеризации всего цикла – от научных исследований,
через проектирование до производства.
В 1928 г профессор Ленинградского университета В.Я.Пропп опубликовал книгу
«Морфология сказки», в которой автор открыл неизвестные дотоле науке структурные
закономерности волшебной сказки, важные не только для исследования фольклора, но
и для программирования. Он исходил из понимания волшебной сказки как проявления
творчества коллективного, обладающего специфическими особенностями. Специфику
он усматривал в повторяемости, типовой устойчивости сказочного повествования,
сказочной сюжетной структуры. Результаты исследований В.Я.Проппа в настоящее
время формулируются в виде трех постулатов:
1. Постоянными, устойчивыми элементами сказки служат функции
действующих лиц независимо от того, как и кем они выполняются. Они образуют
основные составные части сказки.
2. Число функций в волшебных сказках ограничено (В.Я.Пропп выявил 31
функцию).
3. Последовательность функций всегда одинакова.
Эти постулаты основываются на идее выделения конституирующих элементов
определенной знаковой системы, непосредственно надстраивающейся над
естественным языком. Теория В.Я.Проппа может рассматриваться как один из
45
способов порождения с помощью формальных средств литературного произведения,
которой предшествовали принципы искусственного формирования связных текстов,
исходящие из работ Раймунда Луллия (1235-1315 гг) и четко сформулированные в
сатирическом описании Свифтом, где на основе перебора порождаются осмысленные
предложения. Рассматриваются способы сокращения перебора.
Традиционная волшебная сказка состоит из трех частей – экспозиции,
начальной части сказки, тела сказки и завершающей части – постпозиции.
Для сказок характерна почти неизменная типология действующих лиц – герой,
антигерой, прорицатель, даритель, помощник, антипомощник, награда, глупец,
антидаритель. Действующие лица делятся на две партии – партия героя (герой,
даритель, помощник), партия антигероя (антигерой, антипомощник, антидаритель).
Вне партий остаются прорицатели, роль которых сводится к сообщению герою или
антигерою некоторой информации, необходимой для развития сюжета, награда –
обычно царевна или принцесса, которой добиваются герой и антигерой, и глупцы, как
правило, мешающие герою, или оттеняющие своими неудачами успехи героя.
Например, список антигероев может содержать такие их воплощения как злой колдун,
баба-яга, кащей бессмертный и др., а список помощников может содержать такие их
воплощения как сивка-бурка, волк, орел, заяц, щука и др.
Ограниченность и традиционность сказки позволяет строить компьютерный генератор
сказочных сюжетов и в виде текстов, и в виде изображений с музыкальным
сопровождением. Гораздо сложнее обстоит дело с созданием генераторов других
текстов.
В начале семидесятых годов, после выхода постановления ГКНТ СССР в 1972 г.
о развертывании работ по робототехнике, возникли задачи по описанию действия
коллективов роботов, по программированию их коллективных действий. К этой работе
на договорных началах были привлечены и Тартуский университет в лице кафедры
профессора Ю.М.Лотмана, и Педагогический институт им.Герцена в лице кафедры
профессора Б.Ф.Егорова и непосредственно занимающаяся созданием роботов кафедра
профессора М.Б.Игнатьева в Ленинградском институте авиационного
приборостроения. Был осуществлен структурный анализ так называемых служебных
романов и были выявлены 25 функций действующих лиц –
1. препятствие – существование объективного препятствия для действующего
исполнителя – администратора, агента.
2. запрет – запрещение каким-либо администратором каких-либо мероприятий.
3. нарушение запрета – которое может быть целенаправленным или
нецеленаправленным.
4. преодоление препятствия
5. вредительство, целенаправленное нанесение вреда.
6. устранение противника.
7. выведывание, сбор информации без разрешения соответствующего
администратора.
8. обман, сознательная передача каким-либо администратором ложной
информации.
9. совершение ошибки
10. выбор, когда администратор выбирает между двумя или несколькими
возможностями
11. подчинение, когда один администратор подчиняется другому
администратору, или условиям, или обстоятельствам.
12 дача обещаний, когда один администратор дает обещание сделать что-либо.
13. требование, настояние – функция, противоположная запрету.
14. соблазн или устрашение.
15. обмен услугами, такой вид помощи, в котором заинтересованы обе стороны
16. арбитраж, когда какой-либо третий администратор по отношению к
конфликтующим сторонам призывается к установлению истины.
17. поиск, разыскание соответствующего администратора или информации.
46
18. перемена – изменение места деятельности или служебного положения
администратора
19. уход – выбывание администратора из информационно-вычислительной
системы
20. премия или штраф
21. помощь, когда какому-либо администратору оказывается помощь.
22. единомыслие, коллективная функция, когда проявляется единство позиции
двух или нескольких администраторов в решении определенных вопросов.
23. единство действий, когда два или несколько администраторов осуществляют
какое-либо дело совместно
24. соперничество
25. достижение искомого.
Понятие исполнителя – администратора было введено при рассмотрении
многопроцессорных систем еще в семидесятые годы, задолго до появления теории
агентов и многоагентных систем. В настоящее время вычислительные системы – это
мощные человекомашинные системы, которые объединят людей-пользователей
разного уровня через компьютеры и сети, сложилась мощная система гибридного
интеллекта, где вышеупомянутые функции осуществляются. В результате сложились
различные структуры в масштабе всего земного шара, это конфликтующие структуры
в сфере финансов, торговли, транспорта, массовой информации и др., объединенные
глобальным социо-культурным циклом.
В искусстве сложилось своеобразное представление о времени, и пространстве, о
других фундаментальных понятиях. Каковы базовые понятия искусства? Чем они
отличаются от таких же базовых понятий в науке? В технике? В физике? В биологии?
В истории?
Главное в искусстве – это создание виртуальных миров и погружение в эти миры
человека. Как эти виртуальные миры строились у древних греков? У Шекспира? В
японском искусстве? В русской литературе 19 века и сейчас?
Понятие эксперимента предполагает наличие теории. Без теории нет эксперимента,
есть только наблюдение. С кибернетической (системной) точки зрения экcперимент –
это управляемое наблюдение. Управляющей системой является научный метод,
который, опираясь на теорию, диктует постановку эксперимента. Переход от простого
наблюдения к эксперименту есть метасистемный переход в сфере опыта. Человек,
решая различные задачи, очень целенаправленно использует информацию, которая ему
доставляется с помощью различных органов чувств, имея перед собой какой-то план
действий и модель среды из своего прошлого опыта. Структура виртуального мира
задает как бы теорию для различных экспериментов. Человек не просто созерцает и
наблюдает, он ставит эксперименты, которые без целостного представления о мире
невозможны.
Возможны различные структуры виртуальных миров. Во-первых, их можно
разделить на две группы – в первой группе может работать представление о времени, о
прошлом, настоящем и будущем, в этой группе в принципе невозможно предсказывать
будущее. Во второй группе миров представление о времени не работает, это как бы
склад различных событий, из которых как из конструктора можно собирать различные
картины мира, здесь возможно предсказание будущих событий – их нужно просто
отыскать в этом банке данных. Компьютерные устройства памяти хорошо моделируют
эту структуру виртуальных миров.
Но существуют виртуальные миры третьего типа с совершенно другой физикой,
чем в нашем реальном мире. Эти три типа виртуальных миров взаимодействуют между
собой, обмениваясь информацией, энергией и веществом. Существуют ли реально эти
три типа миров? – Это большой фундаментальный вопрос. Происходит много
аномальных событий, объяснение происхождения которых невозможно в рамках
существующих физических представлений, но возможно их объяснение в рамках
гипотезы о существовании трех миров.
47
Важным положением является утверждение, что естественный язык – это мощная
моделирующая система, при этом нужно рассматривать весь корпус текстов,
накопленных человечеством. Этот корпус текстов непрерывно пополняется данными
экспериментов и наблюдений, новыми открытиями и изобретениями, новыми
литературными произведениями и т.д. В естественном языке появляются новые слова,
другие слова уходят из обихода. Система основных концептуальных положений,
характеризующих определенный этап миропонимания, изменяется. Мировоззрение
обычно считается уделом философов. Считается, что наука о Природе – это физика.
Если считать, что ничего, кроме Природы, не существует, то казалось бы физики и
должны сформулировать миропонимание, исходя из добытых ими эмпирических
данных. Однако современный уровень развития физики не позволяет понять
множество загадок Природы. Это было ярко продемонстрировано в процессе
Бостонской дискуссии в 1996г на представительном симпозиуме в Бостонском
университете, посвященном концептуальным основаниям квантовой теории поля.(
Conceptual Foundation of Quantum Field Theory, Ed.Tian Yu Cao, Cambridge University
Press, 1999 ; Исаев П.С., Мамчур Е.А. Бостонская дискуссия.\ Успехи физических наук,
№172, 2000, с.977-993). Науки подразделяются на естественные и гуманитарные и все
попытки сформулировать единое миропонимание, опираясь только на естественные
науки, обречены на провал. Bсе – и представители естественных, и представители
гуманитарных наук пользуются естественным языком для выражения своих мыслей.
Поэтому в основу построения картины мира можно положить лингво-комбинаторное
моделирование, разработка которого является самым ярким результатом артоники.
Лингво-комбинаторные модели, по Канту, являются структурами «чистого разума».
Опираясь на понятие алгоритмической теории информации и понятие
колмогоровской сложности, сформулировано понятие «теории» - теория, взятая в
качестве объяснения, является удачной только до такой степени, до которой она
сжимает количество двоичных цифр, содержащихся в представлении фактов, в
намного меньшее количество двоичных цифр, содержащихся в представлении теории.
В некотором смысле понимание является сжатием, постижение есть сжатие! Чейтин в
1975 году дал определение – бесконечная последовательность символов является
случайной, если сложность, связанная с объемом программы для продуцирования
некоторого начального отрезка последовательности, имеющего длину n , не может
быть сделана как угодно меньше n .
Кибернетика, информатика и системика – в единой связке и они влияют на
развитие всех других наук, на развитие физики, химии, биологии, социологии,
экономики, лингвистики. Призрак бродит по миру, призрак самоорганизации. Все
говорят о самоорганизации – от самоорганизации отдельного человека, семьи,
предприятия, города, региона, страны и вплоть до всего мира. С целью обеспечить мир
без войн была создана Организация Объединенных Наций после разрушительной
Второй мировой войны, но не все у этой организации получается.
Сразу после возникновения электронных вычислительных машин в конце
сороковых годов ХХ века возникли многочисленные дискуссии на тему «может ли
машина мыслить?». Эти споры не закончены до сих пор, но они были полезными, так
как позволили лучше понять возможности как компьютера, так и человека. В итоге
родилось конструктивное понятие гибридного интеллекта, когда объединяются
возможности и человека и машины, при этом имеются ввиду вычислительные сети,
объединяющие множество машин, через терминалы которых осуществляется
взаимодействие со множеством людей. Гибридный интеллект чаще называют сетевым
человеко-машинным интеллектом., его исследование только начинается.
Предпринимаются попытки объяснить сознание с точки зрения физической
теории. Но, как показал Р.Пенроуз , явление сознания не может быть описано в рамках
современной физической теории. В конце сороковых годов ХХ века, Н.Винер,
возродив кибернетику, рассматривал проблемы управления в биологических системах,
машинах и обществе и не затрагивал кибернетические подходы к физике. Это привело
к тому, что до сих пор существует большой теоретический разрыв между объяснением
48
сознания и физической теорией, хотя несомненно достижения физики явились основой
создания новой элементной базы для вычислительной и информационной техники.
В настоящее время сформировалась Теория сложных систем – Complex Systems
Theory. Согласно Аристотелю, сложная система – это система, в которой целое
значительно больше суммы составляющих ее частей.
Сложные системы индивидуальны и отличаются друг от друга. Пример сложной
системы – человек, каждый человек имеет уникальный генетический паспорт,
уникальные отпечатки пальцев, уникальную психику и т.д. В связи с этим возникает
важный вопрос о воспроизводимости опытов со сложными системами. В настоящее
время в науке рассматриваются лишь те результаты, которые могут быть повторены,
но тем самым за бортом научного рассмотрения оказывается громадная масса данных о
плохо воспроизводимых событиях. Одна из причин невозможности получить
повторяющийся результат в опыте – это уникальность сложных систем.
1.10 Лингвистический поворот
Просвещение масс, благородная цель прекрасных и передовых людей, начиняя с
софистов и Сократа, сегодня в общем реализована. Никогда еще в истории не было ни
в Европе, ни в мире в целом такого количества грамотных людей, людей с
университетским образованием, такого числа профессиональных ученых. Вместе с тем
образование, как линза, увеличивало и дало возможность увидеть все – и талантливое,
и средней руки даровитое, и бездарное. Никогда до нашего столетия не было у творцов
научных и художественных произведений такой квалифицированной и
подготовленной публики, как не существовало такого пугающего количества как
творцов, так и публики. Никогда обыденный повседневный язык не подходил так
близко к научному и литературному, в силу чего и стал возможен так называемый
лингвистический поворот. Никогда у культуры не было стольких каналов, а у
потребителей – такого выбора. Никогда не писали так много и здорово, и до появления
компьютера с его гипертекстом выражение «океан идей и образов» оставалось лишь
тропом. Сегодня произошла смена не только научности и литературности, изменился
сам человек, его изменили обстоятельства, изменился образ
автора и образ
реципиента.
Мы знаем, что автор идеализма –Платон, автор диалектики – Гераклит, физики,
логики и социологии – Аристотель, механики – Ньютон, трансцедентальной дедукции
– Кант, феноменологии – Гуссерль, марксизма – Маркс, фрейдизма – Фрейд. Автор и
реципиент современной экранной культуры – постнеклассический субъект с тысячами
имен и лиц, мистическое существо карнавального шествия с масками, петардами,
символическими фигурами, ожившими иррациональными фантазиями, смешение
времен и нравов и нескончаемым дебатом – перекличкой. Тут обширные сведения,
риторические приемы, цитирование и плагиат, многослойный комментарий и
самоуточнение, порождение, конструкция, деконструкция и уничтожение смыслов,
гирлянды аллюзий и аллегорий без конца и начала. Оформилось «сознание
изначальной фрагментарности, принципиальной несинтезируемой раздробленности
человеческого опыта последней трети ХХ века, соединенное с почти интуитивным
стремлением к художественному постижению жизни, освобождению от
логоцентризма, рационализма, догматизма и обязанности различать реальность и
фантазию» (Ильин И. «Постконструктивизм, деконструктивизм и постмодернизм» М,
1996, с.31) Именно такое мироощущение имеет общее название – постмодернизм,
который был лидирующим последних десятилетий ХХ века. Знаково-символическим
событием постмодернизма стал так называемый лингвистический поворот, linguistic
turn.
Множество гуманитарных наук вовлеклись в этот поворот – социология, политическая
теория, история, собственно филология и литературоведение, культурология,
философская антропология, тория коммуникации и др. Для экзистенциалистско –
49
феноменологическо-герменевтической линии этот поворот стал новым импульсом
исследования существования человека в дискурсе культуры, точнее говоря, в языке.
Границы языка окончательно предстали перед философами как границы мира,
обычный человеческий язык предстал как естественная универсальная система знаков,
способная быть метаязыком для любой другой системы. Это вызвало смену идеала
научности. Появилась посмодернистская критика классической теории познания,
замена ее кантианской теорией понимания. Конструкт «языковая картина мира» вошел
в универсальное употребление наряду с «научной картиной мира» и стилем мышления.
Примерно через десять лет после выхода «Логико-философского трактата»
Л.Витгенштейна в 1921 г. происходит лингвистический поворот. Язык предстает как
языковая игра, и это уже не функциональный язык науки, а естественный разговорный
язык, для исследования которого в новом ключе потребовались новые термины –
языковая игра, анатомия чтения, семейное подобие и др. Что они означают?
Языковая игра это и строго определенная модель коммуникации и конституция
текста, где слова употреблялись в строго определенном смысле. Отсюда следует
непротиворечивость контекста и важные возможности – произвольно, но строго
описать факт или явление, построить модель поведения, задать способ прочтения
текста.
Анатомия чтения – это ситуация, когда одна языковая игра прочитывается
принципиально разными способами.
Семейное подобие – это когда в основе коммуникации лежит не абстрактная
сущность языка, а реальное многообразие способов описания.
Условный мир культуры сейчас действительно организован по-новому, не так, как в
эпоху Возрождения, не так, как в эпоху Просвещения, не так, как во время Ницше. Но
как? В чем состоит новость этой новизны? Прежде всего словарь постмодернизма
необычайно богат и красочен, он изобличает напряженную творческую работу мысли,
чудесную силу фантазии. Ключевое слово – это слово дискурс. В известном
«Объяснительном словаре теории языка» А.Грема и Ж.Куртэ его объяснению
посвящено 11 статей и множество ссылок. Однако в первом приближении дискурс –
это письмо, то есть текст, хотя этимологически дискурс – диалог, разговор. Текст да не
текст. Не просто текст. Это сам мир, место, полное смыслов. Концептом №1 для
постмодернизма является утверждение, что весь мир есть сконструированный,
сделанный мир, и этот мир есть семиотический код. Человек – не более, но и не менее
чем продукт гутенберговской цивилизации, его ментальность – тоже текст внутри
обширного множества текстов, то есть культуры.
1.11 Бионика
Живые организмы всегда были примером для построения кибернетических
систем, чаще всего недосягаемым примером из-за несовершенства наших технологий.
Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач
принадлежит Леонардо да Винчи, который построил летательный аппарат с машущими
крыльями – орнитоптер и другие интересные машины. Развитие кибернетики,
рассматривающей общие принципы управления и связи в живых организмах и
машинах, стало стимулом для еще более широкого изучения строения и функций
живых систем с целью выявления их общности с техническими системами, и
использования полученных знаний для создания новых приборов, механизмов и
материалов. В 1960 году в Дейтоне, США, состоялся первый симпозиум по бионике.
Существует большой разрыв между технологиями живых систем и современными
промышленными технологиями, что затрудняет использование результатов бионики.
1.12 Артоника
50
Артоника – научное направление, связанное с использованием методов и
структур искусства в программировании и информационных технологиях на
различных уровнях. В искусстве сложился многовековый опыт эффективного
воздействия на человека через литературу, музыку, живопись, скульптуру,
архитектуру, театр и кино, и представляется целесообразным использовать этот опыт в
информационных технологиях. С другой стороны все эти виды искусства пытаются
эффективно использовать информационные технологии. Уже сейчас все
информационные технологии пронизаны искусством, самые массовые применения
ИКТ, миллиардными тиражами, связаны с искусствами и играми. Термин «артоника»
был введен Б.Ф. Егоровым, М.Б. Игнатьевым и Ю.М. Лотманом в начале семидесятых
годов в рамках тартуских семинаров по семиотике. С тех пор артоника энергично
развивается через компьютерные игры, архитектуру виртуальных миров, лингвокомбинаторное моделирование и кибернетическую герменевтику и др.
50 лет назад свыше 90% задач, которые решались на компьютерах, были
вычислительными, а в настоящее время свыше 90% решаемых на компьютерах задач
связаны с искусством, машинной графикой, трехмерными изображениями, анимацией
и музыкой, это означает триумфальное шествие артоники в сфере информационных
технологий.
В связи с массовой оцифровкой книг, текстов представляется важным разработка
методов извлечения смыслов из оцифрованных текстов, библиотеки должны
превратиться в фабрики по извлечению смыслов. Проблемы сохранения и
использования культурного наследия уже эффективно решаются в реальновиртуальном континууме, а кибернетический велосипед становится эффективным
средством для виртуальных путешествий в различных средах и средством
оздоровления ( см. Лотман Ю.М. «Непредсказуемые механизмы культуры» Таллинн,
2010; «Компьютерные игры» под ред. М.Б.Игнатьева, Ленинград, 1988; Игнатьев М.Б.,
Никитин А.В., Решетникова Н.Н. «Архитектура виртуальных миров» СПб, 2005,
второе изд. 2009).
Культура это традиции и письмена, это ряд посланий. Письменный текст
(gramme) предпочтительнее, чем устная речь (phone), потому что последняя претендует
на интимную связь с мышлением, если не на то, чтобы быть реинкарнацией мысли.
Графическая нотация не столь претенциозна, свободна от этой роли, так же как и от
героической роли картезианского «cogito». Человек свободен в выборе знаковой
графической системы (хотя и не свободен от самого выбора, от жизни в тексте). Текст
и письмо – это социальные институты, они нормативны, и в таком качестве организуют
коммуникацию. Постоянное трепетание между инвариантом письма и вариантами
индивидуальной речи характеризуют аппроксимацию, приближение к пониманию
другого. Такого кредо постмодернизма. Лингво-комбинаторное моделирование – это
развитие лингвистического поворота.
1.13 Форсайт-анализ – взгляд на перспективу развития науки и
техники
Выше были рассмотрены законы, принципы и положения кибернетики как метанауки, что позволяет перейти к форсайт-анализу, к прогнозированию развития науки и
техники. Для прогнозирования используют мнения людей-экспертов из различных
областей знания и им прежде всего предлагают заполнить нижеприведенную схему
(рис.1.24),
51
Рисунок 1.24 –Прогнозирование развития науки и техники
где в разделе Фантазии можно говорить о самых различных – даже на первый взгляд
нелепых предложениях, далее часть из этих фантазий превращается в прорывные
технологии, которые на третьем этапе превращаются в Мейнстрим, в широко
разрабатыфваемые технологии, куда вкладывается наибольшее количество финансов, а
устоявшиеся технологии прекочевывают на периферию. Как показал последний
экспертный анализ, Прорыв – нанороботы, Мейнстрим – беспилотные летательные
аппараты, автомобили без водителей и другие технологии, о которых мы будем
говорить в последующих главах.
Контрольные вопросы
1.Основная профессиональная задача и миссия специалиста по ЭВМ
2. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКМ для 10 переменных с 8
ограничениями
3. Эволюция архитектуры ЭВМ и тенденции развития
4. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКМ для 10 переменных с 7
ограничениями
5.Эволюция элементной базы
6. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКМ для 10 переменных и 6
ограничений
7. Нейрокомпьютинг
8. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКМ для 10 переменных с 5
ограничениями
9. Квантовые компьютеры
10. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКМ для 10 переменных с 4
ограничениями
11.Эволюция устройств ввода-вывода
12. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКМ для 10 переменных и 3
ограничений
52
13. Системы речевого общения
14. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКМ для 10 переменных с 2
ограничениями
15. Системы виртуальной реальности на примере кибервело
16. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКМ для 9 переменных с 7
ограничениями
17.Эволюция операционной среды
18. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКМ для 9 переменных и 6
ограничений
19.Эволюция уровня знаний
20. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКМ для 9 переменных с 5
ограничениями
21. Эволюция интерфейса общения
22. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКМ для 9 переменных с 4
ограничениями
23.Эволюция естественных и искусственных языков
24. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКМ для 9 переменных и 3
ограничений
25. Лингво-комбинаторноен моделирование
26. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКМ для 9 переменных с 2
ограничениями
27. Феномен адаптационного максимума в развивающихся системах
28. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКМ для 8 переменных с 7
ограничениями
29. Объединение в коллектив как способ адаптации
30. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКМ для 8 переменных и 6
ограничений
31.Психиметрический интеллект
32. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКМ для 8 переменных с 5
ограничениями
33. Левостороннее мышление
34. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКЬ для 8 переменных с 4
ограничениями
35. Правостороннее мышление
36. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКЬ для 8 переменных и 3
ограничений
37.Архитектура виртуальных миров
38. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКМ для 8 переменных с 2
ограничениями
39. Искусственный интеллект – психологические предпосылки и современное развитие
53
40. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКЬ для 7 переменных с 6
ограничениями
41.Основы теории агентов
42. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКЬ для 7 переменных и 5
ограничений
43.Виртуальные организации и миры
44. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКМ для 7 переменных с 4
ограничениями
45. Структура человеческой деятельности и проблема ее автоматизации
46. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКМ для 7 переменных с 3
ограничениями
47.Эволюция систем передачи информации
48. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКМ для 7 переменных и 2
ограничений
49.Основной социо-культурный цикл и ЭВМ
50. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКМ для 6 переменных с 5
ограничениями
51. Моделирование города как сложной самоорганизующейся человеко-машинной
системы
52. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКМ для 6 переменных с 4
ограничениями
53. Иерархическая система для управления сложными проектами
54. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКМ для 6 переменных и 3
ограничений
55. Как компьютер играет в шахматы?
56. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКМ для 6 переменных с 2
ограничениями
57. Как компьютер играет в шахматы?
58. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКМ для 6 переменных с 2
ограничениями
59. Бортовая вычислительная система умного самолета и какие задачи она решает?
60. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКМ для 5 переменных и 4
ограничений
61. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКМ для 5 переменных с 3
ограничениями Бортовая информационно-вычислительная система умного автомобиля
и какие задачи она решает?
62. Развитие финансовых вычислительных систем
63. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКМ для 5 переменных с 2
ограничениями
64. Паттерны объектно-ориентированного проектирования умной дороги
54
65. Построить систему эквивалентных уравнений ЛКМ для 4-х переменных и 2-х
ограничений
66. Характерные черты мифологической картины мира.
67. Характерные черты механистической картины мира.
68. За что инквизиция судила Галилея?
69. Характерные черты неклассической картины мира.
70. Характерные черты постмодернизма.
71. В чем сущность спора между Ньютоном и Лейбницем?
72. Психометрический интеллект и тесты.
73. Особенности левостороннего мышления.
74. Особенности правостороннего мышления.
75. Что такое самоорганизация?
76. Пример самоорганизующейся системы.
77. Внешнее управление сложными системами.
78. Лингвистический поворот.
79. Смысл автоматизации человеческой деятельности.
80. Характерные черты компьютеризма.
81. Чем отличается механицизм от компьютеризма?
82. В1892 г. английский инженер-электрик Оливер Хевисайд заметил, что с
дифференциальными операторами часто можно обращаться точно так же, как с
обычными числами, и этот факт оказывается полезным при решении некоторых типов
дифференциальных уравнений. Из этого наблюдения выросло операторное
исчисление. Какую аналогию можно провести между операторным исчислением и
лингво-комбинаторным моделированием?
84. Существуют следующие основные направления научно-технической и
инновационной деятельности ГУАП.
Космическая сфера – исследование возможностей освоения Луны и планет,
создание системы машин для освоения Луны, создание лифта Земля – Луна на основе
сверхпрочного нанотроса, разработка принципиально новых способов преодоления
пространства и времени.
Авиационная сфера – разработка новых пилотируемых и беспилотных ЛА
различного назначения, в том числе привязных аэростатов и дирижаблей для решения
различных задач, разработка систем группового управления.
Оборонная сфера – разработка новых видов оружия нападения и обороны,
моделирование поля боя.
Радиоэлектронная сфера – разработка новых радиолокационных и лазерных
систем и комплексов, разработка новых систем передачи информации.
Вычислительная техника – системы на кристалле, самоорганизующиеся БИС, от
цифровых аналогов через рекурсивные машины к квантовым компьютерам. Роботы
различного назначения – от нанороботов, для которых определены необходимые и
достаточные условия синтеза, до человекоразмерных роботов для диагностики
газопроводов, подводных роботов, роботизированных автомобилей и др.
Сенсорные системы – датчики различного назначения и системы датчиков,
искусственная кожа, искусственный глаз (рыбий глаз и др.), искусственное ухо.
Программирование – осознание ограниченности метафоры рабочего стола и
переход к метафоре города, велосипедное программирование на кибервело.
Биомедицинские системы – разработка электронного паспорта здоровья на основе
компьютерной модели организма для уменьшения врачебных ошибок, разработка
виртуальных реабилитационных систем для центра Илизарова.
Системный анализ – исследование феномена адаптационного максимума в
различных сложных системах, исследование превращающихся систем.
Лингвистика – разработка систем перевода устной речи с одного языка на другой в
реальном времени на основе мобильного телефона.
55
Моделирование сложных развивающихся систем – моделирование города для
поддержки управленческих решений, моделирование региона, стран и всей планеты в
целях обеспечения устойчивого развития.
Разработка альтернативной ядерной энергетики с целью обеспечить режим
нераспространения ядерного оружия.
Сохранение памяти о защитниках нашей Родины на основе новых информационных технологий, виртуализация Кингисеппского историко-краеведческого
музея, создание панорамы Ленинградской битвы.
Какое из этих направлений Вы выбираете для своей деятельности в ближнесрочной,
среднесрочной или дальнесрочной перспективе? Можете ли Вы предложить свое
видение направления Вашей будущей деятельности?
2 Современные киберфизические системы
Ниже рассматриваются различные примеры киберфизических систем. Умные
автомобили и умные дороги рассматриваются в разделе 3.
2.1 Эволюция средств связи – всемирная паутина
Параллельно с развитием средств обработки информации развивались системы
передачи информации. В рамках эволюции живых систем самым главным была
передача наследственной информации от родителей к потомкам. В процессе эволюции
живые системы оснащались различными сенсорными системами – тактильными,
вкусовыми, анализаторами запахов, анализаторами зрительных образов, анализаторами
слуховых образов. Потом возникли системы устной и письменной речи, получила
распространение система почты. В середине 19 века возник электрический телеграф,
потом радио, потом телефон, потом телевидение. Вычислительные машины в
начальный период своего развития не были объединены в сети. Системы передачи
информации (передачи в пространстве), хранения информации (передачи во времени)
и вычислительные машины развивались как бы отдельно. Но с семидесятых годов ХХ
столетия происходит их объединение, возникли вычислительные сети, первой из
которых была ARPANET, и сетевые технологии получили большое развитие,
сложилась всемирная паутина, и в настоящее время осуществляется интеграция всех
средств передачи информации по формуле
Networking = data + voice + image
Происходит сращивание всех средств связи и передачи информации, в итоге каждый
человек получит в свое распоряжение мощный коммуникатор и получит быстрый
доступ ко всем накопленным знаниям, складывается гибридный человеко-машинный
интеллект. К концу 60-ых годов ХХ века были созданы мощные вычислительные
центры в различных городах мира. Эти центры работали в режиме разделения времени
, но не были связаны между собой, хотя существовала разветвленная система связи –
телефонная, телеграфная и др. С целью предоставления ресурсов как можно большему
числу пользователей было осуществлено объединение в единую сеть несовместимых
по языковым и техническим средствам систем с разделением времени ( СРВ) по
инициативе Агентства по перспективным исследованиям ( DARPA). Эта объединенная
система получила название ARPANET. Перед разработчиками встала сложная задача
объединить разнородные вычислительные центры с помощью существующей
разнородной системы связи. Во-первых, было предложено создать распределенную в
56
пространстве систему специализированных связных машин – интерфейсных
процессоров сообщений (ИПС). Во-вторых, была разработана специальная система
протоколов взаимодействия СРВ и ИПС (рис.2.1). В третьих, была разработана
пакетная обработка сообщений, то есть каждое передаваемое сообщение – независимо
от его содержания – разбивалось на пакеты по тысяче бит в каждом с адресомзаголовком, эти пакеты проводились через разнородную систему связи, а потом
собирались в приемной СРВ, о чем посылался сигнал обратной связи на передающую
СРВ. В-четвертых, была разработана система диагностики всех используемых линий
связи и узлов, и каждые 0,5 секунды все ИПСы получали информацию о состоянии
линий и узлов. В-пятых, были разработаны алгоритмы проводки сообщений от СРВисточника через линии связи и ИПСы к СРВ-получатели, и каждый раз складывались
новые маршруты проводки сообщений в зависимости от ситуации в сети. На рис 2.2.
представлена пакетная передача сообщений. Автор в 1973-1974 годах, будучи в
командировке в Великобритании, принимал участие в отладке отдельных блоков и
системы ARPANET в целом. Эта система начала эффективно работать в начале
семидесятых годов и связала вычислительные центры Японии, США и Европы, что
было важно для разработки совместных проектов и эффективного использования
вычислительных ресурсов, но из-за плохо разработанной ценовой политики она быстро
обанкротилась, но разработанные технические и программные решения легли в основы
других глобальных сетей и всемирной паутины, созданной уже на основе системы
протоколов взаимодействия открытых систем (рис 2.3). Технические решения этой
системы закреплены стандартами ISO и являются колоссальным достижением
человечества, теперь каждый человек в любой точке Земного шара и в любое время
может получить доступ к информации и осуществить связь.
Рисунок 2.1 - Глобальная вычислительная сеть, связывающая удаленные системы
разделения времени (СРВ) через интерфейсные процессоры сообщений (ИПС),
размещенные в сети передачи сообщений
57
Рисунок 2.2 - Разбиение сообщения на пакеты и их сборка
58
Рисунок 2.3 - Семиуровневая архитектура взаимодействия открытых систем
Россия – гигантская по территории страна и ее социально-экономическое развитие во
многом определяется информатизацией на основе новых технологий. В соответствии с
правительственными решениями, каждый населенный пункт с населением свыше 500
человек должен иметь выход в ИНТЕРНЕТ. Для того, чтобы решить эту большую
задачу, необходимо решить следующие проблемы.
Во-первых, определить поэтапно спектр предоставляемых услуг с перспективой их
развития. Единая сеть должна объединять все органы управления, почты, организации
здравоохранения, образования и культуры и предоставлять населению широкий спектр
услуг. В перспективе каждый житель России от ребенка до пенсионера должен иметь
своего помощника – аватара для получения различных услуг в виртуальных мирах.
Во-вторых, ввиду неразвитости инфраструктуры связи возникает проблемы создания
такой инфраструктуры, которая поначалу могла бы объединить все районные центры
России, с использованием всех проводных и беспроводных средств связи,
оптоволоконных линий и систем с привязными аэростатами . Первый слой – это
системы проводной связи, наземные системы, второй слой – это системы на основе
привязных аэростатов и свободно летающих дирижаблей, третий слой – это системы на
основе использования спутников. Трехслойный ИНТЕРНЕТ имеет повышенную
надежность.
59
В-третьих, необходима разработка трехслойного ИНТЕРНЕТа, где надежность,
мобильность и высокую пропускную способность.
В четвертых, возникает проблема концентрации финансовых ресурсов для решения
этой задачи, с привлечением как местных и федеральных ресурсов, так и ресурсов
частных фирм.
В-пятых, решение проблемы информатизации регионов России – это задача
комплексного системного анализа территорий и ресурсов.
Помимо традиционных направлений работ коммуникационной отрасли одной из
задач при построении национальных систем связи является создание транспортной
среды, позволяющей осуществлять передачу первичных и тематически обработанных в
реальном масштабе времени сообщений к различным центрам генерации и анализа
комплексной информации и принятия решений.
2.2 Интернет вещей
Дальнейшим развитием вычислительных сетей является концепция Интернета
вещей (англ.Internet of Things )— вычислительной сети физических предметов
(«вещей»), оснащённых встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом
или с внешней средой, рассматривающая организацию таких сетей как явление,
способное перестроить экономические и общественные процессы, исключающее из
части действий и операций необходимость участия человека (Википедия).
Все люди взаимодействуют с вещами посредством визуальной, слуховой,
тактильной и вкусовой информации, но в данном случае речь идет о дополнительном
оснащении вещей датчиками информации. Концепция сформулирована в 1999 году как
осмысление
перспектив
широкого
применения
средств
радиочастотной
идентификации для взаимодействия физических предметов между собой и с внешним
окружением.
Наполнение
концепции
«интернета
вещей» многообразным
технологическим содержанием и внедрение практических решений для её реализации
начиная с 2010-х годов считается устойчивой тенденцией в информационных
технологиях, прежде всего, благодаря повсеместному распространению беспроводных
сетей, появлению облачных вычислений, развитию технологий межмашинного
взаимодействия, началу активного перехода на IPv6 и освоению программноконфигурируемых сетей.
Концепция и термин для неё впервые сформулированы основателем исследовательской
группы Auto-ID (англ.) при Массачусетском технологическом институте Кевином
Эштоном (англ.Kevin Ashton) в 1999 году на презентации для руководства Procter & Ga
mble. В презентации рассказывалось о том, как всеобъемлющее внедрение
радиочастотных меток сможет видоизменить систему управления логистическими
цепями в корпорации.
В 2004 году в Scientific American опубликована обширная статья, посвящённая
«интернету вещей», наглядно показывающая возможности концепции в бытовом
применении: в статье приведена иллюстрация, показывающая как бытовые приборы
(будильник, кондиционер), домашние системы (система садового полива, охранная
система, система освещения), датчики (тепловые, датчики освещённости и движения) и
60
«вещи» (например, лекарственные препараты, снабжённые идентификационной
меткой) взаимодействуют друг с другом посредством коммуникационных сетей
(инфракрасных, беспроводных, силовых и слаботочных сетей) и обеспечивают
полностью автоматическое выполнение процессов (включают кофеварку, изменяют
освещённость, напоминают о приёме лекарств, поддерживают температуру,
обеспечивают полив сада, сберегают электроэнергию). Сами по себе представленные
варианты домашней автоматизации не были новыми, но упор в публикации на
объединении устройств и «вещей» в единую вычислительную сеть, обслуживаемую
интернет-протоколами, и рассмотрение «интернета вещей» как особого явления
способствовали обретению концепцией широкой популярности и разработке
концепции умного дома.
В отчёте Национального разведывательного совета США (англ. National Intelligence
Council) 2008 года «интернет вещей» фигурирует как одна из шести потенциально
разрушительных технологий, указывается, что повсеместное и незаметное для
потребителей превращение в интернет-узлы таких распространённых вещей, как
товарная упаковка, мебель, бумажные документы, может нанести урон
национальной информационной безопасности.
Период с 2008 по 2009 год аналитики корпорации Cisco считают «настоящим
рождением „интернета вещей“», так как, по их оценкам, именно в этом промежутке
количество устройств, подключённых к глобальной сети, превысило численность
населения Земли, тем самым «интернет людей» стал «интернетом вещей».
С 2009 года при поддержке Еврокомиссии в Брюсселе ежегодно проводится
конференция «Internet of Things», на которой представляют доклады еврокомиссары и
депутаты Европарламента, правительственные чиновники из европейских стран,
руководители таких компаний как SAP, SAS Institute, Telefónica, ведущие учёные
крупных университетов и исследовательских лабораторий.
С начала 2010-х годов «интернет вещей» становится движущей силой парадигмы
«туманных вычислений» (англ. fog computing), распространяющей принципы облачных
вычислений
от центров обработки данных к огромному количеству
взаимодействующих
географически
распределённых
устройств,
которая
рассматривается как платформа «интернета вещей».
Начиная с 2011 года Gartner помещает «интернет вещей» в общий цикл зрелости новых
технологий на этап «технологического триггера» с указанием срока становления более
10 лет, а в 2012 году выпущен специальный цикл зрелости для технологий «интернета
вещей».
Задействование в «интернете вещей» предметов физического мира, не обязательно
оснащённых средствами подключения к сетям передачи данных, требует применения
технологий идентификации этих предметов («вещей»). Хотя толчком для появления
концепции стала технология RFID, но в качестве таких технологий могут
использоваться все средства, применяемые для автоматической идентификации:
оптически распознаваемые идентификаторы (штрих-коды, Data Matrix, QR-коды),
средства определения местонахождения в режиме реального времени . При
всеобъемлющем распространении «интернета вещей» принципиально обеспечить
61
уникальность идентификаторов
стандартизации.
объектов,
что,
в
свою
очередь,
требует
Для объектов, непосредственно подключённых к интернет-сетям, традиционный
идентификатор — MAC-адрес сетевого адаптера, позволяющий идентифицировать
устройство на канальном уровне, при этом диапазон доступных адресов практически
исчерпаем (248 адресов в пространстве MAC-48), а использование идентификатора
канального уровня не слишком удобно для приложений. Более широкие возможности
по идентификации для таких устройств даёт протокол IPv6, обеспечивающий
уникальными адресами сетевого уровня не менее 300 млн устройств на одного жителя
Земли.
Особую роль в интернете вещей играют средства измерения, обеспечивающие
преобразование сведений о внешней среде в машиночитаемые данные, и тем самым
наполняющие вычислительную среду значимой информацией. Используется широкий
класс средств измерения, от элементарных датчиков (например, температуры,
давления, освещённости), приборов учёта потребления (таких, как интеллектуальные
счётчики) до сложных интегрированных измерительных систем. В рамках концепции
«интернета вещей» принципиально объединение средств измерения в сети (такие, как
беспроводные датчиковые сети, измерительные комплексы), за счёт чего возможно
построение систем межмашинного взаимодействия.
Как особая практическая проблема внедрения «интернета вещей» отмечается
необходимость обеспечения максимальной автономности средств измерения, прежде
всего, проблема энергоснабжения датчиков. Нахождение эффективных решений,
обеспечивающих автономное питание сенсоров (использование фотоэлементов,
преобразование энергии вибрации, воздушных потоков, использование беспроводной
передачи электричества), позволяет масштабировать сенсорные сети без повышения
затрат на обслуживание (в виде смены батареек или подзарядки аккумуляторов
датчиков).
Спектр возможных технологий передачи данных охватывает все возможные средства
беспроводных и проводных сетей.
Для беспроводной передачи данных особо важную роль в построении «интернета
вещей» играют такие качества, как эффективность в условиях низких скоростей,
отказоустойчивость, адаптивность, возможность самоорганизации. Основной интерес в
этом качестве представляет стандарт IEEE 802.15.4, определяющий физический слой и
управление доступом для организации энергоэффективных персональных сетей, и
являющийся основой для таких протоколов, как ZigBee, WirelessHart, MiWi,
6LoWPAN, LPWAN.
Среди проводных технологий важную роль в проникновении «интернета вещей»
играют решения PLC — технологии построения сетей передачи данных по линиям
электропередач, так как во многих приложениях присутствует доступ к электросетям
(например, торговые автоматы, банкоматы, интеллектуальные счётчики, контроллеры
освещения изначально подключены к сети электроснабжения). 6LoWPAN,
реализующий слой IPv6 как над IEEE 802.15.4, так и над PLC, будучи открытым
62
протоколом, стандартизуемым IETF, отмечается как особо важный для развития
«интернета вещей»
Новую фазу в развитии интернета вещей открывает лингво-комбинаторный подход.
.
2.3 Финансовые информационно-вычислительные системы
Наибольшее влияние появление информационно-вычислительных сетей оказало
на финансовую систему мира. Возможность удаленного доступа для финансовых
операций различного рода позволила подключить в качестве активных участников
многие миллионы пользователей. Если раньше, пятьдесят лет назад, в биржевых играх
принимали участие тысячи богатых людей, то теперь в них участвуют десятки
миллионы людей с разным достатком. Ситуация на биржах меняется так быстро, что
обычному человеку крайне непросто принять правильное решение. В помощь ему
созданы многоагентные системы. На рис.2.4 изображена структура биржевых торгов,
где П – это люди-принципалы, имеющие юридическую и финансовую возможность
участвовать в торгах, в кружке значками обозначены агенты этих принципалов,
принципалы их программируют так, чтобы они отстаивали интересы конкретных
принципалов. Например, принципал может приказать своему агенту продавать акции,
если их цена станет выше определенной величины, и покупать их, если их цена станет
ниже определенной величины. Другое более сложное поведение агентов можно
запрограммировать, опираясь на 25 функций агентов, выявленных при анализе
служебных романов.
Рисунок 2.4. - Виртуальный мир банка, принципалы (П) и агенты (значки в круге).
Появление кредитных карт позволило ускорить оборот наличных денег в
десятки раз. В настоящее время главными кредиторами развития информационновычислительной техники выступают именно мощные финансовые структуры.
63
Внедрение сетей в финансовую сферу вызвало появление многих новых финансовых
инструментов, что привело в росту различных спекуляций и криминальных операций.
В настоящее время объем виртуальных финансовых средств во много раз превышает
мировой валовой продукт, что является причиной мировых финансовых кризисов. На
защиту информации тратятся колоссальные деньги и все равно из банков через сети
похищаются многие миллиарды долларов. Продолжается активная виртуализация
банков, все больше транзакций осуществляется через интернет-банкинг без посещения
помещений, где размещаются банки.
2.4 Роботы для диагностики трубопроводов
Постепенно все машины превращаются в роботов, появились и активно
используются беспилотные летательные аппараты, промышленные роботыманипуляторы активно используются в промышленности, подводные и космические
роботы исследуют океан и космос, создаются автомобили без водителей.
Использование роботов для контроля, диагностики и ремонта трубопроводов еще не
получили необходимого развития, хотя самые различные трубы являются основой
современной цивилизации – это водопроводы и канализация, нефтепроводы и
газопроводы, химические производства и энергетика. Трубы изнашиваются,
подвергаются коррозии и деформациям, поэтому нуждаются в контроле и
диагностике для предотвращения аварий. Существует большой арсенал средств для
решения этой проблемы, однако они нуждаются в улучшении.
Предлагаемый нами (М.Б.Игнатьев и др., Патент на изобретение №2571242)
автономный адаптивный шагающий робот, далее – робот) создан в целях диагностики
газопроводов без отключения подачи газа. Робот перемещается на многие километры
внутри трубы в потоке газа, откуда и черпает энергию; он не связан проводами с
оператором – результаты диагностики сообщаются оператору по беспроводной системе
связи. При создании робота были решены следующие проблемы.
Во-первых, проблема энергообеспечения. Все известные нам устройства для
контроля и диагностики получают энергию по проводам, что существенно
ограничивает их возможности. Мы предложили использовать поток газа для
получения необходимой электроэнергии с помощью оригинальной ветротурбины, а
в качестве исполнительных устройств применять оригинальные электромагниты на
основе сильных постоянных магнитов, что и позволило обеспечить необходимый
энергетический баланс. Большинство всякого рода трубопроводов заполнено
различными жидкостями. На период ремонта трубопроводы освобождаются от
жидкостей, и в них в качестве энергоносителя может подаваться сжатый воздух, из
потока которого робот может черпать энергию.
Во-вторых, проблема адаптации робота к различным выступам, изгибам и
деформациям при его перемещении внутри трубы. Эта задача решена нами путем
использования принципа адаптивного шагания. У робота девять ног, башмачки которых
поочередно втягиваются или вытягиваются до момента соприкосновения со стенками
трубы. Активизированные электромагниты ног играют роль магнитных пружин, что и
обеспечивает адаптацию к различным выступам, деформациям и изгибам.
В-третьих, проблема диагностики состояния трубы. Существует возможность
закреплять на теле робота различные диагностические устройства, web-камеры с
полупроводниковыми светодиодами для освещения внутренней поверхности трубы (до
шести таких web-камер для полного осмотра). Вместо web-камер можно установить
ультразвуковые генераторы и приемники для диагностики тела трубы (до
64
шести таких web-камер для полного осмотра. Вместо web-камер можно установить
ультразвуковые генераторы и приемники для диагностики тела трубы.
В-четвертых, проблема передачи информации человеку-оператору. Она решена с
использованием беспроводной передачи, ведь труба – это хороший волновод.
Таким образом, был создан робот как оригинальный программно-аппаратный комплекс,
позволяющий перемещаться внутри трубы газопровода и взаимодействовать с объектами.
Он обеспечивает информационное погружение человека-оператора во внутреннюю среду
газопровода в целях его диагностики.
Проведен анализ целей и задач использования робота в индивидуальном и групповом
режимах, на основе которого должны быть разработаны сценарии использования робота
для диагностики газопроводов различных типов.
Определен состав стандартных и специализированных программных и аппаратных
модулей типового класса роботов с возможностью индивидуального и группового
режимов работы. Автономный адаптивный шагающий робот существенно пополняет
арсенал средств для диагностики газопроводов и повышает их безопасность. Появление
киберфизических систем как отдельного класса знаменует новый уровень
взаимодействия между физическими структурами и системами управления.
Изготовлен экспериментальный образец автономного шагающего адаптивного роботадля
внутритрубной диагностики газопроводов (рис.2.5 - 2.13), который демонстрировался на
Всемирной выставке в Ганновере 8–12 апреля 2013 года. Выступая на открытии выставки,
канцлер Германии А. Меркель заявила, что развитие автоматизации позволяет
провозгласить «Промышленность 4.0». Впервые этот термин прозвучал на выставке в
2011 г. Ключевая часть концепции – информация, встраиваемая в продукт по мере его
продвижения по стадиям производства и позволяющая реализовывать полностью гибкое
производство. В настоящее время формируется система глобальной автоматизации (см.
подробнееhttp://ua.automation.com/content/o-chem-govorili-na-hannover-messepromyshlennost-4).
65
Рисунок 2.5 - Автономный шагающий адаптивный робот для диагностики
газопроводов (Санкт-Петербургский государственный университет
аэрокосмического приборостроения; авторы – профессор М. Б. Игнатьев, доцент
О.О.Жаринов, студенты Г. М. Герасимов, Я. А. Липинский, П. И. Макин,
В.А.Ненашев)
Рисунок. 2..6 -Примеры выявленных дефектов трубы
66
Рисунок 2.7 - Выявление незаконных врезок в газопровод
Рисунок 2.8 - Принцип перемещения робота в трубе
67
Рисунок 2.9 - Визуальная диагностика в косых лучах
Рисунок 2.10 - Построение развертки внутренней поверхности трубы
68
Рисунок 2.11. - Диагностика с помощью группы роботов
Рисунок 2.12. - Блок-схема системы управления роботом
69
Рисунок 2.13 - Экспертная система для диагностики
70
2.5 Как обустроить околоземное пространство для борьбы с
космическими угрозами
1. На данный момент сложились глобальные структуры в масштабах всей планеты
– это мощные газопроводные системы, мощные системы по передаче электроэнергии,
мощные транспортные системы железнодорожных дорог, авиационного, морского
транспорта и др.
2. Нарушения в работе таких систем ведут к катастрофам глобального масштаба,
отсюда вытекают требования повышенной надежности, непрерывного контроля и
диагностики. Эти задачи уже не могут быть решены только путем применения новых
информационных технологий, необходимо более глубокое проникновение в физику
процессов.
3. Описанные в этой книге новые модели атомов, организмов и других структур на
основе лингво-комбинаторного моделирования являются основой для получения новых
результатов в области киберфизики.
4.
Последнее, прежде всего, существенно для разработки новой элементной
базы с учетом структурированной неопределенности, определены необходимые и
достаточные условия синтеза нанороботов, которые могут быть основой элементной
базы нового поколения. Это важно, во-первых, с точки зрения экологии –
существующая элементная база в машиностроении и информационных системах не
предусматривает малозатратную утилизацию отработанных и устаревших устройств,
что привело к колоссальному захламлению нашей планеты и ближнего космоса.
Использование нанороботов с внешним управлением в качестве элементной базы для
построения самых различных машин и устройств в принципе открывает перспективы
сборки и разборки в соответствии с управляющими сигналами, позволяет осуществить
малозатратную утилизацию отработанных блоков и машин. Это направление
71
будет определять «Промышленность 5.0».
5.
Несмотря на всю большую проделанную работу, на планете остались
значительные белые пятна неразведанных полезных ископаемых в транспортно
малодоступных местах. Это во многом относится к России со слабой транспортной
инфраструктурой. Поэтому представляется перспективным использование семейства
шагающих машин, способных переносить тяжелые грузы по пересеченной местности.
6.
В связи с освоением космоса возникла угроза, созданная людьми, –
космический мусор. В настоящее время на орбите Земли находится свыше 600 тысяч
объектов размером от одного см и больше. Благодаря высокой скорости перемещения
эти объекты представляют серьезную опасность для спутников и пилотируемых
аппаратов. Для борьбы с космическим мусором США предлагают использовать
мощный лазер, а Япония – специальную сеть. Вклад России в решение этой проблемы
может быть весомым. Для того чтобы консолидировать научно-технические силы вузов,
академий и предприятий различных стран, как государственных, так и частных,
необходимо организовать специальный международный проект по обустройству
околоземного космического пространства для предупреждения и отражения космических
угроз (М.Б.Игнатьев, Л.Д.Парфиненко, Г.И.Пинигин «Проблемы обустройства
околоземного пространства для борьбы с космическими угрозами» Санкт-Петергубг, 2016,
- 127с.).
7. В последние годы активно рассматриваются различные аспекты так называемой
«кометно-астероидной опасности». Научный интерес в астрономии к этой проблеме
был всегда, поскольку в ее основе лежат фундаментальные задачи изучения
происхождения, строения и эволюции Солнечной системы и населяющих ее
небесных объектов (больших и малых планет, их спутников, комет, астероидов и пр.). С
другой стороны, астрономические наблюдения последних лет показывают, что
заселенность межпланетного пространства, в том числе и околоземного, природными
небесными телами типа астероидов, комет и их фрагментов достаточно высока, чтобы
представлять реальными их столкновения с Землей.
В настоящее время известно около 400 астероидов диаметрами от нескольких метров до
40 км, орбиты которых опасно сближаются с орбитой Земли (АСЗ – астероид,
сближающийся с Землей). Общее же число неоткрытых АСЗ может достичь, по
некоторым оценкам, 100 тысяч и более. Встреча Земли с одним из таких АСЗ может
иметь катастрофические последствия различной степени. Наиболее тяжелые,
глобальные и региональные катастрофы ожидаются от столкновения с АСЗ крупных и
средних размеров – от 100 м до десятков километров и более.
С большой достоверностью точечный процесс появления потенциально опасных
событий (потенциально опасных сближений Земли с астероидами) является
пуассоновским
с
постоянной
интенсивностью.
Пуассоновский
процесс
характеризуется
экспоненциальным
распределением
времени
между
последовательными скачками (точками экстремального процесса). От катастрофы до
катастрофы реализуется случайное число потенциально опасных событий
(В.Ю.Королев, И.А.Соколов «Математические модели неоднородных потоков
экстремальных событий» Москва, 2008.) .
8. Обсуждаемая в печати стратегия астероидной защиты Земли носит пока отвлеченный
характер. Основной акцент делается на сбор информации о характеристиках наиболее
опасных АСЗ диметрами более 1 км путем прогнозирования движения. В рамках
Международной программы астероидной опасности (Spaceguard Foundation) более 40
астрономических телескопов ведут регулярные наблюдения по обнаружению и
отождествлению малых тел Солнечной системы, в том числе и АСЗ. Малоразмерные
астероиды,
72
составляющие главную реальную угрозу при их падениих на Землю, более
многочисленны и менее изучены. Здесь, учитывая большую вероятность их
столкновения с Землей, наряду с мониторингом основное значение имеет предотвращение
столкновения путем отклонения или уничтожения АСЗ. В ряде работ обсуждаются
вопросы создания систем защиты от астероидной опасности различного назначения,
структуры, местоположения.
Развитие цивилизации на нашей планете позволяет поставить вопрос о
предотвращении космических угроз. Существуют различные проекты для достижения
этой цели, в частности, по борьбе с астероидной опасностью. Один из таких проектов –
гравитационный тягач (рис.2.14). Идея его заключается в том, чтобы изменить
траекторию движения астероида путем длительного гравитационного воздействия
космического корабля, который должен находиться рядом с астероидом и тем самым
изменять характеристики движения астероида.
Рисунок 2.14.-.Гравитационный тягач для борьбы с астероидной опасностью
Для иллюстрации проекта создан макет гравитационного тягача ( М.Б.Игнатьев,
Я.А.Липинский, А.А.Литовкин. Патент на полезную модель №149014). Макет (рис.
2.15) состоит из системы взаимодействующих тел, лазерного дальномера, блока
управления, двигателя и солнечной батареи. В макете гравитационные воздействия
моделируются магнитными взаимодействиями стального шара (модель астероида) и
сильных постоянных магнитов на подвижном основании. Шар перемещается по круговому
желобу. Принцип действия макета заключается в том, что с помощью лазерного
дальномера измеряется расстояние от подвижного основания, где установлены
постоянные магниты, до шара. С помощью блока управления и двигателя это расстояние
удерживается с точностью 1 мм в диапазоне 20–40 мм, тем самым имитируется
перемещение астероида под воздействием дополнительной гравитационной силы
космического аппарата.
Макет служит для лучшего понимания действия гравитационного тягача и может быть
использован в образовательных целях.
73
Как показывают исследования, с большим астероидом диаметром свыше 10 км
человечество на данном уровне развития цивилизации справиться не сможет, и тогда
большой катастрофы планетарного масштаба не избежать. Поэтому важны
теоретические исследования по разработке новой картины мира.
8.
В целом Луну можно считать идеальным местом для реализации
многих современных и будущих научных программ.
Рисунок 2.15 - Макет гравитационного тягача
Осуществление этих программ связано с созданием на Луне оснащенной долговременной
базы. С общих позиций, Луна является закономерным, неизбежным этапом освоения
человечеством космического пространства. Динамика этого процесса определяется научным
и технологическим уровнемразвитияземнойцивилизации.Прогнозыпоказывают,что
начальная стадия освоения Луныавтоматическими устройствами-роботами может быть
реализована в ближайшие 10–15 лет. Дальнейшее расширение работ на Луне и создание
обитаемой лунной базы (или базы) по широкому диапазону исследования Луны, с Луны и на
Луне просматриваются в перспективе ближайших 10–20 лет.
Луна сама по себе выполняет важные функции по защите Земли от астероидов,
притягивая часть астероидов и метеоритов на себя. Но одной Луны мало для выполнения
этой функции. Представляется целесообразным отбуксировать несколько астероидов на
лунную орбиту, распределив их равномерно по лунной орбите (рис. 2.16), тем самым
создав как бы экран для отражения космических угроз.
В настоящее время США, Китай, Европа и Россия развертывают работы по началу
освоения Луны. Лунная база рассматривается как перспективное место для расположения
службыастероидной безопасности.
74
Рисунок 2.16 - Расположение защитных станций на орбите Луны
По данным NASA, предстоящие лунные экспедиции будут гораздо продолжительней,
чем миссии «Аполлонов». Для пребывания на Луне астронавтам будет нужен лунный дом.
NASA планирует создание первой лунной базы к 2020 г. Первые четыре «селенита»
проведут на Луне 7 дней, но по мере расширения лунной базы время пребывания на ней
будет достигать 180 дней. Для жизни на Луне NASA сконструировало прототип надувного
жилого лунного модуля. Космический дом астронавтов имеет высоту 3,65 м, а надувной
каркас сделан из многочисленных слоев ткани. В последующие несколько лет инженеры
протестируют надувную оболочкуна жесткость, прочность и степень защиты от излучения,
чтобы лунные жители могли чувствовать себя как дома.
В СССР фирма академика В. П. Бармина в конце 60-х гг. ХХ в. построила макет
лунной базы под Ташкентом на местности, ландшафт которой напоминает лунный. В
Ленинградском институте авиационного приборостроения с участием автора для этой базы
разработан спектр робототехнических систем. Существуют различные проекты освоения
Луны, об одном из них рассказывал космонавт Н. Севастьянов. Доставлять на орбиту
космонавтов и грузы будет новый многоразовый корабль «Клипер». «Клипер»
вместе с буксиром, который придет на смену грузовым «Прогрессам», сможет перевозить
до 10 т грузов, что значительно сократит транспортные расходы. Пилотируемый «Клипер»
и разработанный в РКК межорбитальный буксир «Паром» образуют единый многоразовый
транспортногрузовой космический комплекс, который
будет
обслуживать
промышленноеосвоение Луны
В данное время складывается согласованное мнение о структуре лунной базы. Она должна
состоять из пяти блоков:
1) системы взлета-посадки, космопорта;
75
2) жилого комплекса, в котором долгое время (год в автономном режиме) могут жить
космонавты;
3) блока производства строительных конструкций из лунных материалов и
ремонтатехники;
4) блока добычи и переработки полезных ископаемых;
5) блока астрономических исследований.
http://www.universetoday.com/2007/02/27/nasa-reveals-a-sample-lunarbase/?1365
Для разработки этих блоков должны быть привлечены специалисты из разных
областей науки и техники и осуществлено комплексное моделирование.
Освоение космоса–результат развития всегокомплекса наук и образовательных программ.
Новые задачи по освоению космоса ставятновыезадачипередобразованиемипозволяютподнять
престиж образования, прежде всего, в области информатики, которая можетпостроить совершенные
моделибудущих космических кораблей и лунных баз. Запуск первого спутника Земли в СССР явился
триумфом советской образовательнойсистемы,и в СШАбыли срочно приняты меры по
совершенствованию образовательной системы. Прежде чем реально осваивать Луну и астероиды,
необходимо осуществить полномасштабное компьютерное моделирование различных вариантов в
целях выбора наилучших. Технология виртуальных миров обеспечивает погружение человека в
определенную среду (например, искусственно созданный трехмерный мир с шестью степенями
свободы) и взаимодействие (интерактивность) человека с объектами и персонажами этого мира в
реальномвремени с использованием физических, физиологических и других характеристик
человека. Технология виртуальных миров в настоящее время –это развитая отрасль
компьютерной науки.
Санкт-Петербургский
государственный
университет
аэрокосмического
приборостроения предлагает создать систему интерактивного трехмерного моделирования
лунной базы и других космических объектов на основе технологии виртуальных миров для
выработки проектных решений по различным объектам и системе машин для освоения
Луны и для обустройства околоземного космического пространства. Эти предложения были
доложены нами на латиноамериканскомфоруме PeRuSat-2013 в Перу в сентябре 2013г.
Проблемы обустройства околоземного космического пространства для борьбы с
космическими угрозами могут быть решены в рамках широкого международного
сотрудничества. Первая попытка организовать международное сотрудничество в космосе
была предпринята на Потсдамскойконференции,котораяпроходила под Берлином с 17 июля
по 2 августа 1945 года. В самом конце этой конференции глава делегации СССР И. В.
Сталин предложил рассмотреть вопросы освоения Луны, но это предложение было
отвергнуто представителями западных держав, а уже 6 августа была сброшена атомная
бомба на Хиросиму, и началась новая гонка вооружений. СССР первым запустил
искусственный спутник Земли в 1957 г., а в 1961 г. отправил в космос человека – Юрия
Гагарина. В 1969 г. США высадили экспедицию на Луну, и только в 70-е гг. ХХ в. удалось
осуществить первый совместный проект «Аполлон – Союз». В конце 90-х гг. бывший
министр обороны США Р. Макнамара и создатель американской водородной бомбы Э. Теллер
провели в России переговоры по борьбе с астероидной опасностью. В настоящее время
успешно функционирует Международная космическая станция и реализуются многие
международные космические проекты, но налаживание широкого международного
сотрудничества по борьбе с космическими угрозами требует нового уровня международного взаимодействия.
76
2.6 Роботы и искусственный интеллект
Прежде чем рассматривать современное состояние робототехники, которая
непрерывно развивается, хотелось сделать небольшое историческое введение.
Официально робототехника в нашей стране началась в 1972г, когда впервые вышло
специальное постановление Государственного комитета СССР по науке и технике и
было предусмотрено плановое развертывание научно-исследовательских и опытноконструкторских работ с целью создания широкого спектра роботов. Главным
конструктором по проблеме был назначен профессор Ленинградского
политехнического института Ю.И.Юревич, а его заместителями профессор
Ленинградского института авиационного приборостроения М.Б.Игнатьев и другие.
После 1955 года, когда была реабилитирована кибернетика в нашей стране,
неоднократно предпринимались попытки узаконить робототехнику, но они
заканчивались неудачей. В 1972г с помощью академика и адмирала А.И.Берга и Д.Ф.
Устинова, который потом стал министром обороны СССР, это удалось.
Но работы по созданию роботов начались гораздо раньше, этого прежде всего
требовали задачи атомной промышленности. Для работы с радиоактивными
веществами были созданы совершенные копирующие манипуляторы с
очувствлением и обратной связью по усилию схвата, это было в конце сороковых начале пятидесятых годов. Жаль, что сейчас эти технологии утеряны и их приходится
восстанавливать практически с нуля.
Что же было сделано с 1972 года? Во-первых, был разработан спектр
промышленных роботов, к концу 80-ых годов было изготовлено свыше 80 тысяч
промышленных роботов, которые помогли высвободить свыше одного миллиона
рабочих. Во-вторых, были созданы роботы для работ в экстремальных условиях –
под водой, в космосе и т.д. В-третьих, были начаты работы по созданию боевых
роботов, которые успешно продолжаются. В-четвертых, успешно проводились
работы по комплексной автоматизации промышленности, были созданы гибкие
автоматизированные производства, накоплен большой теоретический и практический
опыт. Если говорить о прошлом опыте, то следует отметить работы на заводах
Форда в начале двадцатых годов, когда инженер Гилбрет выделил основные
элементы рабочих движений –терблиги и приноровительные движения, что
позволило сформировать стандарты МОТ- Международной организации труда, что
использовалось при программировании промышленных роботов . Уже нами были
созданы языки ЛАРОТ – для роботизированного производства, язык ЛАСКИТ – для
автоматизации проектирования, язык ЛАДЕТ – для автоматизации научных
исследований и др.[5,6]. В настоящее время роботостроение – активно
развивающаяся отрасль науки и техники.
2.7 Структурирование робототехнических систем
77
Роботы – технические системы, состоящие из трех составных частей – во-первых,
это сенсорные структуры, которые поставляют информацию об окружающей среде, вовторых, это вычислительные структуры, которые
обрабатывают сенсорную
информацию и принимают решения, в-третьих, это движители, с помощью которых робот как
целостная система может активно взаимодействовать с окружающей средой, манипулировать
предметами и перемещаться, выполняя команды вычислительной структуры. Роботы могут
получать от человека задания различной степени сложности и могут их выполнять в
автономном режиме. В настоящее время в мире успешно функционируют свыше миллиона
роботов. В докладе [29] представлен обзор мировой и отечественной робототехники за
последние пятьдесят лет.
Основная проблема при создании роботов различного назначения – это
соотношение организованности среды и сложности роботов. В хорошо организованной среде
может успешно функционировать простой робот, в плохо организованной среде успешно функционировать может лишь сложный робот с искусственным интеллектом. Организация среды требует
больших затрат, чем больше будет затрачено средств на организацию среды, тем меньше будет
стоить сам робот. Практически очень важно найти правильное соотношение между затратами на
организацию среды и затратами на создание робота, это соотношение меняется в зависимости от
развития технологий и достижений науки. Появление дешевых мощных компьютеров привело к
реальному большому развитию робототехники во всех отраслях, которое сейчас сдерживается
медленным прогрессом в развитии движителей (электро, пневмо, гидро), параметры которых гораздо
хуже биологических мышц.
Это привело к созданию нового класса роботов – биороботов, когда биологическая структура
снабжается встроенными чипами, через которые осуществляется управление биоструктурой. В
качестве биоструктур используются насекомые, змеи, рыбы, дельфины – все животные вплоть до
человека. Для охраны границ уже сейчас используются лошади, верблюды и страусы со
встроенными чипами, что позволяет им точно выполнять предписания людей на больших
интервалах времени. Вместо встроенных чипов сейчас используют специальные системы
виртуальной реальности для животных [30].
Важен анализ структуры работ, для выполнения которых строятся роботы. В этом
направлении сделано немало – это и формирование конвейера Форда, стандарты МОТ, языки
ЛАРОТ, ЛАДЕТ, ЛАСКИТ и др. и артоника (исследование структур искусства на предмет
использования их в технике), и мотив - функции В.Я. Проппа и 25 функций исполнителейадминистраторов (поиск, препятствование, запрет, совершение ошибки, дача обещаний,
преодоление препятствия, достижение искомого, нарушение запрета, соперничество, обман,
выведывание, требование (настояние), арбитраж, обмен, выбор, вредительство, помощь,
соблазн или устрашение, подчинение, единомыслие, единство действий, воздаяние, перемена
места деятельности, устранение противника, уход) [10].
К робототехнике примыкают задачи искусственного интеллекта, но люди до сих пор
не разобрались, что такое естественный интеллект [27,28]. В физиологии и психологии
сложилось представление о шести уровнях интеллекта. Самый нижний уровень А – уровень
палеокинетических регуляций, который реализует простейшие защитные реакции. Далее
следует уровень В – уровень синергии, который регулирует перемещение организма как
целого. Третий уровень С – пространственное поле, который обеспечивает ориентацию в
ближайшем окружении. Четвертый уровень Д – уровень действия, который обеспечивает
регуляцию предметных действий. Пятый уровень Е – уровень концептуальных структур,
который обеспечивает фиксацию и дополнение концептуальной картины мира. Шестой
уровень F – метапознавательный уровень, который обеспечивает перестройку
концептуальной модели мира, это уровень функционирования творческих людей.
Современная компьютеризированная техника освоила уровни А.В.С.Д – это и управляемые
ракеты, это и адаптивные роботы, это и сложные автоматизированные системы. Уровни Е и F
наименее изученные, их - то и считают зоной интеллекта – естественного, искусственного
или комбинированного, гибридного. Но для того, чтобы разобраться с интеллектом, прежде
78
всего нужно исследовать естественный язык, который хорошо доступен для наблюдений и
экспериментов. Выше приводится материал по лингво-комбинаторному моделированию,
которое может быть использовано при управлении сложными системами.
Робот – непременный персонаж самых различных произведений искусства, от
Франкенштейна до последних фильмов Я-РОБОТ и АВАТАР. Самое слово РОБОТ пришло из
пьесы К.Чапека и происходит от славянского «рoбота». Идеи робототехники проникают в
общество прежде всего через искусство и роботы населяют виртуальные миры. Роботы в виде
аватаров являются главными действующими лицами различных виртуальных миров. Слово
АВАТАР значительно более древнего санскритского происхождения и означает
«нисхождение», в индуистской религии утверждается, что каждый бог обитает во множестве
тонко и грубо материализованных тел, но только одно из них является подлинным,
верховным, все же остальные суть нисхождения или аватары. В настоящее время слово
АВАТАР прочно вошло в кибернетику и информатику. Робот, аватар, агент – это помощники
человека, они должны помочь ему поддерживать здоровье, обучаться, помогать работать и
развлекаться. Возникли многоагентные системы. Робот – это партнер в сексуальных играх,
на этом строится многомиллионный бизнес. РОБОТ – это плод человеческого воображения.
Создание систем автоматики и роботов различных – это в основном
эмпирика. Но эмпиризм всегда определялся философией – от Платона до Гуссерля – в
качестве не философии – философской претензии нефилософии, неспособности себя
оправдать, оказать себе помощь в виде речи. Но эта неспособность, когда она принимается со
всей решительностью, в корне оспаривает решительность и связность логоса (философию),
вместо того чтобы подчиниться его вопрошанию. Но эмпиризм питается воображением –
сначала человек осуществляет мысленный эксперимент, потом строит машину или робота.
Далее следует важная фаза осмысления содеянного, и вот тут роль философии важна.
Философия направлена на выработку обобщенной системы взглядов на мир и на место в нем
человека. Мы можем добавить - и на выработку взглядов на место роботов в мире. В этой
связи интересно рассмотреть монадологию Лейбница [1]. Реальный мир, по Лейбницу,
состоит из психических деятельных субстанций, неделимых первоэлементов бытия – монад,
которые находятся между собой в отношении предустановленной гармонии. В силу этой
гармонии развитие каждой из них находится в соответствии с развитием других монад и
всего мира в целом. Деятельность монад состоит в смене восприятий (перцепций) и
определяется индивидуальным стремлением (аппетицией) монады к новым восприятиям.
Хотя вся деятельность монады исходит имманентно из самой монады, она в то же время есть
развертывание изначально заложенной в монаде индивидуальной программы. Монады
образуют восходящую иерархию сообразно тому, насколько ясно они представляют мир. В
этой иерархии особое место занимают монады, которые способны не только к восприятию
(перцепции), но и к самосознанию, апперципции и к которым Лейбниц относил души людей.
Мир физический, как считал Лейбниц, существует только как несовершенное, чувственное
выражение истинного мира монад, как феномен познающего мир человека. Как очевидно,
монадология сильно перекликается с современной теорией агентов и роботов. Интересным
является пересечение с философией персонализма, где на первый план выдвигается
человеческая личность во всей полноте ее конкретных проявлений, в ее неповторимой
индивидуальности. Личность превращается в фундаментальную онтологическую категорию,
основным проявлением бытия, в котором волевая активность, деятельность сочетается с
непрерывностью существования.
Интересен факт существования первого симфонического ансамбля Моссовета,
симфонического оркестра без дирижера [13]. Основной принцип – творческая активность
каждого артиста ансамбля.
Важен введенный Жаком Деррида термин деконструктивизм (разбор, разнесение
некой конструкции). Основная идея этого термина заключается в том, что мы имеем дело не с
реальностью, а с реальностями, которые описываются разными языками. Есть политическая
реальность, экономическая реальность, символическая, сновиденческая. И возникает такой
момент, когда языки, описывающие реальность, начинают отставать от реальности,
79
которую представляют, скрывают, уводят от нее. Тогда и требуется аппарат деконструкции,
освобождение реальности из-под гнета ложных презентаций. Поэтому творчество Деррида
вызывало гнев у консервативной части философского истеблишмента, ведь он подрывал
основы профессиональной философии. История его работ, его опытов деконструкции –
череда скандалов. Политики и масс-медия создают язык, который описывает политическую
действительность. И то, что не вписывается в этот языковый мейнстрим, в эту болтовню
узнаваемого – отвергается. Главным тезисом становится – «этого не надо говорить, потому
что мы знаем, что нужно говорить». В результате у нас нет журналистики. Потому что и
журналисты, и политики говорят на одном и том же языке.
Следует остановиться на некоторых сторонах управления движениями биологических
объектов. Движению живого существа (в частности, человеку) присущ целостно-связный
характер действия. Одним и тем же совокупностям сигналов с сенсорных систем могут
соответствовать самые разнообразные двигательные реакции. Это явление существует на всех
уровнях биологической системы управления движениями и явно выражено в явлениях
экстраполяции, интерполяции и антиципации [11]. Антиципация — представление
человеком результатов своего действия еще до его осуществления
Следует указать также на вариативность действий человека, которая проявляется во
взаимозаменяемости поз и траекторий движения биологических объектов.
В экспериментальной психологии описаны две формы обобщенности двигательного
поведения: обобщенность ответов и обобщенность действия при переходе из одной ситуации в
другую. Под обобщенностью ответов подразумевают то общее, что проявляется в различных
вариациях движений, направленных на выполнение одной и той же цели. А под
обобщенностью действий понимают то общее, что проявляется при движениях,
направленных на достижение разных целей. Обобщенность действий является проявлением
особенностей программирования движений.
Все эти особенности построения движений находят свое суммарное выражение во
взаимозаменяемости исполнительных органов при выполнении движений, т. е. одна и та
же программа движений может быть выполнена различными исполнительными
органами. Например, писать можно правой, левой рукой или же с помощью ног. При этом
основные
особенности
почерка
индивидуума
сохраняются.
Универсальность
функционирования имеет место на всех уровнях поведенческих актов — начиная от
манипулятивной деятельности и кончая функциями человека-оператора как управляющего
звена системы человек — машина. Границы универсальности определяются лишь
временными характеристиками переработки информации, пределами пространственной
досягаемости и энергетическими ограничениями.
Никаких других ограничений
универсальности действий со стороны жесткой конструкции нервной и скелетномышечной системы обнаружить нельзя. Именно из универсальности вытекает огромный,
практически неисчерпаемый диапазон возможностей ручного труда.
Вариативность и универсальность управления движениями обеспечивает высокую
надежность функционирования биологической системы, позволяя реализовать множество
различных вариантов двигательного решения и свободно заменить почему-либо не
осуществимый вариант действия другими. Надежность связана с той или иной формой
запасных возможностей, т. е. с избыточностью. Введение организованных помех, снижающих
процесс распознавания букв перцептивным устройством на 85%, оказывает совершенно
80
ничтожное воздействие на деятельность человека. Последний в этих условиях сохраняет
почти полную помехоустойчивость. Недостаточная локальная точность достижения цели при
отсутствии сигналов с датчиков является слабым местом биологических систем управления
движениями. Величина отдельных координат может быть выдержана при движении
биологических систем лишь весьма приблизительно. Локальная точность таких систем
составляет примерно 5—10% от величины динамического диапазона.
Все эти особенности построения движений в биологических системах четко проявляются
в таких действиях, как перемещение с помощью ног. Ходьба и бег по пересеченной местности
являются апофеозом приспособительных возможностей биологических систем.
2.8 Основные уровни управления поведением робота
При ручном управлении манипулятором без посредничества вычислительной машины
человек-оператор с помощью специального корсета или ручек управления посылает сигналы на
приводы механической руки, заставляя ее тем самым выполнять различные движения. Этот наиболее распространенный способ управления, называемый управлением в коде движений, является
очень сложным для человека-оператора. Оператор быстро утомляется, а точные движения вообще
не может выполнять. При отсутствии визуальной информации о перемещениях руки манипулятора
(необходимость работы в таких условиях имеет место довольно часто) качество управления резко
ухудшается, несмотря на информацию от других датчиков.
Применение вычислительной машины позволяет существенно облегчить управление
манипулятором. Роль оператора в этом случае сводится к управлению в коде команд, когда нажимая
соответствующие кнопки, он посылает команды типа ВЗЯТЬ, ПЕРЕНЕСТИ и т. д. При
использовании вычислительной машины для этих целей естественно возникает понятие об уровнях
управления. В разработанных в настоящее время программах можно выделить три уровня [3-37].
Входные программы первого, низшего уровня задают значения каждой из координат
степеней подвижности исполнительного органа робота. Низший уровень формирует управления
приводами степеней подвижности.
Входными командами второго уровня являются команды, задающие различные движения
рабочему инструменту, закрепленному на конце манипулятора. Такими командами МОГУТ быть:
ПРИВЕСТИ ИНСТРУМЕНТ В ПОЛОЖЕНИЕ (а), ПЕРЕМЕСТИТЬ ИНСТРУМЕНТ В
НАПРАВЛЕНИИ (х) и т. п. Частные случаи этих команд: НАЙТИ, ВЗЯТЬ, ПЕРЕНЕСТИ,
ПОЛОЖИТЬ, ОТКРЫТЬ ДВЕРЦУ, НАВИНТИТЬ ГАЙКУ. При этом ВЗЯТЬ можно только
найденный или указанный предмет, ПЕРЕНЕСТИ можно только взятый предмет, ПОЛОЖИТЬ
можно только взятый или перенесенный предмет, ВЗЯТЬ можно либо одной, либо двумя, либо
тремя руками и т. д. С помощью вычислительной машины осуществляется расшифровка этих команд
и их перевод на входной язык низшего уровня.
Входными командами третьего, высшего уровня являются сложные команды типа
ПОСТРОИТЬ СООРУЖЕНИЕ, РАЗГРУЗИТЬ СУДНО и т. п. На этом наименее разработанном
уровне должна осуществляться сложная логическая обработка информации об окружающей среде,
положении робота и рабочих предметов. На выходе этого уровня имеем набор входных команд для
второго уровня.
Информация о взаимном расположении частей манипулятора, о соприкосновении с
окружающими предметами используется на всех уровнях. Человек-оператор осуществляет
управление на высшем уровне и имеет возможность вмешиваться в управление и на
других уровнях. Задачи управления первого уровня решаются в рамках традиционной
81
теории автоматического регулирования с учетом особенностей привода и конструкции роботов.
Второй уровень, называемый тактическим, является своеобразным генератором управляющих
сигналов для низшего уровня управления.
Третий уровень назовем стратегическим уровнем управления. Его разработка связана с
исследованием поведения сложных систем. Для решения задач на этом уровне привлекаются
различные методы эвристического программирования и теории игр. При этом оказывается возможным
использовать результаты исследования поведения людей в различных ситуациях. Хотя кибернетика
развивается, ее методы и аппарат едва приоткрыли дверь в мир социальных явлений и процессов,
протекающих на фоне столкновения действий, идей и чувств.
Первая работа, в которой были сформулированы некоторые принципы научного анализа
действий в конфликтных ситуациях,— книга фон Неймана и Моргенштерна «Теория игр и
экономическое поведение» — вышла в 1944 г. и до сих пор не потеряла своего значения. Но
теоретико-игровая модель конфликта ограничена. Она не может выявить природу конфликта, скрытые
пружины человеческой деятельности в различных ситуациях.
Классическая трагедия и серьезный роман по-прежнему остаются одним из источников наших
знаний о человеческом поведении. И именно в рамках художественной литературы появились первые
произведения, описывающие поведение роботов. Эти произведения, принадлежащие перу Э. Т.
Гофмана, М. Шелли, К. Чапека, А. Азимова и других писателей, могут служить источником моделей
поведения роботов и их взаимоотношения с людьми. Еще предстоит тщательно изучить всю
литературу о роботах: от народных сказаний и былин до самых последних романов, где роботы уже
прочно стали неотъемлемой деталью производственной и бытовой среды близкого будущего.
2.9 Лиегвистический полход к анализу уровневой структуры
системы управления роботов
Характерной особенностью сложных систем управления является иерархичность их
структуры и наличие управляющих воздействий, связанных с переработкой большого количества
информации. В связи с этим перед теорией сложных систем ставится задача математического
описания состояния управляемых элементов, передачи информации, процессов ее переработки,
выдачи управляющих сигналов и т. п.
Если пользоваться обычными методами математического описания функционирования
элементов таких систем, то получающиеся соотношения будут чрезвычайно сложны, громоздки и
труднообозримы. Поэтому в настоящее время наиболее целесообразным методом анализа сложных
систем представляется моделирование на вычислительных машинах процессов их
функционирования. Но применение вычислительных машин не ограничивается только анализом
сложных систем, ЭВМ оказываются незаменимыми и при синтезе сложных систем управления.
Система управления роботом-манипулятором — типичный пример сложной системы,
имеющей иерархическую структуру. Наиболее общим подходом для анализа и синтеза подобных
систем является лингвистический подход.
Перечислим основные черты лингвистического подхода применительно к широкому классу
сложных систем. Во-первых, в структуре системы выделяются отдельные уровни, описываемые
каждый своим языком со своим словарем и грамматическими правилами. Во-вторых, процесс
достижения цели системой рассматривается как процесс перевода с языка одного уровня на язык
другого уровня. В-третьих, для количественной характеристики этого процесса вводятся понятия
изоморфного и гомоморфного переводов, идиоматики различных языковых уровней,
неопределенности задания, меры сложности перевода с одного уровня на другой и т. д.
Например, сложность автоматизации проектирования или производства каких-либо
объектов определяется затратами на перевод с соответствующих уровней. Затраты на перевод
82
определяются во многом объемом трансляции. Чтобы уменьшить сложность трансляции, пытаются
разрабатывать по возможности близкие языки.
Используя ту или иную последовательность правил, можно построить слово (фразу) на
языке k-го уровня. С помощью тех или иных последовательностей правил может быть построено
огромное число грамматически правильных слов (или фраз) на языке данного уровня, каждое из
которых представляет собой некоторую команду управления, которая должна быть передана на
более низкий уровень.
Таким образом, располагая ограниченным алфавитом символов и числом правил,
хранимых в памяти системы управления, можно построить огромное количество слов (фраз),
представляющих собой разнообразные команды управления. Задача передачи команды управления с
одного уровня на другой будет заключаться лишь в переводе слова, записанного на языке одного
уровня, на язык другого уровня.
Поэтому, кроме алфавита и правил обоих языков, необходимо иметь еще и транслятор, т.
е. правила перевода с одного языка на другой. Если иерархическая система управления состоит из t
уровней, то значит она должна иметь t словарей, t грамматик и t — 1 транслятор.
При рассмотрении лингвистической структуры алгоритмов управления роботамиманипуляторами следует разделить языки управления на две большие группы: «входные языки» и
«языки программирования». Разница между этими языками такая же, как между правилами
пользования радиолой или магнитофоном и нотной записью. В первом случае входной язык
позволяет выбрать пластинку или магнитофильм и нажать соответствующие кнопки, во втором случае
«язык программирования» должен обеспечить возможность записи или исполнения того или иного
музыкального произведения.Рассмотрим кратко входные языки для роботов. Наиболее подходящим, на первый взгляд, является ограниченный естественныйязык — русский, английский и т.
п. Однако ограниченный естественный язык удобен человеку, но не вычислительной машине.
Ученые, работающие в области связи человека с вычислительной машиной, считают, что общение
на естественных языках, кроме прочих причин, неудобно из-за того, что для разговора машин,
сконструированных в разных странах, необходимы машины-полиглоты, понимающие различные
языки. Особенно неудобны для связи наиболее распространенные языки — русский и английский.
В связи с этим Б. Б. Гурфинкель предложил построить единый «родной язык машин» и придать
ему некоторую фонетическую структуру. Основные свойства этого языка следующие:
1) в основу фонетики положены открытые слоги — БА, ДУ, МИ и т. п.;
2) во избежание фонетической неопределенности глухие и звонкие слоги типа СО
и 3О, должны быть равнозначными;
3) отношение между словами должно выражаться не суффиксами и окончаниями, а с
помощью служебных частиц.
По-видимому, не всегда удобно отдавать роботу приказания на естественном языке. Часто
сложная двигательная задача значительно проще может быть выражена с помощью рисунка. В связи
с этим представляют интерес графические языки для записи движений человека, используемые в
хореографии (кинетография Р. Лабана, мотография А. П. Валышева и др.).
Известен метод общения человека с вычислительной машиной при помощи «светового
пера». Человек может рисовать на экране рисунки, писать слова, фразы, и вся эта информация будет
автоматически вводиться в память вычислительной машины.
Вот при такой связи с ЭВМ и удобно использовать графические (иероглифические) языки для
записи движений роботов-манипуляторов. Человек-оператор сможет прямо на экране записывать
движения робота, которые вслед за этим будут выполняться автоматически.
83
По своей структуре входные языки можно разбить на ранги (или уровни). К низшему рангу
относятся языки, позволяющие описывать движения в коде операций (например, ПРАВАЯ НОГА
НА 10 СМ ВПЕРЕД), языки иероглифического типа и т. п. Запрограммировать сложное задание е
помощью входного языка низшего ранга чрезвычайно сложно. Для этого предназначены языки более
высоких рангов. Эти языки позволяют отдавать команды в обобщенном виде: ПОГРУЗИТЬ ВСЕ
ЯЩИКИ РАЗМЕРОМ 10x50x100 НА АВТОМАШИНУ. Чем выше ранг входного языка, тем больше
неопределенности в формулировке задания. В нашем примере робот может начинать поиск
соответствующих ящиков слева, справа или с середины и т. п. Если бы задание роботу выдавалось на
языке самого низкого ранга, то было бы указано, откуда надо начинать поиск ящиков, каким образом
их брать, по какой траектории переносить на автомашину и т. д.
Перейдем к рассмотрению языков программирования роботов, т. е. языков, с помощью которых
составляются различные подпрограммы поведения роботов. Эти языки совершенно не обязательно
знать пользователю так же, как пользователю вычислительной машиной не обязательно знать
структуру стандартных подпрограмм, имеющихся в библиотеке СП данной ЭВМ, а достаточно лишь
уметь к ним обращаться.
Языками программирования роботов могут быть любые математические языки — язык
дифференциальных уравнений, язык теории конечных автоматов, язык исчисления предикатов и т.
п. С помощью этих языков решаются задачи определения оптимальных траекторий при движении
робота от одной точки пространства к другой, задачи обхода препятствий, задачи управления
движениями нескольких рук. Языки программирования роботов носят чисто математический
характер и будут рассмотрены ниже.
Так же, как и входные языки, языки программирования можно разделить на ранги (или уровни).
При этом к языкам высшего ранга относятся наиболее сложные языки для программирования
двигательных задач. Тогда к языку самого высокого ранга следует отнести язык кода движений.
Если рассматривать какую-либо определенную задачу, то неопределенность в формулировке
задания будет наибольшей для входного языка высшего ранга и наименьшей для языка
программирования.
Действительно, задача отыскания, например, - всех кубиков с ребром не более 5 см очень
неопределенна, и ее можно решать самыми различными способами. Та же задача, записанная на
входном языке низкого ранга, имеет меньшую неопределенность (передвигать схват направо до
конца стола; если встретится препятствие, определить куб ли это; если это куб, то превышает ли его
ребро 5 см и т. д.), и совсем небольшой будет неопределенность при записи задачи в коде движений
(правда, записать такую задачу в коде движений, например, с помощью изменений углов между
сочленениями, практически невозможно). Обратная зависимость получается для количества знаков,
используемых при формулировке того же задания. Очень сложное задание можно выразить на
входном языке высшего ранга буквально несколькими словами или даже знаком (иероглифом), в то
время как на языке кода движений количество знаков стремится к бесконечности (рис.2.17).
Рисунок 2.17 - Диаграмма изменения неопределенности задания
84
Большой интерес представляет мощность языка данного уровня. Будем считать, что язык
уровня k более мощен, чем язык уровня (k — 1), если одна команда языка уровня k переводится в
несколько команд уровня (k — 1). Это значит, что оператор, задав какую-либо команду на языке k го уровня, может предоставить ЭВМ выбрать лучшую команду (k — 1)-го уровня. При этом
возникают следующие трудности. Задачи перевода команд с одного уровня на другой могут
чрезвычайно загрузить ЭВМ, что, естественно, отрицательно сказывается на системе управления
роботом. Разумный выход из этого положения - дать человеку-oператору возможность заранее
разбить задачу на некоторые подцели, что резко уменьшит число анализируемых альтернатив.
Очевидно, что с увеличением мощности команд загрузка ЭВМ вычислительной работой растет.
Кроме того, команды могут стать настолько громоздкими (обширными), что человекуоператору станет чрезвычайно трудно их использовать. В настоящее время еще нет общего метода
для разрешения этих трудностей, но для отдельных проблемно-ориентированных систем
разработаны языки разных уровней, хорошо согласованные друг с другом.
2.10 Робот как многоцелевая система с избыточностью
Как было отмечено выше, характерной чертой биологических систем является их
универсальность, которая достигается за счет избыточности. Механические руки робота тоже
предназначены для выполнения многих работ, поэтому их кинематические схемы содержат
значительно большее число степеней подвижности, чем то, которое не обходимо для выполнения
какой-либо работы. На рис. 2.18 изображена кинематическая схема руки манипулятора, где.хi, yi, zt—
координаты шарниров.
-
Рисунок 2.18 - Кинематическая схема манипулятора
Каждый шарнир имеет одну или две угловые степени подвижности. Осуществление движения
в каждой из степеней подвижности производит изменение положения конечной точки руки
манипулятора (схвата с инструментом) так, чтобы выполнить ту или иную работу: завинтить гайку,
взять предмет и перенести его в заданное место и т. д.
Для выработки сигналов, управляющих приводами руки манипулятора, необходимо
построить ее математическую модель. Система алгебраических уравнений с переменными —
координатами шарниров и может быть такой моделью :
(xi – x i+1)2 + (yi - yi+1)2 + (zi -zi+1)2=li 2
i = 0, 1, . . ., n,
85
где lt — длины соответствующих стержней; n — число стержней. Определение координат
шарниров в функции от координат схвата x4 , y4, Z 4 которые обычно задаются с верхнего уровня
управления, и составляет главную задачу управления манипулятором. Для ее решения необходимо
решать приведенную выше систему уравнений, в которых число переменных больше числа
уравнений связи. Анализ различных систем
типа
манипулятор
показывает, что они
описываются системами конечных уравнений. Разница между числом переменных п и числом
уравнений т, т. е. п — т, называется естественной избыточностью таких систем .
Одна из главных и наиболее трудных задач при создании роботов-манипуляторов, управляемых
ЭВМ, — это разработка алгоритмов управления роботами. При этом необходимо учитывать, что в
этой задаче рассматриваются системы с естественной избыточностью, что позволяет использовать
метод избыточных переменных для управления этими системами на некоторых уровнях
иерархической системы управления. И автоматический манипулятор, и шагающая машина,
представляющая собой очевидное развитие манипулятора применительно к решению задачи
перемещения, являются многоцелевыми системами. Например, управление механическими ногами
может быть нацелено на выполнение различных заданий: в одном случае это преодоление рва, в
другом — перешагивание через барьер, в третьем — бег по ровной дороге. Поэтому, прежде чем
переходить к анализу структуры управления этими системами, попытаемся сформулировать
некоторые общие принципы использования избыточности в многоцелевых системах.
Во-первых, это принцип концентрации усилий, в соответствии с которым многоцелевая
система мобилизует все свои ресурсы для достижения какой-то одной конкретной цели.
При этом элементы системы, предназначенные для использования при достижении других целей,
выступают как избыточные и используются для улучшения качественных показателей решения
основной задачи. Этот принцип совпадает с принципом доминанты, который наблюдается в живых системах.
Во-вторых, принцип неоднородности, в соответствии с которым многоцелевая система может
существовать только как многоуровневая структура, между уровнями которой существуют
отношения подчиненности. Иерархическая структура не может быть реализована в однородной
структуре. Наглядной иллюстрацией этого принципа может быть решение задачи построения
движений у человека и животных.
В-третьих, принцип перемены цели в качестве средства приспособления к окружающей
среде. В противоположность одноцелевым системам многоцелевые системы имеют большие
преимущества благодаря возможности изменения цели в соответствии с изменяющейся обстановкой.
Особенно эффективно этот принцип реализован в вычислительных системах с разделением времени, в
которых задачи заказчиков пропускаются через процессор таким образом, чтобы обеспечить
максимальную производительность.
Следующий принцип — принцип совместимости, по которому, во-первых, различие в целях
каждого уровня не может быть слишком большим, цели должны частично пересекаться, и, во-вторых,
уровни многоцелевой системы должны быть совместимы по языку, т. е. должна быть возможность
перевода с одного уровня на другой.
Наконец, принцип ведущего слабого звена, по которому, если в системе для достижения
цели объединяются слабые и сильные звенья, то для максимального использования всех возможностей
сильные звенья подстраиваются под слабые, так как адаптационные возможности последних меньше.
Например, если в шагающей машине частично вышла из строя одна из ног, то именно она должна
играть ведущую роль в алгоритме управления всеми ногами, так как только в этом случае оказывается
возможным использовать оставшиеся исправными степени подвижности поврежденной ноги.
На практике эти принципы могут быть реализованы с помощью эвристических приемов. Но
если имеется математическая модель, то их реализация облегчается. Например, принцип
концентрации усилий реализуется с помощью сведения задачи достижения цели к достижению
глобального экстремума, для чего система должна допускать интерпретацию в виде экстремальной
модели. При программировании манипулятора это приводит к минимизации расстояния между
86
схватом манипулятора и точкой цели, при этом движение осуществляется на пересечении
многообразий, заданных кинематикой манипулятора. При включении в число координат состояний
датчиков, расположенных на схвате манипулятора, оказывается возможным свести к такой форме
задачу построения более сложных движений, таких как ОТЫСКАТЬ ОБЪЕКТ, ВЗЯТЬ ОБЪЕКТ и т. д.
Рассмотренные системы являются единством конструкции, энергии и информации, и в
неоднородной структуре возможны обменные соотношения между этими компонентами. Например,
требования к механической части манипулятора, управляемого непосредственно человекомоператором, оказываются значительно выше по сравнению со случаем, когда оператор управляет
манипулятором с помощью вычислительной машины и заложенные в ЭВМ алгоритмы позволяют
корректировать многие дефекты механической системы. Здесь появление нового уровня —
вычислительной машины — позволяет уменьшить затраты на конструктивном уровне за счет
увеличения затрат на информационном уровне.
Аналогичное явление имеет место и в шагающих машинах: чем больше число ног, тем проще
управление системой (например, для поддержания равновесия). Обратившись к животному миру, мы
видим, что, чем выше организация нервной системы биологического объекта, тем меньше ног этот
объект имеет и тем сложнее, следовательно, у него структура системы управления движениями.
В отличие от системы с искусственно введенной избыточностью, где исходная задача
погружена в расширенную систему, в многоцелевых системах с естественной избыточностью каждая
из задач погружена во множество пересекающихся задач, которые и образуют расширенную
систему. В таких системах, по сути дела, отсутствуют элементы, введенные только для увеличения
надежности или других показателей качества решения отдельной задачи, что увеличивает
эффективность систем. В этом проявляется качественное отличие многоцелевых систем от
одноцелевых.
Развитие теории многоцелевых систем еще только начинается. Можно отметить в последнее
время появление большого количества многоцелевых систем, что связано с бурным научнотехническим прогрессом, так как, по-видимому, только многоцелевые системы могут избежать
опасности быстрого морального старения.
Робот-манипулятор по своим задачам является многоцелевой системой, и поэтому он
содержит естественную избыточность. Разработка алгоритмов управления системы с избыточностью
является первостепенной задачей. Применительно к биологическим системам Н. А. Бернштейн
писал, что «координация движений есть преодоление избыточных степеней свободы движущегося
органа и превращение его в управляемую систему». Это полностью справедливо и для роботовманипуляторов.
2.11 Основные элементы роботов-манипуляторов
Структура роботов начала складываться чрезвычайно давно. Первой компонентой робота
является его механическая конструкция (в простейшем случае рука), которая в разное время
приводилась в движение либо силой падающей воды (Герон Александрийский), либо человеком
через рычажно-веревочные передачи, либо часовым механизмом. В 30—40-е годы XX в. стали
бурно развиваться электрический и гидравлический приводы, которые в дальнейшем были
автоматизированы. Различного рода приводы можно отнести ко второй компоненте робота. Третья
компонента — датчики информации, телевизионные системы — получили развитие в 40—50-е
годы нашего столетия. И, наконец, четвертая компонента — электронная вычислительная машина
— появилась в начале 50-х годов.
70-е годы XXв. явятся эпохой создания систем из этих компонент, их интегрирования в
единую систему типа «робот». Целью этой главы является анализ технических средств, которые
87
используются или могут быть использованы в качестве аппаратурного обеспечения роботов.
Сначала рассмотрим механические конструкции роботов.
Наличие механических конечностей является характерной особенностью роботов как
систем. В одних случаях эти конечности выступают в качестве механических рук —
манипуляторов, в других случаях — в качестве ног. С помощью этих конечностей робот
осуществляет активное взаимодействие с окружающей средой. Манипуляторы служат для
выполнения различных работ, ноги — для перемещения робота и изменения его позы.
Манипуляторы. Они являются одной из наиболее разработанных механических частей
роботов. Основная задача манипулятора заключается в воспроизведении движений руки человека.
Поэтому для того, чтобы создать манипулятор, приближающийся по своим кинематическим и
динамическим характеристикам к руке человека, необходимо учитывать биомеханические
особенности руки.
В этом направлении проделана большая работа и созданы разнообразные конструкции
манипуляторов с электрическим, гидравлическим или пневматическим приводом. Их
предшественниками были копирующие манипуляторы, управляемые непосредственно человеком и
являющиеся лишь удлинителями рук человека. Все многообразие их конструкций укладывается в
рамки кинематической разомкнутой цепи с шарнирами (рис. 2.18).
Манипуляторы отличаются друг от друга, прежде всего, числом степеней подвижности. У
одних она минимальна и равна трем. К ним относится манипулятор промышленного робота
«Версатран», который работает в цилиндрической системе координат.
Большинство манипуляторов имеют семь степеней подвижности и лишь некоторые их них
десять. С ростом числа степеней подвижности возрастает разнообразие работ, выполняемых
манипулятором, но при этом усложняется процесс управления им. На рис. 2.19 приведены
кинематические схемы действующих манипуляторов четырех типов, которые представляют
собой сочетания поступательных и вращательных звеньев.
Большим разнообразием отличаются конструкции схвата манипулятора. Обычно
предусматривается автоматическая смена инструмента, который вставляется вместо схвата при
выполнении отдельных работ.
Важным отличием одних конструкций манипуляторов от других является место расположен
двигателей, которые поворачивают отдельные звенья манипулятора. В ранних конструкциях
двигатель размещался вне руки, и усилия от него передавались либо с помощью тросовой
передачи, либо с помощью зубчатых передач.
Позднее появились манипуляторы с гидроприводом, рабочие цилиндры которого
размещались прямо на суставах руки. В последнее время, в связи с появлением волновых редукторов,
оказалось возможным существенно усовершенствовать электропривод и размещать его также на суставах
манипулятора. Описанию конструкций манипуляторов посвящена довольно обширная литература.
Поэтому, не останавливаясь подробно на этом вопросе, перейдем к описанию конструкции подвижной
платформы, на которой может быть установлен манипулятор.
Механизмы для передвижения роботов. Во многих роботах для перемещения
используется шасси колесного типа. Но в ряде случаев оказывается целесообразным использование
шасси с шагающими устройствами. Их конструкции еще далеки от совершенства, но уже можно
описать некоторые типы шагающих машин. Выбор оптимальной схемы перемещения для
подвижных объектов типа «робот» играет решающую роль в повышении эффективности.
Число степеней подвижности отличается от числа степеней свободы механической системы. Степе
подвижности — это просто число координат системы, которые могут изменяться. А число независим
88
обобщенных координат называется числом степеней свободы всей системы и определяется требованиями
эксплуатационным характеристикам, состоянием поверхности и окружающей среды. Ниже
приводится сравнительный анализ трех основных типов движителей: гусеничного, колесного и шагающего
»
–
а — «Версатран»; б — «Мастэр- слейв»; в — «Маскот»; г —«Битл»
Рисунок 2.19 - Кинематические схемы манипуляторов
Справедливости ради, следует отметить, что до настоящего времени для наземного перемещения
использовались лишь движители первых двух типов и лишь с расширением области их применения и
необходимостью проникновения в труднодоступные районы появились движители шагающего типа,
которые по мнению многих исследователей, могут стать серьезным конкурентом колесных и
гусеничных устройств.
Для того чтобы выбрать оптимальную схему перемещения, необходимо прежде всего
правильно установить критерии оценки. Оптимальной может считаться схема, позволяющая
выполнить поставленную задачу с минимальной затратой энергии. Задачей любого
перемещающего устройства является прохождение определенного расстояния для достижения
конечной цели вне зависимости от препятствий, встречающихся на пути устройства, и того,
будут ли эти препятствия преодолеваться или обходиться.
Сравнение средств перемещения можно производить по величине энергозатрат, весу и
габаритным размерам в зависимости от состояния окружающей среды, несущей способности
грунта и размеров препятствий. Скорость перемещения намеренно не вводится в число параметров
оценки, так как при перемещении по сильно пересеченной местности скорость колесных и гусеничных
устройств на 40%- 60% снижается, приближаясь, т.о. к скорости шагающих устройств, и, следова89
тельно, сравнение можно производить при одинаковой скорости перемещения. Кроме этого, для
автоматических, самодвижущихся систем типа «робот» вводится дополнительное ограничение
на скорость перемещения, состоящее в следующем.
Связь с перемещающимся объектом, находящимся на значительном расстоянии, может иметь
задержку по времени порядка нескольких секунд. Эта задержка в сочетании с ограничением
разрешающей способности телевизионного изображения, используемого для управления
самодвижущимися устройствами, и будет накладывать ограничение на верхний предел
скорости, так как время прохождения расстояния до препятствия должно быть больше
суммарного времени коммутационной и операторной задержки. Это ограничение
относится лишь к самодвижущимся устройствам, управляемым дистанционно и не имеющим
достаточного набора подпрограмм для преодоления препятствий.
Остановимся подробнее на анализе энергозатрат, которые характеризуются мощностью,
расходуемой на совершение полезной работы, деформацию поверхности, трение в механизмах
и потери в приводных двигателях.
Силы, препятствующие движению перемещающихся устройств, можно разделить на
внутренние и внешние. Внутренние силы представляют собой силы трения в движущихся частях устройства. К внешним силам относятся: сила сопротивления движению,
вызванная деформацией грунта; сила, возникающая при движении по наклонной плоскости,
которая может быть как положительной, так и отрицательной; сила сопротивления среды.
Сравнение энергозатрат проведем для одних и тех же условий среды и состояния поверхности,
поэтому две последние силы можно не рассматривать.
Условие движения гусеничной машины. Это условие определяется неравенством
Р < Рф, где Р— сила сопротивления движению; Рф — сила тяги по сцеплению. В свою
очередь, Р = fг Q, где fe — коэффициент сопротивления прямолинейному движению, зависящий от
качества грунта и конструктивных особенностей ходовой части; Q — вес машины.
Величина коэффициента fг равна 0,03—0,15 для шоссе, 0,20 для песка и 0,25 для снега.
;
90
а – силы, действующие на жёсткое колесо при качении по деформируемому
грунту;
б – силы, действующие на опору шагающего устройства;
h – величина деформации грунта;
v - направление перемещения;
Rk, Qk – составляющие реакции опоры колеса;
Qn, Fn – составляющие реакции опоры конечности шагающего устройства
Рисунок 2.20 - Силы, действующие на жёсткое колесо и на опору шагающего устройства
Сила тяги по сцеплению равна Рф = фг Q, где фг — коэффициент Рф = фг Q,
где фг — коэффициент сцепления, равный 0,74—0,80 для шоссе, 0,45 для песка и 0,40 для
снега. Максимальный угол подъема по сцеплению определяется формулой
а= arctg (фг — fг).
Условие движения колесной машины. Оно определяется, как и для гусеничной машины,
неравенством Р < Рф (рис. 2.20а). Только в этом случае Р= fkQ, где fk — коэффициент сопротивления
качению, равный 0,012—0,018 для шоссе, 0,20 для песка и 0,25 для снега, а Рф = фк Q, где фк равно
0,5—0,8 для шоссе, 0,4 для песка и 0,3 для снега
Условие движения шагающей машины. Рассмотрим взаимодействие опорной части
шагающего движителя с грунтом. Условимся, что плоскость действия сил и плоскость движения
устройства совпадают с плоскостью листа (рис. 2.20, б). Если же учитывать моменты трения в
шарнирах, которые относятся к внутренним силам, то реакция грунта Р, являющаяся
равнодействующей всех внешних сил, пройдет через ось шарнира, так как в противном случае не
будет соблюдено равенство нулю моментов всех действующих сил относительно шарнира.
В отличие от колесного и гусеничного движителя сила Fn — горизонтальная составляющая
реакции грунта Rn— будет силой сопротивления движению лишь в начальный момент касания ноги с
грунтом, т. е. в момент деформации грунта, а остальное время цикла движения работа будет
затрачиваться лишь на преодоление сил трения в движущихся частях устройства. Характер
взаимодействия опорной части шагающего движителя с грунтом такой же, как и у шпор гусеницы.
Сила сцепления опорной части шагающего движителя с грунтом равна Рφ ≈ φшQ, где φш — коэффициент
сцепления, который можно рассчитать по эмпирическим формулам, с учетом геометрии опоры или
определить экспериментально.
Условие движения шагающей машины определится формулой Рф > Fs, где Fs —
инерционная сила сопротивлению движения, приведенная к опорному звену (сила сопротивления
разгону). Из этого соотношения следует, что при наличии малого Рф можно, задавшись малыми
ускорениями движения, избежать буксования опорных звеньев шагающего движителя относительно
грунта.
Сравнение движителей по энергозатратам на перемещение. Затраты мощности на
перемещение определяются работой, затрачиваемой на деформацию грунта, на преодоление трения в
движущихся частях и на преодоление сопротивления среды.
91
Работа по деформации грунта для колеса и гусеницы представляет собой произведение силы
сопротивления движению на путь, пройденный устройством. Для шагающего движителя работа по
деформации грунта будет зависеть от длины шага и площади опоры, так как в отличие от первых
двух типов движителей, в которых грунт деформируется непрерывно, здесь деформация происходит
дискретно. Отсюда можно вывести соотношение для определения работы по деформации грунта
для шагающих устройств:
А = L/lш lст fшу Qшу,
где Qшу — вес шагающего устройства; L — пройденный путь; fшу — коэффициент
сопротивления шаганию; 1Ш — длина шага; 1ст — длина стопы.
Для колесных и гусеничных машин эта зависимость будет следующей:
А = L f Qкм (ГМ)'
Работу на единице пути можно представить для шагающих, гусеничных и колесных машин
соответственно в виде:
Aшу = lст/lш fшу Qшу;
(2.1)
Агм = fгм Qгм;
(2.2)
Агм = fгм Qгм;
Акм = fкм Qкм.
Из приведенных ранее величин коэффициентов сопротивления движению и из литературных
данных видно, что колесные машины имеют преимущество перед гусеничными на твердых грунтах
(шоссе, твердые грунтовые дороги).
Кроме того, при движении по твердому грунту работа по деформации грунта весьма
незначительна. Практически грунт почти не деформируется, а затраты энергии определяются в
основном потерями в трансмиссии и двигателе, а также сопротивлением среды. Поэтому на
твердых грунтах (шоссе, грунтовая дорога) колесные движители имеют бесспорное преимущество
перед любым другим типом движителя, т. е. с точки зрения потерь на деформацию грунта
шагающие устройства обладают преимуществами лишь на рыхлых и мягких грунтах,
обладающих большой пластической деформацией.
Для шагающих устройств в настоящее время неизвестны значения коэффициента f, но есть все
основания полагать, что он немногим будет отличаться от коэффициента f для колесных машин и
уж, во всяком случае, не будет превышать его. Так как формулы определения работ по деформации
грунта для колесных и гусеничных машин одинаковы, а коэффициент различается незначительно,
то, следовательно, и работы по деформации грунта будут одинаковыми. Поэтому сравнение работ
целесообразно проводить лишь для колесных и шагающих машин. Для сравнения принимаем QШУ
= QKM = 300 кгс. По формулам (2.1) и (2.2) можно построить графики сравнения работ по деформации
грунта для колесных и шагающих машин в зависимости от коэффициента сопротивления
движению f. Из графика очевидно, что работа на деформацию грунта для шагающих машин
значительно меньше, чем для колесных (естественно, и для гусеничных), за счет дискретной колеи.
Но это вовсе не значит, что шагающие машины имеют полное преимущество перед колесными и
гусеничными, так как на шоссе и грунтовых дорогах последние могут развивать скорость, которая
никогда не будет достигнута шагающими устройствами.
Из формулы (2.1) следует, что с увеличением длины шага, поскольку потери энергии за один
шаг постоянны, потери на деформацию грунта за единицу пройденного расстояния могут быть как
увеличены, так и уменьшены. Но с увеличением длины шага увеличивается и вес ноги,
приблизительно как R3/5 , где R — длина ноги, что ведет не столько к увеличению веса всей
системы, сколько к увеличению инерционных нагрузок. Следовательно, длина шага должна
выбираться конкретно для каждого случая в зависимости от конструкции шагающего движителя и
требований, предъявляемых ко всей системе.
92
Здесь же, вероятно, целесообразно рассмотреть и возможности минимизации удельного
давления на грунт q, так как оно пропорционально работе по деформации грунта. В конструкции
любого типа движителя среднее удельное давление на грунт может изменяться в довольно
широких пределах. Для гусеничных машин оно находится в пределах 0,4-105—0,6-105 Па (0,4— 0,6
кГ/см2). Считается, что машины высокой проходимости должны иметь q = 0,15-105—0,20-105 Па
(0,15—0,20 кГ/см2). Для сравнения можно указать, что давление ноги человека равно 0,5—105—0,6105Па (0,5—0,6 кГ/см2), лыжника — около 0,1 • 105 Па (0,1 кГ/см2), аэросаней — 0,04-105—0,051О5 Па (0,04—0,05 кГ/см2).
Для шагающих машин возможно достижение удельных давлений на грунт в пределах 0,1510 —0,20-105 Па (0,15—20 кГ/см2), так как размеры стопы практически не оказывают заметного
влияния на вес ноги, которая может быть выполнена в виде пустотелой конструкции.
5
Для гусеничных машин снижение удельного давления на грунт ограничивается допустимой
шириной гусеницы. Габариты машины, ограниченные по ширине условиями транспортировки,
заставляют расширять гусеницу лишь вовнутрь за счет корпуса, что ведет к уменьшению полезного
объема для остальных агрегатов и к ухудшению доступа к ним для обслуживания. Более
эффективным, если не учитывать явление бокового течения и выпирания грунта при
взаимодействии с опорной поверхностью, является увеличение ее длины. Сопротивление движению /
для узкой гусеницы будет меньше из-за уменьшения объема прессуемого или вытесняемого грунта.
Кроме этого, значительное уширение гусеницы ведет к увеличению ее веса почти в квадратичной
зависимости. С точки зрения учета бокового трения и выпирания грунта, которое у узкой гусеницы
будет больше, чем у широкой, широкая гусеница имеет преимущество перед узкой. Однако узкая
гусеница обладает несомненным преимуществом в уменьшении буксования при одинаковых
условиях сравнения.
Правда, применение узкой и длинной гусеницы опять-таки будет ограничено возможными
габаритами средств доставки, особенно если речь идет о межпланетных транспортировках. Таким
образом, выбор конструктивных параметров гусеничного движителя является чрезвычайно
сложным вопросом и зависит от конкретных условий эксплуатации и возможностей средств
транспортировки.
Тем не менее из последних выводов вытекает очевидное преимущество гусеничного
двигателя перед колесным при движении на мягких грунтах. Это преимущество заключается в
уменьшении потерь на буксование. На твердых грунтах имеет место обратный эффект, так как там
коэффициент сопротивления движению гусеницы, как было указано ранее, значительно меньше,
чем у колеса. Шагающие устройства, по-видимому, обладают в этом смысле определенными
преимуществами перед колесными и гусеничными, поскольку на форму и размеры опоры не
накладывается никаких существенных ограничений.
После проведенного сравнения и доказательства преимущества шагающих устройств по
энергозатратам в определенных условиях может возникнуть вполне законное возражение, что в
шагающих устройствах, помимо затрат энергии на деформацию грунта, требуются еще затраты
энергии на холостой ход, т. е. на перенос ног и на преодоление инерционных нагрузок во время
перемещения рабочего хода и, следовательно, такое сравнение неполноценно. Но, во-первых
шагающее устройство может быть полностью уравновешено как статически, так и динамически при
помощи специальных устройств, как, например, любая артиллерийская установка; во-вторых, на
шагающем устройстве может быть применен обратимый гидравлический привод,
аккумулирующий энергию при попутной нагрузке, и, следовательно, энергия будет затрачиваться
лишь на преодоление трения в шарнирах; в-третьих, как в колесных, так и в гусеничных машинах
имеются неуравновешенные массы, на преодоление которых требуются затраты энергии, и, кроме
того, потери в трансмиссии колесных и гусеничных машин на пониженных передачах достигают
значительных величин.
93
Немаловажным фактором в оценке эффективности различного типа движителей является
также рассмотрение способа преодоления различных препятствий и неровностей поверхности. У
колесных и гусеничных машин способ преодоления препятствий в принципе одинаков, так как и
те, и другие устройства имеют непрерывную колею. Любой бугор, камень, впадина, канава и т. д.
будет вызывать вертикальное перемещение центра тяжести системы, и следовательно, увеличивать
затраты энергии на перемещение и за счет вертикального движения центра тяжести, и за счет
увеличения динамических нагрузок, являющихся следствием этого перемещения.
Шагающие системы, имеющие дискретную колею, преодолевают препятствия принципиально други
способом, а именно перешагиванием через них. Обладая достаточной гибкостью в управлении траекторией
перемещения ноги, они могут перемещать центр тяжести строго горизонтально, исключая, конечно, спуски
подъемы, и тем самым не затрачивать энергии на его вертикальное перемещение и дополнительные
динамические нагрузки. Такой дополнительный выигрыш в затратах мощности на перемещение может
значительно увеличивать запас хода шагающих устройств.
Следующим важным фактором оценки эффективности по затратам мощности на
перемещение является внутреннее трение.
Потери на трение в колесном устройстве с жестким ободом, не имеющим в системе
трансмиссии большого числа зубчатых передач, сравнительно невелики. В шагающем устройстве за
счет большого числа шарниров и подвижных соединений эти потери выше.
В гусеничных машинах ввиду наличия большого числа вращающихся соединений
(трансмиссионные валы, поддерживающие катки, соединительные концы траков и т. д.), а также
наличия зубчатых и других передач для редуцирования скорости приводного двигателя потери на
трение будут еще выше. Таким образом, основными соперниками по этому критерию оценки
являются колесные и шагающие устройства. Но в любом колесном движителе имеются
полноповоротные наружные вращающиеся валы, тогда как в шагающем устройстве углы поворота
шарниров ног ограничены. Для сред, имеющих большие перепады температур и низкий вакуум,
проблема уплотнения и герметизации полноповоротных вращающихся соединений весьма сложна.
Кроме того, в условиях низкого вакуума могут иметь место диффузионные явления в
материалах вращающихся соединений, что ведет к их заклиниванию. Подвод смазки к
вращающимся соединениям в условиях низкого вакуума также является весьма сложной задачей,
так как смазка в таких условиях мгновенно испаряется сложными на современном уровне развития
техники и могут быть реализованы достаточно просто, как, например, в гибких сочленениях
скафандра.
Сравнение движителей по возможности преодоления препятствий. Рассмотрим технику
преодоления препятствий различными типами движителей. При преодолении гусеничной машиной
препятствия типа «уступ» (рис 2.21а), размер
ЦТ – центр тяжести; Q – вес машины
94
Рисунок 2.21 – Преодоление гусеничной машиной препятствий типа
“уступ“ (а) и “ров“ (б)
препятствия определяется высотой Н расположения ленивца Л, которая выбирается в зависимости
от многих других конструктивных параметров машины. Для гусеничных машин высота преодоле-ваемой вертикальной стенки колеблется в пределах от 0,5 м у легких машин, и до 1,2 м у тяжелых
машин. Высота преодолеваемого уступа у колесных машин не может превышать треть диаметра
колеса D (рис.2.21а). Высота преодолеваемого уступа у шагающих устройств зависит
как от длин звеньев ноги R1 и R2, так и от углов разворота звеньев θ1 и θ2. Проведенные
исследования показали, что величина преодолеваемой вертикальной стенки для автономных
шагающих устройств типа «робот» находится в пределах от 0,7 до 2 м для систем с весом в
пределах от 150 до 800 кгс соответственно. При преодолении гусеничной машиной препятствия
типа «ров» ширина рва определяется длиной опорной части гусеничного обвода L и расположением
центра тяжести. При расположении центра тяжести в середине опорной части обвода (рис. 2.21б)
ширина преодолеваемого рва может быть не более половины L. Для современных гусеничных
машин ширина преодолеваемого рва находится в пределах от 1,5 до 4,5 м для малых и тяжелых
машин соответственно [12]. Для колесной машины ширина преодолеваемого рва не может
превышать половины диаметра колеса D (рис. 2.22). Для восьмиколесного шасси ширина преодолееваемого рва значительно увеличивается и определяется расстоянием между соседними колесами К.
Преодоление рва для шагающего устройства определяется длиной шага, т. е. размерами Rl R2 и
углами θ1 и θ2. Для указанных ранее весов шагающих устройств размеры преодолеваемых рвов
лежат в пределах от 1,2 до 3,5 м. Серьезным препятствием для колесных и гусеничных машин
являются всевозможные надолбы, каменные тетраэдры и срубленный лес. Проходимость в этом
случае определяют клиренсом машины, который у гусеничных машин находится в пределах от 0,3
до 0,6 м, у колесных — от 0,2 до 0,5 м, а иногда более. Сплошное нагромождение острых камней,
каменных тетраэдров и т. п. является практически непреодолимым препятствием для колесных и
гусеничных машин. Шагающие устройства благодаря большому диапазону изменения клиренса Т
95
(рис. 2.23) довольно легко преодолевают подобные препятствия.
Q — вес машины; h — высота уступа; ЦТ — центр тяжести
Рисунок 2.22. - Преодоление колесной машиной препятствий типа «уступ» (а)
и «ров» (в):
Максимальный подъем, преодолеваемый гусеничными и колесными машинами, равен примерно
35°, а допустимый боковой крен — 30°. Для шагающих машин, при необходимости, эти параметры
могут быть увеличены за счет применения специальных грунтозацепов.
Рисунок 2.23 - Преодоление препятствий шагающим устройством и диапазон
изменения клиренса.
.
Проведенное сравнение различных типов движителей, безусловно, является не полным, так как
многие предположения нуждаются в экспериментальной проверке. При сравнении затрат
Анализируя сказанное, можно сделать вывод, что гусеничные машины имеют преимущества перед
колесным типом движителей при преодолении препятствий. Шагающие устройства обладают
несомненным преимуществом перед любым типом движителя в условиях сложного рельефа
поверхности, поскольку даже при одних и тех же размерах препятствий (например, рва) они
обладают значительно меньшим весом, чем гусеничные, мощности на перемещение нужно учитывать
не только статическую деформацию грунта, но и динамические явления, происходящие в момент
соприкосновения опоры с грунтом. Кроме этого, необходимо достаточно полно учесть внутренние
потери в различных движителях, что можно осуществить методом моделирования на электронновычислительных машинах. Тем не менее из приведенного исследования можно сделать вывод, что
шагающие устройства обладают преимуществом перед другими типами движителей не только в
условиях сложного рельефа поверхности, но и в условиях глубокого вакуума и большого перепада
96
температур, поскольку вопросы герметизации и термостатирования решаются для них проще, чем
для других типов движителей.
Шагающие устройства обладают определенными преимуществами при использовании их в
качестве движителей автономных устройств типа «робот», поскольку при обеспечении их системой
датчиков и бортовым вычислительным комплексом они дают более полную картину состояния
поверхности и обладают большей гибкостью поведения, чем колесные и гусеничные устройства в
аналогичной ситуации. За счет выигрыша в энергетических затратах (из-за дискретной колеи) в
условиях сложного рельефа у шагающих устройств может быть значительно увеличен запас хода по
сравнению с другими типами движителей. При межпланетных транспортировках немаловажным
преимуществом является и возможность складывания ног для уменьшения необходимого
пространства внутри корабля, которое ограничивается аэродинамическими силами, действующими
на корабль во время старта. Другие типы движителей в своем большинстве этим свойством не
обладают.
Более подробное исследование, основанное на методах моделирования на ЭВМ и на
экспериментальных данных, может дать зависимости для четкого определения области
применения того или иного типа движителя.
Немаловажную роль при создании шагающей машины, управляемой ЭВМ, играет выбор типа
привода и источников энергии. При выборе типа привода необходимо, прежде всего, четко знать
задачи, поставленные перед машиной, и условия, в которых она будет работать. В соответствии с
этим выбирается источник энергии (турбина, двигатель внутреннего сгорания, пороховой двигатель,
электрические или гидравлические аккумуляторы, солнечные батареи и др.). В исполнительных
механизмах могут быть использованы электрические,
пневматические или гидравлические
двигатели.
Шагающая машина, управляемая от ЭВМ, предусматривает отдельный двигатель на каждом
суставе ноги. Таким образом, на каждую степень подвижности приходится по одному двигателю.
Применение ротационных двигателей связано с преобразованием вращательного движения в
поступательное, что влечет наличие дополнительных механических частей типа реечных передач,
тросовых и т. п. Поэтому целесообразно применять двигатели с поступательным типом движения.
Электроприводы поступательного типа (шаговые электродвигатели, электромагнитные муфты)
неудовлетворительно работают в условиях большого перепада температур и обладают сравнительно
большим весом и габаритами. Электромагнитные муфты и шаговые двигатели являются приводами
дискретными, что не всегда может удовлетворить требованиям к шагающим машинам. Кроме этого,
при трех-четырех кратных перегрузках они выходят из строя.
Получение низких скоростей выходного вала электропривода связано с применением
редукторов. Наиболее целесообразным в этом случае является применение волновых редукторов,
которые отличаются небольшими габаритами и весом при высокой степени редукции. Пневмопривод
легко регулируется в большом диапазоне, обладает хорошими весовыми характеристиками на единицу
мощности, но при увеличении нагрузки на исполнительных органах теряет жесткость характеристик и
не приспособлен к работе в условиях большего перепада температур.
Особого внимания заслуживает гидропривод. В современной промышленности он находит
все более широкое применение. Особенно широко гидропривод применяется в станкостроении
(например, в станках с программным управлением) и в различных конструкциях летательных аппаратов,
где выполняет функции, аналогичные «мышцам» шагающей машины.Широкое применение
гидропривода объясняется его преимуществами, основными из которых являются малые габариты и
вес, приходящиеся на единицу мощности. Обычно габариты гидромоторов составляют 10—13% от
габаритов электродвигателей, а вес от 10 до 20% веса электродвигателей той же мощности. Важным
преимуществом гидропривода является его малая инерционность. За счет этого время реверса мотора и
разгона насоса от нулевой до полной производительности составляет около 0,03—0,04 с. Преимуществом
гидропривода является также возможность бесступенчатого регулирования выходной скорости при
97
высокой степени редукции, а также плавность, равномерность и устойчивость движения, большой срок
службы и высокий к. п. д. Применение новейших рабочих жидкостей с диапазоном температур от -54
до +230°С позволяет использовать гидропривод в любых климатических и температурных условиях.
Следует отметить, что в настоящее время нет единой теории информационных роботов и она
может быть построена только с учетом трех основных компонентов — конструкции, энергии и
информации. До сих пор информационный аспект почти совершенно не учитывался при создании
подвижных систем. Этим можно объяснить неуспех в постройке таких систем как шагающая машина,
летательный аппарат с машущими крыльями, плавающий аппарат с хвостом. По-видимому, решение
двух последних задач можно искать в классе информационных систем с датчиками обратной связи.
Летательный аппарат-орнитоптер должен иметь датчики характеристик воздушного потока подобно
птице, которая имеет чувствительные перья на груди. Плавающий аппарат с хвостом должен иметь
датчики характеристик водяного потока. Эта информация должна перерабатываться вычислительной
машиной для управления рабочими органами.
2.12 Информационные системы роботов
Одним из основных отличий роботов-манипуляторов, управляемых ЭВМ, является то, что
они могут активно взаимодействовать с реальной внешней средой, используя информацию о ее
состоянии и о состоянии своих рабочих органов (рук, ног и т. п.). В общем виде задачи, выполняемые
роботом-манипулятором, могут состоять из следующих этапов: поиск объекта (или объектов),
передвижение руки (рук, рук с инструментами) к объекту, ориентация руки (инструмента)
относительно объекта определенным образом, выполнение различного рода манипуляций,
возвращение руки манипулятора в исходное положение или переход к следующей операции,
перемещение всего робота в реальном физическом мире (цех завода, дно океана, космическая станция и
т. п.), обход препятствий. В связи с этим роботу необходимо иметь информацию о геометрических
характеристиках объектов, необходимых для их распознавания; о положении объектов и рук в
пространстве; об усилиях, возникающих в звеньях рабочих органов робота, и о параметрах движения
звеньев рабочих органов.
Информационные системы роботов представляют собой устройства сбора и обработки
информации. Рассмотрим некоторые общие требования, которые должны предъявляться к этим
устройствам. Информация, получаемая от датчиков, должна быть экономичной с точки зрения
загрузки вычислительной машины, поскольку, с одной стороны, одна ЭВМ может обслуживать
одновременно несколько роботов, с другой стороны, ЭВМ может быть установлена на самом роботе. В
то же время объем информации от датчиков должен обеспечивать некоторую избыточность,
необходимую для надежной работы робота. Тогда при выходе из строя отдельного датчика или даже
целой группы датчиков робот сможет продолжать целесообразную деятельность, правда, за счет
времени, точности и т. п.
Аппаратура преобразования сигналов устройств сбора информации в большинстве случаев
находится на некотором удалении от чувствительных элементов. Это обстоятельство налагает
определенные требования на величину выходного сигнала и кабель связи. В простейшем случае
передача сигналов с датчиков, расположенных на рабочих органах робота, осуществляется при
помощи гибкого многожильного кабеля, проходящего через подвижные сочленения рук и ног
робота. Поэтому целесообразно предусмотреть возможность использования для этих целей
датчиков бесконтактного типа или же передавать информацию через несколько каналов (жил
кабеля). Остальные требования во многом зависят от области использования роботов-манипуляторов
[7, 36].
98
Устройства сбора информации можно разбить на два класса: устройства сбора информации
о состоянии рабочих органов и устройства сбора информации о состоянии внешней среды.
Устройства сбора информации о состоянии рабочих органов. Основными параметрами
движения робота-манипулятора являются линейные и угловые перемещения звеньев рук и ног
робота в пространстве. Соответствующие скорости и ускорение звеньев легко определяются путем
последовательного дифференцирования.
Рассмотрим датчики угловых и линейных перемещений, которые могут быть использованы в
информационных системах роботов.
Для измерения угловых перемещений чаще всего применяются потенциометрические
датчики, преобразующие угол поворота в напряжение. Точность прецизионных потенциометров
может достигать 0,01—0,05%, разрешающая способность — 0,05—0,01%. С повышением
разрешающей способности потенциометра, как правило, увеличиваются его габариты, которые для
большинства прецизионных потенциометров колеблются в следующих пределах: диаметр 60—150
мм, высота 50—90 мм. Малые габариты и очень высокую разрешающую способность имеют
многооборотные спиральные потенциометры [30].
Основные недостатки потенциометрических датчиков заключаются в износе проволоки и
щетки, ограниченной разрешающей способности и низкой чувствительности по напряжению. От
этих недостатков свободны трансформаторные преобразователи угловых перемещений. Наибольшее
распространение имеют вращающиеся трансформаторы и сельсины, позволяющие получать
напряжения переменного тока, пропорциональные тригонометрическим функциям угла поворота
или самому углу. Следует отметить, что однозначная зависимость выходного напряжения у них в
функции угла поворота ограничена интервалом 0—п. Недостатком трансформаторных
преобразователей является сравнительно низкая точность воспроизведения функции угла поворота,
не превышающая в большинстве случаев 0,1—0,2%.
Для измерения линейных перемещений можно использовать как потенциометрические, так и
индуктивные датчики. Использование индуктивных датчиков для непосредственного измерения
перемещения возможно только при движении подвижного звена в пределах 80— 100мм [39]. Для
повышения точности измерения обычно применяют датчики дифференциального типа с двумя
катушками. Основной недостаток этих датчиков заключается в нелинейности их характеристик, что и
затрудняет их использование для измерения значительных перемещений.
И, наконец, для измерения линейных и угловых перемещений можно использовать счетные
датчики, т. е. датчики, у которых выходная величина представляется числом импульсов. В тех
случаях, когда требуется различать направление изменения измеряемой величины, применяют
двухфазную систему воспринимающих элементов. Рассмотрим схему (рис.2.24)
1 — источник света; 2,3 — фотодиоды; 4,5 — усилители; 6 ,7 — триггеры; 8—9 — ключи
99
Рисунок 2.24 - Блок-схема фотометрического счетного датчика
фотоэлектрического преобразователя с зубчатым диском и двумя фотодиодами, сдвинутыми один
относительно другого на четверть зубцового деления. При вращении диска вправо выходной сигнал
левого фотодиода опережает выходной сигнал правого; при вращении влево — наоборот. Это дает
возможность, используя логические цепи, различать импульсы, соответствующие увеличению и
уменьшению угла поворота. Счётчик импульсов при этом должен быть реверсивным.
Полупроводниковые тензосопротивления могут иметь как положительный, так и отрицательный
коэффициент тензочувствительности, т. е. при деформации их сопротивление может и
увеличиваться, и уменьшаться. К их недостаткам следует отнести изменение коэффициента
тензочувствительности в зависимости от уровня деформации, температуры, удельного
сопротивления материала. Работу простейшей логической цепи (рис. 2.24) иллюстрируют кривые на
рис. 2.25.
Вращение Вправо Остановка Вращение влево
Рисунок 2.25 - Временная диаграмма работы фотометрического счетного
датчика, изображенного на рис.2.24
Устройства сбора информации о состоянии внешней среды. К первой группе датчиков,
которыми должны быть снабжены роботы-манипуляторы, относятся тактильные датчики. Их
отличительной чертой является то, что в процессе работы к ним могут быть приложены
значительные статические и динамические нагрузки. В то же время для обеспечения осторожной
работы с объектами зачастую требуется измерение малых усилий. Наибольшее распространение
имеют два метода измерения усилий:
1) Преобразование усилий в деформацию чувствительного элемента;
2) Преобразование усилий в перемещение подвижной части чувствительного элемента.
Исходя из требований большой перегрузочной способности и износоустойчивости, рабочая
поверхность датчика должна удовлетворять требованию высокой механической прочности.
Счетный датчик особенно удобен для использования с цифровой ЭВМ, так как в этом случае
отпадает необходимость в аналого-кодовом преобразователе.
100
Наряду с измерением угловых и линейных перемещений часто необходимо иметь информацию
о различного рода деформациях и механических напряжениях. Для измерения относительных
деформаций в пределах 0,005—1,5% обычно используются проволочные тензометры на бумажной
основе, а также фольговые и пленочные тензосопротивления. Тензосопротивления практически
безынерционны и могут применяться в диапазоне частот от 0 до 100 кГц [53]. Рядом преимуществ
перед подобными тензосопротивлениями обладают полупроводниковые тензодатчики: очень малые
размеры (до однго мм), высокая тензочувствительность (на 2 порядка выше, чем у проволочных
тензометров), высокий уровень выходного сигнала.
Использование чувствительного элемента непосредственно в качестве рабочей поверхности
(например, для измерения локальных усилий) в принципе возможно для некоторых типов
преобразователей (магнитоупругие, кристаллические полупроводниковые, проводящая резина и др.).
Однако механические свойства материалов всех этих чувствительных элементов (кроме
магнитоупругих) допускают такое использование только в самых благоприятных случаях — для
работ с малыми нагрузками. Магнитоупругие преобразователи могут быть использованы только для
измерения значительных усилий (не менее 108 Па), поэтому использование их в качестве тактильных
датчиков не рассматривается. Часто оказывается, что площадь приложения внешнего усилия
меньше площади рабочей поверхности отдельного датчика. В этих случаях измеренная величина не
должна зависеть от точки приложения усилия. Это определяет требования к конструкции датчика.
Одна из возможных конструкций тактильного датчика с жесткой рабочей поверхностью
представляет собой металлическую пластину 1,свободно подвешенную на плоских пружинах 4 (рис.
2.26).
Рисунок 2.26. - Тактильный датчик
Отсутствие трения в направляющих (для малых усилий) и возможность плавной регулировки 3
натяжения пружины позволяют измерять малые усилия. В то же время, благодаря упорам 2
датчик может выдерживать значительные перегрузки, в том числе и направленные вдоль рабочей
поверхности. Чувствительные элементы (на рисунке не показаны) располагаются в нескольких
точках (четырех и более) по периметру рабочей поверхности. Благодаря этому суммарный сигнал
практически не зависит от места приложения усилия.
Рассмотрим некоторые типы преобразователей и возможность их использования для создания
тактильных датчиков. Простейшим датчиком является контактный, т. е. датчик, в котором
механическое перемещение преобразуется в замкнутое или разомкнутое состояние контактов.
Контакты являются наиболее ответственной частью датчика. Материал, конструкция, режим их
работы определяют как надежность, так и стабильность работы датчика во времени. Выбор
материала контактов определяется прежде всего контактным усилием, значение которого колеблется
в широких пределах: 0,001 — 0,02Н (для высокочувствительных маломощных контактных
преобразователей). Для большинства обычных материалов контактов оптимальное усилие
составляет 0,03Н. Следует обращать особое внимание на износоустойчивость контактов. Наиболее
стойкими по отношению к коррозии являются контакты из золота и платины, которые могут применяться при
малых контактных усилиях (0,01 — 0,02Н), но их твердость и, соответственно, износоустойчивость невелики.
Наиболее распространенным материалом для маломощных контактов является серебро. Под действием
101
электрической искры серебряные контакты покрываются оксидной пленкой, которая электропроводна и
легко разрушается при усилиях 0,05—1Н. Контактные датчики могут использоваться в качестве
тактильных в нормальных атмосферных условиях. Их недостатки: невозможность использования в
химически активной среде и под водой, необходимость периодической проверки работоспособности
контактов и их чистки.
Датчики с магнитоуправляемымси контактами (рис.2.27) свободны от перечисленных
недостатков. Магнитоуправляемый контакт представляет собой стеклянную капсулу, внутри
которой содержится нейтральный
газ или вакуум. В капсулу впаяны пластинки из ферромагнитного материала, контактные
поверхности которых имеют специальное покрытие, уменьшающее их износ. При действии на
капсулу внешнего магнитного поля контакты замыкаются. Магнитоуправляемые контакты
обладают большим быстродействием (время срабатывания 3 мс, отпускания 0,8 мс),
допускают большое число включений (до 108), работают в широком диапазоне температур
окружающей среды и обладают вибро и ударо- стойкостью. Недостатком датчика является
необходимость обеспечения сильного внешнего магнитного поля.
1—рабочая поверхность; 2—магнит; 3— магнитоуправляемый контакт;
4 — катушка
Рисунок 2.27 - Датчик с магнитоуправляемыми контактами
В качестве тактильных датчиков можно использовать и индуктивные датчики (рис.2.28),
основанные на зависимости индуктивности системы от магнитного сопротивления зазора в
магнитопроводе.
1— излучатель; 2 — призма; 3 — приемник
Рисунок 2.28. Схема образования поверхностных ультразвуковых волн
Индуктивные датчики отличаются надежностью в работе, высокой
чувствительностью и малыми габаритами.
102
В заключение рассмотрим тактильный датчик с использованием поверхностных
ультразвуковых волн. Поверхностные волны представляют собой наложение волн, продольных и
поперечных по отношению к направлению распространения колебаний. Для такого наложения
используются преобразователи в виде клина. Угол, клина подбирается таким, чтобы выходя из клина,
волна распространялась вдоль поверхности. Клин образует начало дорожки поверхностных волн,
которая распространяется в виде прямоугольной полоски до тех пор, пока не встретит
противоположный край пластины, где располагается приемник. При наличии препятствий
ультразвуковая волна меняет свою форму (фазу и амплитуду колебаний), появляются гармонические
составляющие. Приемник улавливает эти изменения и выдает сигнал о наличии препятствия. Обычно
поверхностные волны получаются в коротковолновом диапазоне ультразвуковых колебаний на
частотах 1—10 МГц. Поверхностные ультразвуковые волны способны огибать кривые поверхности,
если только не нарушается непрерывность или если кривизна поверхности не меняется слишком
круто. В последнее время в практике протезирования начинают применять датчики измерения
механических усилий, которые используют проводящую резину, изменяющую электрическое
сопротивление при деформации; по-видимому, применение таких датчиков имеет перспективу и для
роботов. Ко второй группе датчиков сбора информации о состоянии внешней среды относятся
датчики ближнего обнаружения, служащие для обнаружения объектов и препятствий на
сравнительно небольшом расстоянии. В качестве таких датчиков можно использовать
фотометрические датчики (рис.2.29), работающие по принципу измерения интенсивности
отраженного светового потока
1 — модулятор; 2 — источник света; 3 — передающее оптическое устройство; 4
— избирательный милливольтметр; 5 — фотодиод; 6 — приемное оптическое
устройство; 7 — зона возможного обнаружения объектов
Рисунок 2.29 - Фотометрический датчик, измеряющий интенсивность
отраженного светового потока
Для исключения фоновой засветки фотодиодов световой поток источника света
модулируется по амплитуде. Зона обнаружения предметов образуется пересечением излучаемого и
принимаемого световых потоков (рис.2.29). При попадании предмета в зону обнаружения часть
модулированного светового потока отражается и попадает на фотодиод.
103
В некоторых случаях удобно использовать фотометрические датчики, работающие по
принципу прерывания луча света. С их помощью можно перекрывать прямолинейные поверхности
большой длины (например, боковую поверхность схвата).
В случаях, когда применение фотометрических датчиков невозможно (например, в оптически
малопрозрачных средах), целесообразно применять ультразвуковые датчики. Работа
ультразвукового датчика ближнего обнаружения основана на регистрации сигналов, отраженных от
предметов, находящихся в зоне слышимости приемника (например, в интервале 0,01—0,1 м).
В качестве датчиков ближнего обнаружения могут быть также использованы датчики,
служащие для распознавания объектов по их физическим свойствам (температура, запах и др.).
И, наконец, к третьей группе датчиков сбора информации о состоянии внешней среды
относятся сканирующие локационные устройства, предназначенные для обнаружения объектов в
рабочей зоне робота и определения их координат.
При достаточной разрешающей способности системы возможно определение, размера
объектов. Локационные устройства в данном случае являются дальномерами, позволяющими
измерять расстояние порядка нескольких метров. В настоящее время достаточно хорошо
разработаны следующие типы локационных устройств для измерения малых расстояний: оптические
(фотометрические, лазерные); акустические и локационные устройства, использующие
ионизирующие излучения (рентгеновские, γ-лучи).
Для лазерных локаторов характерна большая точность определения координат
обнаруживаемых объектов и высокая разрешающая "способность, что объясняется острой
направленностью и весьма малой шириной луча лазера (несколько угловых секунд). Лазерный луч
через передающую оптическую систему направляется на объект. Часть отраженного сигнала
улавливается приемным объективом, на выходе которого находится узкополосный оптический
фильтр. С его помощью выделяется отраженный сигнал даже на фоне излучения Солнца, поскольку
полоса пропускания фильтра не превышает 1,5—10 А. Затем сигнал поступает на фотоэлектронный
умножитель (детектор), усиливается и запускает счетчик. По числу импульсов, поступающих на
счетчик за определенный промежуток времени, определяется расстояние до объекта. Лазерные
дальномеры с импульсной модуляцией (рис.2.30а) практически не могут измерять расстояние менее
3 м, так как промежуток времени между прямым и отраженным сигналами становится соизмеримым
с длительностью излучаемого импульса.
Для измерения малых расстояний с высокой точностью используются лазерные дальномеры,
работающие в непрерывном режиме (рис.2.30б). Измерение расстояния производится на основе
сравнения фаз модулирующих колебаний, соответствующих моменту излучения зондирующих
сигналов и моменту прихода в приемное устройство локатора отраженных сигналов. Отечественный
геодезический дальномер ГД-314, например, предназначен для точного измерения расстояний в
пределах до 2 км [14].'Источником излучения у него является полупроводниковый диод с длиной
волны 8600А, мощность излучения 0,5 мВт, точность измерения во всем диапазоне 2 см.
104
1 — электронный счетчик; 2 — видеоусилитель; 3 — фотоэлемент; 4 —
вращающийся зеркальный отражатель (модулятор); 5 — рубиновый стержень; 6 —
зеркало; 7 — фотоумножитель; 8 — фильтр; 9 — диафрагма; 10 — фазометр; 11 —
фотодиод; 12 — полупроводниковый лазер
Рисунок. 2.30 - Блок-схема лазерного дальномера, работающего в импульсном
режиме (а) и в непрерывном режиме (б)
Перейдем к рассмотрению акустических локационных систем (рис.2.31). Акустическая
локационная система для измерения малых расстояний действует по тому же принципу, что и
лазерная или радиолокационная, но в значительно более благоприятных условиях хронирования
(измерения времени прихода отраженного импульса), поскольку скорость распространения
звуковых колебаний в воздухе всего лишь 330 м/с. Следовательно, такая система более пригодна
для измерения малых расстояний.
1 — генератор импульсов; 2 — генератор несущей частоты; 3 — усилитель
мощности; 4 — цепь задержки; 5 — генератор
6 — счетчик импульсов; 7 — мультивибратор;
стробирующих импульсов;
8 — избирательный усилитель;9 — схема разрешения; 10 —детектор; 11 —
формирователь
105
Рисунок 2.31 - Блок-схема акустической локационной системы
Генератор импульсов 1 (рис. 2.31) генерирует прямоугольные импульсы, возбуждающие
генератор несущей частоты 2, звуковой или ультразвуковой. Импульсы несущей частоты с
усилителя мощности 3 поступают на излучатель и цепь задержки 4, которая служит для задержки
сигнала на время, равное длительности излучаемого импульса. Генератор 5 вырабатывает
стробирующий импульс, во время которого могут прийти отраженные импульсы. Отраженные
сигналы, поступающие на избирательный усилитель 8, проходят через схему разрешения 9,
детектор 10, формирователь 11 и затем поступают на счетчик 6.
Измерение расстояний происходит по показаниям счетчика 6, который подсчитывает
количество импульсов мультивибратора 7 за время распространения ультразвуковой волны.
Из фазовых методов измерения расстояний широкое распространение получили методы,
основанные на измерении времени распространения ультразвуковой волны с применением
непрерывных или амплитудно-модулированных ультразвуковых колебаний (рис.2.32). Излучатель
1 посылает ультразвуковую волну узко направленным лучом. Отразившись от препятствия, волна
поступает на приемник 2, который преобразует принятые ультразвуковые колебания в напряжение.
Принятый сигнал усиливается селективным усилителем 3 и поступает на фазовый детектор 4.
3
4
5
6
Рисунок 2.32 - Блок-схема прибора для измерения расстояния методом разности фаз.
Сюда же поступает напряжение с генератора 6. Детектор вырабатывает постоянное
напряжение, пропорциональное фазовому сдвигу этих напряжений и, следовательно, измеряемому
расстоянию. Напряжение с детектора поступает на измерительное устройство 5. Большой интерес
представляют ультразвуковые дальномеры, работающие по фазовому методу и измеряющие
расстояние от 0,2 до 2 м с погрешностью 2%.
Достоинства ультразвуковых локационных систем заключаются в возможности измерять
малые расстояния. Их недостатки - сильное затухание ультразвуковых волн в газах, зависимость
106
скорости распространения волн от свойств среды, невозможность работы в вакууме, низкая по
сравнению с лазерными и радиолокационными системами разрешающая способность. Следует
отметить, что сильное затухание ультразвуковых волн в газах несущественно сказывается при
измерении малых расстояний (до 1м), а различная скорость распространения волн может быть
учтена специальной схемой коррекции по скорости.
Известны следующие методы сканирования: бескадровое непрерывно-построчное,
покадровое, автономное, автономно-покадровое. Метод бескадрового непрерывно-построчного
сканирования используется в тех случаях, когда объект, на котором установлена сканирующая
система, движется с какой-то известной скоростью относительно исследуемой поверхности, при
этом построчное сканирование осуществляется в перпендикулярном направлении. Этот метод
удобно применять для локационной системы, расположенной на рабочем органе манипулятора.
В методе покадрового сканирования осуществляется многократное сканирование одного и
того же участка пространства, ограниченного кадром развертки, причем дополнительного
перемещения сканирующей системы не происходит. Такой метод используется в большинстве
промышленных и исследовательских сканирующих и телевизионных системах, когда вся
интересующая нас информация размещается в пределах одного кадра. При автономном
сканировании луч может совершать любые перемещения по контролируемой поверхности (с
ограничением по кадру и без него); возможна любая комбинация последовательностей и
подробностей просмотра отдельных участков контролируемого пространства с любой
разрешающей способностью. Такой метод, как правило, используется в самонастраивающихся и
адаптивных сканирующих системах. В методе автономно-покадрового сканирования
осуществляется сканирование ограниченного кадра, а сам кадр при этом может автономно
перемещаться по исследуемому объекту. Этот метод применяется, в основном, тогда, когда все
участки поля, содержащие полезную информацию, не могут быть одновременно размещены в
одном кадре.
Метод автономно-покадрового сканирования в настоящее время получил наибольшее
распространение. Сканирующие-системы, использующие этот метод, по принципу действия можно
разделить на оптико-механические, оптико-электрические, полупроводниковые, фотоэлектронные
и квантомеханические.
В настоящее время достаточно широкое распространение получили оптико-механические
устройства, осуществляющие сканирование с помощью вращающихся или подвижных элементов,
которые позволяют направлять излучение последовательно на различные участки сканируемого
пространства. Существенные недостатки этого класса устройств заключаются в малом
быстродействии, в сложности конструкции и малой надежности их работы. К классу оптикомеханических устройств непосредственно примыкают волоконно-оптические устройства, обладающие
большим быстродействием и простотой. Использование элементов волоконной оптики позволяет
применить ряд новых принципов сканирования пространства, разделение изображения, изменение
его формата, размеров и произвести ряд других преобразований. К оптико-электрическим
сканирующим устройствам можно отнести сканирующий лазер, ультразвуковой, дисперсионный и
полупроводниковый сканаторы.
На базе сканирующих устройств может быть построен топографический прибор,
предназначенный для измерения рельефа и других особенностей местности вблизи робота. Данные о
характеристике местности снимаются в виде матрицы А = \ац\тп, где каждый элемент аГ!
характеризует определенный элемент поверхности. Если поверхность горизонтальная, то все ап- == 0.
В противном случае элемент atj равен высоте препятствия, соответствующего координатам (i, /).
Очевидно, элементы аи могут принимать и отрицательные значения (для участков понижения
местности). Кроме того, топографический прибор позволяет регистрировать цвет и текстуру каждого
элемента поверхности, записывая их в виде такой же матрицы.
Принцип работы топографического прибора заключается в следующем. Сканирующее
устройство развертывает луч по исследуемой поверхности. Сопряженное сканирующее устройство
осуществляет слежение за световым пятном, которое в исходном состоянии фокусируется с
помощью объектива в центр фотопотенциометра. В случае ровной горизонтальной поверхности
107
отраженный сфокусированный луч оказывается неподвижным относительно фотопотенциометра, и
последний выдает сигнал, равный 0. Неровная поверхность вызывает пропорциональные смещения
луча по фотопотенциометру, на выходе которого возникает сигнал γ, пропорциональный изменению
рельефа местности по отношению к некоторому нулевому. Прямое и сопряженное сканирующие
устройства приводятся в действие от общего приводного двигателя 3. С него снимаются мгновенные
значения углов сканирования β и α, определяющие величины i = ft (α, β),
j=f (α, β).
При сканировании трещин, ям луч не всегда может достичь их дна. Поэтому
возможны информационные потери, в особенности на дальних участках поверхности, где угол
между лучом' и поверхностью мал. Прибор в принципе позволяет выяснить наличие таких
участков местности, но для этого необходимо вместе с величиной у регистрировать величину ее
производной, а также моменты пропадания луча. Существенную информацию несет и первая
производная яркости отраженного луча.
И, наконец, одним из наиболее важных приборов, предназначенных для сбора
информации о внешней среде, является телевизионная камера (моно- или
стереоскопическая), служащая аналогом «глаза». Снабжение робота зрением чрезвычайно
важная и в то же время сложная задача. Желательно, чтобы робот, обладающий зрением, мог
распознавать объекты реального внешнего мира, узнавать «знакомые» предметы,
инструменты, мог автономно выполнять сборочные, строительные и другие работы. При этом
следует иметь в виду, что снабжение робота зрением резко удорожает всю систему, но
упрощает алгоритмы управления его поведением (при условии, что алгоритмы распознавания
зрительных образов в реальном масштабе времени разработаны). Основные трудности при
использовании зрительного анализатора заключаются в обработке информации, поступающей
от анализатора. Мы рассмотрели практически все типы датчиков, которыми необходимо
снабдить робот в наиболее общем случае. Естественно, что при разработке роботовманипуляторов, предназначенных для решения некоторого специального класса задач, следует
особое внимание обратить на рациональный выбор сенсорных (чувствительных) устройств,
входящих в информационную систему роботов.
108
.
Робот-манипулятор может быть как неподвижным, так и подвижным, причем
передвигаться он может как при помощи колес, так и при помощи «ног». К датчикам
состояния шагающего устройства (число ног у шагающего устройства не менее двух)
относятся: датчики положения звеньев, измеряющие угловые координаты органов
перемещения; датчики усилий в приводах; датчики горизонта, измеряющие угловые
отклонения координат, связанных с платформой шагающего устройства, от координат,
связанных с горизонтом (гировертикаль). К датчикам состояния внешней среды
относятся: тактильные датчики, фиксирующие соприкосновение «стопы» органа
перемещения с поверхностью; локационные датчики, измеряющие высоту платформы над
поверхностью; локационные датчики, измеряющие высоту опорной части ноги над
поверхностью.
Итак, мы видим, что робот — это сложная система, снабженная большим
количеством различного рода информационных устройств. Для того чтобы
целесообразно использовать информацию, получаемую от датчиков, необходимо
организовать систему обработки чувствительной информации. Структура этой системы
(как и структура всего робота) построена по иерархическому принципу, причем, чем
выше уровень обработки информации, тем меньше ее избыточность и тем более
обобщенные характеристики' передаются на следующие уровни. Следует иметь в виду,
что обработанная информация поступает на разные уровни системы управления роботов.
Так, например, информация о положении звеньев манипулятора обрабатывается
системой, обладающей всего одним уровнем обработки, на выходе которого имеются
сигналы, пропорциональные величинам углов между звеньями манипулятора. Эта
информация поступает в низшие уровни системы управления манипуляторов, поскольку
она необходима прежде всего для управления движениями руки (как сигналы обратной
связи о положении звеньев).
2.13 Системы обработки информации
Сигналы с информационных систем роботов поступают в вычислительную
машину, туда же поступают приказы человека-оператора. В вычислительной машине
происходит сложный процесс обработки этой информации и выработки управляющих
сигналов на двигательные системы робота. В процессе обработки информации
осуществляется ее многократное преобразование.
Системы обработки информации для роботов в зависимости от мощности
используемых вычислительных систем можно разделить на три группы: малые, средние
и большие.
Малые системы обработки информации. К простейшему типу роботов следует
отнести упомянутые выше промышленные роботы-манипуляторы («Юнимэйт»,
«Версатран»). Информационные системы таких роботов состоят только из датчиков,
измеряющих углы поворота отдельных сочленений, и иногда добавляемых тактильных
датчиков. Поскольку промышленные роботы предназначены для выполнения
повторяющихся, сравнительно несложных операций, то системы обработки информации
в них представляют собой просто запоминающие устройства (на магнитном барабане или
109
магнитной ленте), снабженные устройствами записи, считывания и несложными
логическими схемами.
Функция системы обработки информации в этом случае заключается в следующем:
1) запись в запоминающее устройство программы поведения робота, задаваемой в
символической форме (с помощью ключей, кнопок и т. п., находящихся на пульте);
2) запись программы, задаваемой в коде движений (с помощью обучающего
устройства, позволяющего при обучении перемещать руки
робота в любых
направлениях);
3) автоматическое выполнение записанной программы.
В качестве запоминающего устройства для робота «Юнимэйт» используется
магнитный барабан. Управляющие сигналы записываются в виде импульсов той или
иной полярности. Считывание всегда происходит без разрушения записанной
информации. Для управления движением руки «Юнимэйт», обладающей пятью
степенями подвижности, вполне достаточно 80 двоичных разрядов. Во время отработки
или записи того или иного движения барабан неподвижен. Таким образом, на магнитном
барабане записаны требуемые значения углов для каждой степени подвижности.
Разница между этими величинами и текущими значениями углов образует сигналы
рассогласования, которые являются управляющими сигналами для гидроприводов.
После того как сигналы рассогласования, соответствующие всем степеням
подвижности, становятся равными нулю, барабан поворачивается с помощью шагового
электродвигателя на один шаг и система переходит к выполнению следующей фазы
движения.
На магнитных барабанах, используемых в «Юнимэйт», может быть записано до
200 последовательностей различных команд управления.
Принцип работы робота «Версатран» такой же, только в качестве запоминающего
устройства использована магнитная лента.
Малые системы обработки информации позволяют роботу функционировать только
в стационарной внешней среде, изменяющейся заранее предусмотренным образом.
Средние системы обработки информации. В подобных системах используются
вычислительные машины средней мощности. Роботы, оснащенные средними системами
обработки информации, могут быть снабжены полным комплектом информационных
систем, описанных выше. Исключение может составлять только зрительная система,
поскольку распознавание зрительных образов в реальном масштабе времени требует
использования
мощных
вычислительных
средств.
В связи с ростом возможностей микропроцессоров в настоящее время
используются различные многопроцессорные системы для управления роботами.
110
2.14 Построение второго уровня управления манипулятором
Манипулятор как система может быть описан с помощью конечных и
дифференциальных уравнений. Но попытки определить с помощью классических методов
механики управляющие воздействия которые необходимо приложить к приводам
манипулятора наталкиваются на серьезные трудности при решении обратных задач для
уравнений Лагранжа.
Метод избыточных переменных позволяет решить эту проблему управления.
Действительно, если кинематические цепи манипулятора можно описать конечными
уравнениями, то с помощью методики, описанной в предыдущей главее, можно
определить структуру эквивалентных им дифференциальных уравнений с
неопределенными коэффициентами. Назначая соответствующим образом эти
произвольные коэффициенты, можно задавать самые разнообразные движения системе,
причем по аналогии с человеческим телом сохраняется значительный произвол в
выполнении тех или иных движений манипулятора.
Избыточность в структуре эквивалентных уравнений может быть использована как
для борьбы с помехами, перераспределения управляющих сигналов при выходе из строя
отдельных исполнительных приводов, регулирования темпа движения (по аналогии с
системами с коррекцией аргумента), так и для осуществления различных
целенаправленных движений. Ниже наибольшее внимание будет уделяться именно
последнему аспекту.
Кинематические схемы манипуляторов включают в себя звенья с вращательным и
поступательным движением и насчитывают до 10 степеней подвижности.
Конструктивная схема одного из манипуляторов (рис. 2.33) включает звенья е
гидроцилиндрами, длина которых Li, i = 1, 2, 3, 4, изменяется в пределах Li0 ±35 мм; ai bi
— звенья, длина которых не изменяется. Удобнее рассматривать в качестве изменяемых
координат на длину звеньев Li, а углы ai. Связь между ними определяется с помощью
уравнений
Li2 — а i2 + b i2 — 2atbi cos αi = 1,2,3,4
или с помощью уравнений Пфаффа
2LidLi + 2aibi sinαidαi = 0,
(2.3)
i = 1, 2,3,4.
111
Рисунок 2.33. - Конструктивная схема манипулятора вид сбоку (а) и вид
сверху (б)
В соответствии с этой конструктивной схемой построена кинематическая схема (рис. 2.34),
откуда координаты схвата манипулятора (точка С) определяются с помощью следующих
уравнений.
Рисунок . 2.34 - Кинематическая схема манипулятора
хс = 11 sin а1 sin а2 + l2 sin β1 sin β2 + l3 sin γ1sin γ2;
yc = sin а1 cos а2 + l2 sin β1 cos β2 + l3 sin γ1cos γ2;
zc = l1 cos α1 + l2 cos β1 + l3cos γ1;
где β1 = α1 + β’1,
β2 = α1+ α3;
(2.4)
γ1 = α1+β”1+α4;
γ2= α1+ α3+ γ’2; β’1=const; β”1=const; γ’2=const;
112
l1=const; l2=const; l3=const.
После дифференцирования уравнений получаем три уравнения Пфаффа.
Если задается скорость точки С, то эти уравнения имеют вид
∑4i=1 Qij dαi – φj dt=0,
. (2.5)
где Qij — функции ai (i = 1 , 2 , 3, 4), φ1=xc, φ2 = ус, φ3 = zc.
Для уравнений Пфаффа (2.4) и (2.5) может быть построена эквивалентная система
дифференциальных уравнений с неопределенными коэффициентами, число которых в данном случае
для п = 9,т = 7 будет равно s = Спm+1= 9. Наибольший интерес из этих уравнений представляет уравнение
для времени. Полагая t = х9, получим
dx9/dt = u2 D1234567 + u3D1234568 + u4D1234578 + u5D1234678 + u6D1235678 + u7D1245678 + u8D2345678=1.
Коэффициенты.us могут быть любыми, но обязательно должно выполняться это уравнение
синхронности.Уравнения (2.4) можно и не присоединять к системе (2.5), организовав их решение в
отдельном вычислительном блоке. Часто затруднительно задавать скорости в виде фиксированных
функций времени, поэтому в рассмотрение следует ввести сами переменные хс, ус, zc.
Эквивалентная система дифференциальных уравнений, построенная по уравнениям (2.4), в этом
случае будет содержать s = С47 = 35 произвольных коэффициентов, которые могут быть назначены
так, чтобы осуществить различные режимы движения манипулятора. Например, можно обеспечить
такие движения что
dxc/dt > 0,
dyc/dt = dzc/dt = 0
dxc/dt = dzc/dt = 0,
dyc/dt < 0
или
и т.д.
Если задана фиксированная точка, к которой должен приблизиться схват манипулятора, то
дополнительную переменную
Δ = (хц – хс)2 + (yц – ус)2 + (zц - zc)2,
где хц, уц, 2Ц — координаты цели, можно присоединить это уравнение к уравнениям (2.4), и для этой
исходной системы в эквивалентной системе дифференциальных уравнений будет содержаться
s = С| = 56 произвольных коэффициентов, которые могут быть заданы так, чтобы А устойчиво
стремилось к нулю.На рис. 2.35 изображена блок-схема алгоритма управления манипулятором
при использовании метода избыточных переменных.
113
Рисунок.2.35 - Схема управления движением руки
Во всех рассмотренных случаях в структурах дифференциальных уравнений после задания
движения остаются произвольные коэффициенты, которые могут быть использованы для
оптимизации динамических свойств системы. Например, с помощью подбора свободных
коэффициентов us можно минимизировать затраты кинетической энергии при выполнении
заданного движения.
Таким образом, с помощью неопределенных коэффициентов оказывается
возможным управлять манипулятором при задании:
1) траектории в виде пересечения поверхностей,
2) направления движения в довольно общем виде,
3) требования минимизации или максимизации расстояния между заданной точкой и схватом.
2.15 Уровни управления шагающей машиной
114
При автоматизации ручных и вспомогательных работ чрезвычайно важно,
чтобы робот-манипулятор обладал способностью передвигаться в любом
направлении по поверхности произвольного профиля (пол цеха, лестница,
пересеченная местность и т. п.). Наиболее удобно, с этой точки зрения,
использовать для передвижения шагающие устройства, управляемые ЭВМ.
Прежде чем перейти к описанию конкретных алгоритмов, рассмотрим кратко
историю вопроса.
2.16 Основные особенности шагающих машин, управляемых от
ЭВМ
В настоящее время ведутся большие работы по построению шагающих
машин, которые имеют ряд преимуществ перед другими видами транспорта.
Несмотря на то что работы такого рода ведутся около ста лет, существенных
результатов до сих пор достигнуто не было, поскольку задача управления
шагающей машиной весьма сложна, и она не. может быть решена чисто
механическим путем. Только с внедрением развитой вычислительной техники
появляется реальная возможность построения шагающих машин, имеющих
практическое значение.
Первый вопрос, с которым сталкивается конструктор при проектировании
шагающих машин, — это выбор количества ног. Бесчисленное множество
решений этого вопроса предложено природой. Представители животного мира
обладают самым различным количеством ног. Так, у некоторых насекомых шесть
ног, у членистоногих — восемь, наземные млекопитающие имеют четыре ноги и,
наконец, человек — две. Таким образом, только высокоорганизованные живые
организмы, имеющие развитый аппарат стабилизации, имеют две и четыре ноги.
Насекомые и членистоногие, имеющие шесть и восемь ног, во время шагания
движением у них значительно упрощается. По этому же принципу, как отмечал
П. Л. Чебышев, необходимо строить и шагающие машины, чтобы избежать
дополнительного усложнения конструкции за счет введения механизма
стабилизации. Поскольку в то время информационно-вычислительная техника не
была развита, вопрос стабилизации сохраняют центр тяжести внутри опорного
многоугольника, и задача управления центра тяжести выглядел весьма сложным.
В настоящее время, когда задача построения движения и стабилизации центра
тяжести может решаться вычислительной машиной на основе информации о
состоянии поверхности и окружающей среды, появляется реальная возможность
построить шагающую машину с шестью, четырьмя и даже двумя ногами.
Количество ног при этом будет определять сложность вычислительного
устройства.
Первая попытка создать шагающую машину была сделана П. Л. Чебышевым.
Его «стопоходящий механизм» состоял из четырех лямбдообразных прямил,
жестко соединенных между собой. Траектория опорной точки ноги в этом
механизме сходна с траекторией стопы человека при ходьбе. Механизм мог
передвигаться только по прямой. В наше время были сделаны попытки создать
шагающую машину на основе механизма Чебышева, но практического значения
такие машины не имели.
За рубежом, в частности, в США, ведутся большие работы по созданию
шагающих машин. Одна из таких машин — это машина типа «шагающий вагон» .
Машина может направляться в любую сторону либо при помощи руля,
115
присоединенного к передней ноге, либо при помощи координированного
движения ног. Между передними и задними ногами расположен пассажирский
вагон на 4—б человек. Движение ног координируется таким образом, что, когда
левая передняя нога выдвигается полностью вперед, то также полностью
выдвигается и правая задняя нога. Шагающий механизм, управляющий ногами
каждой пары, сконструирован таким образом, что попеременно нога
поднимается, выдвигается вперед, опускается и возвращается в исходное
положение.
Представляет интерес и другой проект — механический жук. Жук имеет
восемь ног, которые приводятся в действие от электродвигателя через
цилиндрическую зубчатую передачу и кулачки. Во время ходьбы ноги
совершают колебательные движения.
Известные в настоящее время проекты шагающих устройств условно можно
разбить на четыре класса. К первому — относятся устройства,
сконструированные на основе так называемого траекторного синтеза. У машин
этого класса координация движений ног осуществляется чисто механическим
путем с применением многозвенных кинематических цепей со сложной
структурой. Процесс шагания в этом случае представляет собой жесткий
двигательный стереотип, оптимальный по затратам энергии на перемещение для
определенных условий движения, однако совершенно исключающий
возможность приспосабливаться к непрерывно меняющимся условиям дороги.
Отсутствие этого качества практически сводит на нет все достоинства шагающих
устройств. Характерным примером устройств этого класса являются
«стопоходящая» машина Чебышева и механизм Муратори .
Ко второму классу относятся машины, сконструированные на основе
моделирующего синтеза. При этом в какой-то мере осуществляется копирование
структуры конечностей животных, поэтому траектории движения конечностей
становятся не жесткими, что принципиально создает возможность увеличения
приспособительных свойств устройства к условиям дороги. Однако крайне
примитивные устройства управления конечностями, а также сильно упрощенные
кинематические модели ног сильно уменьшают возможность этого класса машин;
кроме того, такие шагающие устройства нерациональны с энергетической точки
зрения. Примером шагающего устройства подобного типа является шагающий
экскаватор.
Возникновение значительных динамических нагрузок в опорах шагающего
устройства, вызванных большими ускорениями из-за малого времени разгона и
торможения, привело к необходимости разработки третьего класса шагающих
устройств, построенных по методу динамического синтеза. Примером таких
устройств может служить одно из шагающих устройств Дж. Шигли, имеющее
шестнадцать опор (по четыре в каждом углу платформы), причем фазы движения
их подобраны таким образом, чтобы во время ходьбы уравновесить динамические
нагрузки. В этом случае вес шагающей машины значительно увеличивается, что
ведет к нерациональным энергетическим
затратам.
Решение проблемы
уравновешивания динамических нагрузок следует, по-видимому, искать в
исследовании динамики привода, а не самих опор.
К четвертому классу относятся шагающие устройства, построенные на
педипуляторном принципе. В этих устройствах ноги человека-оператора связаны
через следящие системы с механизмами, являющимися аналогами ноги. При этом
положение механической ноги в пространстве соответствует в некотором
масштабе положению ноги оператора, и шагание оператора приводит к
аналогичному движению механической ноги. В шагающих устройствах этого
класса приспособляемость к непрерывно меняющимся условиям дороги, выбор
116
траектории и закона движения ног, задачу сохранения равновесия человек берет
на себя. Очевидно, большим недостатком этих машин является быстрая и
значительная утомляемость человека-оператора, целиком поглощенного
решением задачи управления, ограниченные возможности человека как
устройства управления, в частности, при осуществлении высокоскоростных
движений.
Использование ЭВМ для управления шагающими машинами позволяет
устранить недостатки, свойственные шагающим машинам любых типов. ЭВМ,
работающая по программе, использующей информацию, которая поступает от
датчиков, сигнализирующих о состоянии шагающей машины и характера дороги,
обеспечивает целенаправленное перемещение шагающей машины с необходимой
координацией движения ног, приспособляемость к условиям дороги, непрерывное
сохранение устойчивого равновесия, минимизацию расхода энергии на
перемещение.
Выходные сигналы вычислительной машины воздействуют на приводы,
управляющие координатами кинематических цепей органов перемещения.
Поскольку каждая координата чаще всего имеет индивидуальный привод,
управляемый с помощью индивидуального выходного канала ЭВМ, координация
движений органов перемещения и отдельных звеньев этих органов происходит на
уровне ЭВМ, чем обеспечивается огромная гибкость в осуществлении
разнообразных способов движения.
Перейдем к рассмотрению различных методов построения алгоритмов
управления шагающей машины.
Методы теории конечных автоматов. Идеи использования теории конечных
автоматов для этих целей впервые появились в работах [83, 92].
Нога
шагающего
устройства
представляет
собой
разомкнутую
кинематическую цепь, состоящую из нескольких звеньев (суставов). Каждый
сустав может находиться (по допущению авторов), по крайней мере, в четырех
состояниях:
свободное
(полностью
расслабленное),
зафиксированное
(застопоренное), состояние опускания или подъема конечности. В связи с этим
авторы включили в систему, воспроизводящую функционирование конечности,
силовые элементы, способные принимать указанные выше состояния. Такие
силовые элементы названы кибернетическими исполнительными органами.
Таким образом, кибернетический исполнительный орган есть элемент
комбинационной схемы (элемент без памяти) с двумя двоичными входами и
одним непрерывным выходом (табл. 2.1).
Таб л и ц а 2.1.
Вход
Состояние
Выход
исполнительного органа
00
01
10
11
0
Расслабление
1
Опускание конечности
2
Подъем конечности
3
Стопорение
117
Главной особенностью использования ЭВМ для управления роботамиманипуляторами является выработка сигналов управления, учитывающих
'сигналы обратной связи, поступающие от чувствительных систем робота.
В качестве иллюстрации использования теории конечных автоматов
рассмотрим модель системы управления для движения исследуемой конечности,
состоящей из трех суставов: колена, лодыжки и пальцев. Будем считать, что
суставы колена и лодыжки снабжены кибернетическими исполнительными
органами; сустав у пальцев — пассивный (с пружиной, распрямляющейся
при
отсутствии нагрузки). На рис. 2.36 представлена последовательность
положений искусственной ноги в цикле перемещения.
Первый этап при синтезе системы управления заключается в декодировании
событий, представленных на рис.2.36, в терминах выходов пороговых элементов.
Для данного случая необходимо иметь восемь пороговых элементов. Второй шаг
синтеза заключается в согласовании состояния исполнительного органа с
выходом исполнительного элемента. Очевидно, что такое согласование
неоднозначно.
9
10
11
12
Рисунок 2.36 - Фазы движения нижней конечности человека
На основании подобных рассуждении была построена четырехногая
шагающая машина [83], управляемая вычислительным устройством.
Синтез алгоритмов шагания с помощью метода избыточных переменных.
Для того чтобы приблизить шагающую машину по своим характеристикам к
живому организму, нужно, чтобы она обладала достаточным количеством
способов передвижения в зависимости от изменения условий внешней среды.
У наземных млекопитающих известно множество различных способов
передвижения и проведена четкая их классификация. В настоящее время принято
различать симметричные и асимметричные аллюры с латеральной и диагональной
последовательностью движений конечностей. При симметричных аллюрах за
движением передней следует движение задней конечности, а при асимметричных
— за движением двух передних следует движение двух задних конечностей. При
118
латеральной последовательности за движением передней конечности следует
движение задней конечности той же стороны, а при диагональной
последовательности — противоположной конечности. Существует семь
симметричных аллюров: самый медленный диагональный шаг, нормальный шаг,
быстрый шаг, медленный рысеобразный шаг, медленная рысь, медленный
иноходеобразный шаг, медленная иноходь.
Некоторые из перечисленных аллюров могут быть применены в
четырехногих шагающих машинах. Для медленно двигающихся машин
необходимо обеспечить устойчивость на протяжении всего цикла движения. При
моделировании такого типа машин нужно предусматривать возможность
изменения ритма локомоции в сторону рысей, а тем самым независимого
изменения ритма работы двигателей отдельных конечностей.
Более простой в управлении является шестиногая шагающая машина, хотя в
ней за счет увеличения числа опор несколько усложняется механическая часть. В
четырехногой машине необходимо либо автомат стабилизации, либо наличие
дополнительных боковых степеней подвижности опор' для обеспечения
устойчивости.
Для шестиногой машины можно принять схему передвижения 3—3. В этом
случае (рис. 2.37) центр тяжести машины 0 будет перемещаться внутри
шестиугольника ABCDEF. Если опоры имеют не меньше трех степеней
подвижности, то при равномерном расположении опор ABCDEF направление
движения безразлично.
Рисунок 2.37 - Схема шагания шестиногой машины
119
При схеме шагания 3—3 машина сможет преодолевать рвы шириной меньше
половины шага. Последовательность шагания следующая: сначала ноги D, Е, F
перемещаются в положение Dx, Е ъ F ь а затем ноги А, В, С — в положение А ъ Въ
Сх и т. д. Такую схему шагания выгодно применять при ходьбе по местности с
небольшими уклонами, впадинами и буграми, так как она обеспечивает
максимальную скорость движения. Для преодоления более сложных
120
препятствий (широкие, серьёзные, рвы, большие камни и др.) можно использовать элемент
прыжка. При этом шестиногая машина может отталкиваться тремя ногами, а другие три
использовать для маха (что придаст машине дополнительное ускорение за счет сил
инерции) и на них же машина будет приземляться. Привод в этот момент должен работать
на форсированном режиме. Это можно осуществить от гидрогазовых или пороховых
аккумуляторов. Наличие столь разнообразных способов передвижения вызывает
необходимость их систематизации. На рис.2.38 представлена кинематическая схема ноги с
гидроприводом.
Рисунок 2.38 - Кинематическая схема ноги с гидроприводом
Таким образом, можно получить матрицы для всех интересующих нас походок. Имея
систему датчиков, можно составить матрицы окружающей среды. Аналогично
составляются матрицы задания. Матрицы задания и матрицы окружающей среды вводятся
в вычислительную машину, которая подбирает соответствующие им матрицы управления
приводами .
Аналогично могут быть составлены матрицы и для машины с любым количеством ног.
Такой способ описания движения шагающей машины дает возможность сформировать
модели управления ею в терминах конечных автоматов.
Выше был рассмотрен синтез модели шагающего робота на базе теории конечных
автоматов. Но при описании в терминах конечных автоматов затруднен анализ динамики,
управления даже отдельной ногой, уж не говоря о всей машине. Поэтому далее строится
математическая модель шагающего робота на основе теории пересекающихся
дифференцируемых многообразий [24, 29, 46, 73].
Каждую ногу будем рассматривать как отдельный генератор функций с поведением,
заданным с точностью до его внутренних ограничений, определяемых конструкцией ноги.
Если число степеней подвижности ноги равно n и если внутренние ограничения
121
Fj(x1, x2, …,xn) = 0, j = 1, 2, …, m, n>= m,
то в структуре дифференциальных уравнений
dxi/dt = fi (x1, x2…, xn, u1, u2, …, us, t), i = 1,2,…, n
будут
содержаться
произвольные
коэффициенты
us,
которые могут быть использованы для задания
алгоритма
шагания.
На
эти
дифференциальные уравнения накладываются, во-первых, ограничения от общего
основания, на котором закреплены ноги, и, во-вторых, от опорной поверхности. Опорная
поверхность может рассматриваться как модель окружающей среды и в этом случае может
быть использована модель процесса развития для адаптации ног к опорной поверхности
[18]. Прежде чем перейти к описанию алгоритмов шагания, построенных по методу
избыточных переменных, рассмотрим аппаратурное обеспечение автономного шагающего
устройства, управляемого ЭВМ.
В состав шагающего устройства входят следующие функциональные блоки:
1) вычислительное устройство, вырабатывающее управление приводами степеней
подвижности органов перемещения;
2) устройства сбора информации о состоянии шагающего устройства и окружающей
среды;
3) блок питания;
4) блок приводов степеней подвижности органов перемещения.
Сбор информации осуществляют датчики положения звеньев, измеряющие угловые
координаты органов перемещения; тактильные датчики, фиксирующие соприкосновение
стопы ноги с дорогой; датчики горизонта, измеряющие угловые отклонения координат,
связанных с платформой, от координат, связанных с горизонтом; устройства, измеряющие
высоту платформы над поверхностью; устройства, измеряющие высоту опорной части ног
над поверхностью.
Вычислительное устройство, на основе которого может быть реализована система
управления, выполняет следующие функции: формирует
стереотипы походки с
коррекцией этого стереотипа в зависимости от рельефа дороги; обеспечивает устойчивое
равновесие шагающего устройства; стабилизирует горизонтальное положение платформы
независимо от рельефа; поддерживает заданную высоту платформы над горизонтом; обеспечивает
расшифровку команд человека-оператора
122
.
Траектории вынесения стоп поднятых ног вперед задаются параллельными траекториям
движения во время рабочей фазы. В процессе выноса ног осуществляется контроль высоты
положения стоп над поверхностью дороги. Если высота любой из стоп становится меньше
допустимой, то производится подъем ноги до достижения нужной высоты, а затем продолжается
вынос ног вперед. Конец движения определяется одним из условий:
1) достигнуто ограничение по длине шага;
2) одна из степеней подвижности свободных ног достигла механического ограничения;
3) поступил сигнал «касание» с одного из тактильных датчиков.
Опускание стоп ног производится по нормали к горизонту. Конец движения для
каждой ноги определяется моментом касания поверхности, а конец этапа — касанием
поверхности всеми тремя ногами. Если хотя бы одна нога не может достичь опоры, то
происходит включение программы локального поиска, которая здесь не рассматривается.
Вспомогательная фаза. В этой фазе с помощью блоков программы БПР и БПВ
происходит восстановление горизонтального положения и заданной высоты платформы, а
также смещение центра тяжести в зону равновесия.
Для достижения горизонтального положения используется информация с датчиков
горизонта, определяющих отклонение плоскости платформы шагающего устройства от
горизонтальной плоскости. Восстановление горизонтального положения платформы
осуществляется за счет задания БПР вертикального перемещения отдельным
опирающимся ногам. Восстановление заданной высоты платформы происходит на основе
использования информации от датчика высоты платформы за счет задания
одновременного вертикального движения всем трем опирающимся ногам.
Введение центра тяжести шагающего устройства в зону устойчивости производится с
помощью информации, поступающей с датчиков усилий, расположенных в стопах
опирающихся ног. Очевидно, при заданной высоте расположения над поверхностью
максимальный запас устойчивости будет иметь место при равенстве усилий, возникающих
в опорах (при v = 0).
Зона достаточной устойчивости может быть определена через разность усилий в
максимально и минимально нагруженных опорах, которая не должна превосходить
допустимой величины. Введение центра тяжести шагающего устройства в зону
допустимой устойчивости достигается за счет задания БПР горизонтального движения
платформы.
Непрерывная походка типа 3—3 образуется путем слияния фаз прерывистой походки.
Непрерывная походка экономичнее прерывистой и обеспечивает большую скорость
перемещения при таких же динамических нагрузках, однако она может использоваться только
при перемещении по сравнительно ровной поверхности.
Другими возможными типами походок являются походки типа 4—2, 5—1 Эти походки
отличаются тем, что в любой момент времени шагающее устройство (рис.2.39) опирается не
менее чем на 4 или 5 ног. Этот тип походок целесообразен при движении по очень сложному
рельефу для повышения устойчивости шагающего устройства, а также в случае выхода из
строя одной или двух ног.
123
Рисунок 2.39 - Кинематическая схема шестиногой шагающей машины
Таким образом, рассмотренное шагающее устройство работает по программе,
обеспечивающей перемещение с заданной скоростью в любом направлении при гибкой
адаптации к непрерывно изменяющемуся рельефу местности. Алгоритмы управления
обеспечивают комфортное перемещение по сильно пересеченной местности (с
непрерывным сохранением горизонтального положения платформы) и преодоление
препятствий типа «ров», «барьер», предельные величины которых определяются
геометрическими размерами ног шагающего устройства.
Работа человека-оператора существенно облегчена по сравнению с педипуляторным
принципом управления и не отличается от работы шофера; возможна
дальнейшая
автоматизация шагающего устройства путем введения еще одного уровня управления.
Шагающее устройство может функционировать при выходе из строя отдельных приводов
ног, заклинивании шарниров, выходе из строя самих ног.
124
Рассмотрим целостный подход к построению алгоритма шагающей машины, для чего
вернемся к анализу уровневой структуры.
Первый уровень управляет движением каждой отдельной ноги машины во время
рабочего и свободного движений в соответствии с командами, которые вырабатываются
вторым уровнем.
Второй уровень координирует движение всех ног и производит построение походки в
соответствии с сигналами датчиков соприкосновения, усилий и положения отдельных ног
и платформы и с командами третьего уровня.
Третий уровень задает тип походки, скорость, направление перемещения. На третьем уровне
осуществляется глобальная" ориентация шагающей машины. В реальной машине управление на
третьем уровне осуществляется человеком-оператором.
Первый уровень управления в данном случае аналогичен второму уровню управления
манипулятором, который рассматривался выше. Поэтому перейдем к рассмотрению второго
уровня управления шагающей машины. С помощью конечных алгебраических уравнений опишем
конструкцию шестиногой машины (рис. 2.34а,б). Точки Ai (i = 1, 2, . . ., 6) — это места
прикрепления ног к платформе, в этих точках имеются две степени подвижности — углы θi1 и θi3
(i = 1, 2, . . ., 6) B точках Bi (i = 1, 2, . . ., 6) помещаются третьи суставы ног с одной степенью
подвижности —с углами θi2 (i = 1, 2, . . ., 6).
Отрезки AtBi = l1 BiCi = l2 (i = 1, 2, . . ., 6) полагаем постоянными и одинаковыми для всех ног.
Определим координаты конечных точек ног Ci (i = 1, 2, . . ., 6) через углы θi1, θi2, θi3 в перавой
координатной системе. Радиус платформы машины равен R.
Из рис. 2.34 получаются уравнения ног:
хс1 = xaj + ki’ [l1 sin θi1 + l2 sin (θi2— θi1 )] sin θi3;
yCi = yAj + ki” [l1 sin θi1 + l2 sin (θi2 - θi1)] cos θi3)
(2.6)
zci = zai + l1 cos θi1 – l2 cos (θi2 - θi1),
i=1, 2, …, 6,
где коэффициенты ki’ и ki” учитывают разницу в расположении каждой ноги.
Для полного описания шагающей машины к этим уравнениям ног следует присоединить
группу уравнений платформы:
(xAl - хА2)2 + (yA1 – yA2)2 + (zA1 – zA2)2 = R2;
(xA2 - хА3)2 + (yA2 – yA3)2 + (zA2 – zA3)2 = R2;
(xA3 - хА4)2 + (yA3 – yA4)2 + (zA3 – zA4)2 = R2;
(xA4 - хА5)2 + (yA4 – yA5)2 + (zA4 – zA5)2 = R2;
(2.7)
(xA5 - хА6)2 + (yA5 – yA6)2 + (zA5 – zA6)2 = R2)
(xA6 - хА1)2 + (yA6 – yA1)2 + (zA6 – zA1)2 = R2;
125
(xAj - хА0)2 + (yAj – yA0)2 + (zAj – zA0)2 = R2;
axAi + byAi + czAi + d = 0
i = 1, 2, …, 6,
где x0, y0, z0 – координаты центра платформы; a, b, c, d – параметры плоскости платформы.
Таким образом, для задания положения платформы может использоваться система из
18 уравнений, объединяющая координаты семи точек. Задание координат любой из этих
точек и параметров плоскости полностью определяет положение платформы.
По уравнениям (2.6, 2.7) в соответствии с методом избыточных переменных можно
построить систему дифференциальных уравнений с неопределенными коэффициентами,
которая и может быть использована для построения алгоритмов управления
исполнительными приводами суставов 0{, ©з, ®з(/ = 1, 2, . . .,6) в зависимости от
параметров движения платформы, задаваемых с верхнего уровня управления, и в
зависимости от выбранного типа походки и рельефа местности. Ввиду громоздкости этих
алгоритмов рассмотрим идеализированную модель, в которой все точки At (i — 1, 2, . . ., 6)
совпадают с точкой О, и вместо семи точек платформы будем рассматривать движение
одной точки с координатами х0, г/0, г0. В этом случае сохраняются лишь уравнения ног в
виде
xci = x0 + k’i [l1sinθi1 + l2sin(θi2 – θi1)]sinθi3;
yci = y0 + k”I [l1sin θi1 + l2sin(θi2 – θi1)]cosθi3;
zci = z0 + l1cosθi1 – l2cos(θi2 – θi1),
i=1,2, …, 6.
При задании походки задается закон, изменения во времени координат конечных
точек С,-. Будем рассматривать походку 3—3, когда платформа опирается по меньшей
мере на три ноги, а три другие переносятся вперед. Проекция центра тяжести платформы
все время должна находиться внутри опорного треугольника. Исходя из этого условия и
задается закон изменения координат конечных точек ног Ct{i — 1, 2, . . ., 6). В этой
походке можно различать следующие фазы.
1. Все шесть ног опираются на землю, скорости всех точек Ct равны нулю, точка О
перемещается в заданном направлении с заданной скоростью. Это — фаза качания на
шести ногах.
2. Платформа опирается на три ноги, скорости точек Съ С3, Сь равны нулю, концы трех
других ног совершают перемещение по заданному закону, например, по циклоиде. Точка О
126
при этом перемещается с заданной скоростью, в этой фазе осуществляется качание на трех
ногах, три другие ноги переносятся до тех пор, пока не коснутся поверхности.
3. Платформа опирается на шесть ног, скорости всех точек Ct(i = \, 2, . . ., 6) равны
нулю. Совершается качание на шести ногах, точка О перемещается в заданном
направлении с заданной скоростью.
4. Платформа опирается на три ноги, скорости точек С2, С4, CQ равны нулю, концы
трех других ног совершают перемещение по заданному закону. Точка О перемещается с
заданной скоростью: осуществляется качание на трех ногах, три другие переносятся до тех
пор, пока не коснутся поверхности, о чем сигнализируют датчики соприкосновения.
5. Платформа опирается на шесть ног, скорости всех точек С,(/ = 1, 2, . . ., 6) равны нулю, совершается качание на шести ногах,
точка О перемещается с заданной скоростью и т. д.
,
Далее строится эквивалентная система дифференциальных уравнений с
неопределенными коэффициентами для (2.6) и (2.7).
При управлении шагающим устройством важен учет динамических эффектов, что в
рамках разрабатываемого подхода можно осуществить, введя в рассмотрение вторые
производные от координат. В этом случае с помощью неопределенных коэффициентов в
эквивалентной системе дифференциальных уравнений можно задавать не только скорости,
но и ускорения, а значит и усилия, развиваемые приводом, и полностью учесть
возможности привода при заданных динамических режимах движения машины.
Развитый на основе метода избыточных переменных подход может быть применен к
шагающим машинам любой конструкции, с любым числом ног и с любым числом степеней
подвижности каждой ноги. В эквивалентных системах дифференциальных уравнений в
этом случае будет содержаться не один, а много произвольных коэффициентов, и для
облегчения анализа системы следует использовать методы аналитического
программирования.
При выходе из строя ног или их суставов оказывается возможным перестроить
алгоритм за счет использования возможностей гибких структур с избыточностью.
Робот, управляемый вычислительной машиной, является автоматической системой с
большой самостоятельностью поведения. Это предъявляет особые требования к его
надежности. Действительно, с ростом самостоятельности такой телеономической
системы, как робот, при неправильном его функционировании может быть нанесен
большой ущерб окружающей его внешней среде. Поэтому необходим особый контроль при
работе робота, с тем чтобы отключать его в случае грубых отклонений в его поведении.
Основной способ контроля за поведением робота — это примешивание специальных
контрольных задач к тем задачам, которые робот должен решать, выполняя некоторую
работу. Так как робот является многоцелевой системой, системой с избыточностью, то этот
способ контроля осуществим за счет некоторого уменьшения числа основных задач,
решение которых может быть заранее неизвестно.
Описанные выше принципы и алгоритмы опираются на практический опыт создания
шагающих машин. Под руководством М.Б.Игнатьева шестиногая шагающая машина с
вышеописанной кинематической схемой была построена в ЛИАП в 1968г по заказу фирмы
В.П.Бармина для исследования Луны. Второй экземпляр этой экспериментальной машины
находится в Международном институте кибернетики и артоники при ГУАП. В начале
127
девяностых годов финская фирма PLUSTECH построила шагающую машину с такой же
кинематикой для лесозаготовок. Эта мощная машина, с установленным на ней
манипулятором для спиливания деревьев и переноски стволов спиленных деревьев
используется в Германии, Канаде и Финляндии в лесном хозяйстве.
В связи с планами освоения Луны проектируются лунные базы, важным при этом
является необходимость учесть особенность лунных суток, ведь день и ночь на Луне
длятся примерно по сто земных суток. Исходя из этого стационарная лунная база будет
находиться в трудных условиях с большими колебаниями температуры и освещенности.
Поэтому родилась идея построить мобильную лунную базу, чтобы база медленно
перемещалась, находясь все время в сумеречной зоне. Для создания такой мобильной
лунной базы лучше всего подходит шагающее шасси с вышеописанной кинематической
схемой.
В настоящее время важным заказчиком на шагающие машины являются спортивные
фирмы, которые занимаются экстремальными видами спорта.
Другим важным заказчиком на шагающие машины является ГАЗПРОМ.
Газопроводы протянулись на многие тысячи километров, они изнашиваются и
деформируются и нуждаются в диагностике в процессе функционирования, когда по ним
передаются большие потоки природного газа. Разработана конструкция шестиногого
адаптивного робота, который не нуждается в системе энергообеспечения – энергию можно
черпать прямо из газового потока. Эта энергия необходима для перемещения робота
внутри трубы в газовом потоке, для работы систем диагностики, для передачи
информации на контрольные станции. Робот и система энергообеспечения создают
минимальное аэродинамическое сопротивление в трубе.
2.17 Шестиногие шагающие машины
Могут перемещаться по крутому бездорожью.В качестве примера рассмотрим
кинематическую схему шестиногой машины для перемещения по пересеченной местности.
Машина состоит из шестиугольной платформы, по периметру которой равномерно
распределены шесть ног. Каждая нога имеет два сустава. Коленный сустав имеет одну
степень подвижности – сгибается в вертикальном направлении. Бедренный сустав имеет
две степени подвижности – вертикальную и горизонтальную (рис.2.40,2.41). Так же, каждая
нога имеет датчик опоры.
128
Рисунок 2.40 - Кинематическая схема машины
Коленный
сустав
Датчик опоры
Бедренный сустав
Рисунок 2.41 - Кинематическая схема ноги
Машина предназначена для движения по сильно пересеченной местности. На местности
могут располагаться препятствия в виде углублений (ямы, канавы) и возвышений (большие
камни, завалы), которые машина может перешагивать. Местность может иметь крутые
склоны, которые машина преодолевает изменением положения ног и без наклона корпуса.
Машина предназначена для переноски значительных грузов, однако, не рассчитана на
движение с большой скоростью. Машина способна двигаться в любом направлении, в том
числе менять направление движения без поворота корпуса. На рис.2.42 и 2.43 представлены
фото экспериментального образца шестиногого робота, который проходит испытания (
С.В.Владимиров, М.Б.Игнатьев, В.И.Сапожноков и др., доклад на Международной научнотехнической конференции «Экстремальная робототехника -2015». С-Петербург).
129
Рисунок. 2.42 - Шестиногий робот с гидроприводами, вид сбоку.
130
Рисунок 2.43 - Шестиногий робот, вид сверху
Роботы для игры в футбол. Еще в 1949г К.Шеннон впервые создал программу для
игры в шахматы. С тех пор компьютерные шахматные программы многократно
усовершенствовались. В 1974г советская шахматная программа Каисса завоевала мировое
первенство. В 1999г шахматная программа выиграла матч с мировым чемпионом
Каспаровым. Людям понадобилось 50 лет для создания таких совершенных программ и
теперь уже люди учатся у компьютера играть в шахматы. Помимо шахмат появилась
другая амбициозная задача – создать команду роботов для игры в футбол и чтобы эта
команда обыграла команду людей-чемпионов. Теперь каждый год проходят мировые
чемпионаты в двух лигах – в лиге моделирования игры в футбол и в лиге создания
реальных роботов для игры в футбол. Постепенно двигаясь к достижению этой очень
сложной цели, будет решено много важных научно-технических задач и в этом большая
польза от участия в таких соревнованиях. В 2007 г питерская команда заняла первое место
на международных соревнованиях в лиге моделирования.
131
Лингво-комбинаторный подход можно использовать и при моделировании игр, таких
как шахматы и футбол. Рассмотрим простую футбольную ситуацию – два игрока и мяч,
что можно описать как
игрок1 + игрок2 + мяч
Моделью этого выражения будет уравнение (2.8), где А1 – характеристика игрока1, Е1
– изменение этой характеристики, А2 – характеристика игрока2, Е2 – изменение этой
характеристики, А3 – характеристика мяча, Е3 – изменение этой характеристики.
Соответствующая эквивалентная система уравнений будет иметь вид (2.9), где
манипулируя произвольными коэффициентами можно управлять поведением игроков и
мяча. Если ввести новые переменные – А4 – характеристику расстояния между игроком1 и
мячом, А5 – характеристику расстояния между игроком 2 и мячом и их изменения
соответственно, то тогда вместо уравнения (2.9) получим уравнение
А1*Е1 + А2*Е2 + А3*Е3 + А4*Е4 + А5*Е5 = 0
(2.8)
разрешив которое относительно изменений Е получим систему уравнений
Е1 = U1*A2 + U2*A3 + U3*A4 + U4*A5
E2 = - U1*A1 + U5*A3 + U6*A4 + U7*A5
E3 = - U2*A1 – U5*A2 + U8*A4 + U9*A5
(2.9)
E4 = - U3*A1 – U6*A2 – U8*A3 + U10*A5
E5 = - U4*A1 – U7*A2 – U9*A3 – U10*A4,
где U1,…, U10 – произвольные коэффициенты, манипулируя которыми можно
обеспечить сближение игроков с мячом. Аналогичным образом моделируется поведение
двух команд по 11 игроков в каждой. Этот подход был использован при моделировании
поведения игроков-роботов. Мировое сообщество в настоящее время поставило задачу
создать таких роботов, которые могли бы играть с людьми в футбол и победить команду
людей-чемпионов. Это трудная задача, но, решая ее, ученые попутно решают много
других полезных задач.
Если исходить из известного нам, сначала возникли люди, которые своим
воображением породили аватаров в искусстве и др., потом возникли условия для
появления роботов. Первый подводный робот с управлением от ЭВМ был построен в
1968 году усилиями Института океанологии, ЛПИ и ЛИАП. Сейчас уже существуют
семейства летающих роботов – аэробов, имитации домашних животных (японский
132
робот АIBO), развиваются бытовые роботы для дома, роботы для рекламы и др.
Беспилотные летающие аппараты превратились в важный вид вооруженных сил.
Автомобили, самолеты и корабли после внедрения внешнего управления превратятся в
роботов.
Итак, как было показано выше, роботы, аватары и люди – это сущности одного
порядка, отличающиеся лишь объемом структурированной неопределенности. Эти
сущности взаимодействуют как между собой, так и с другими системами через единую
среду – апейрон. Эволюция этих сущностей определяется прохождением через зону
адаптационного максимума и умением удержаться в этой зоне в потоке перемен.
2.18 Антропоморфные роботы
Антропоморфные, похожие на человека роботы (рис.2.44), получают все
большее распространение, но в их реализации имеется много проблем¸ таких
как их устойчивость и энергообеспечение.
133
Рисунок 2.44 – Антропоморфный робот
134
2.19 Внешнее управление самолетами для борьбы с терроризмом
Когда говорят о кибернетических системах, то прежде всего имеют ввиду системы
управления, где относительно небольшими усилиями можно достичь очень большого
эффекта. Когда Норберт Винер говорил о кибернетике, то он имел ввиду управление и связь
в животном и машинах. В наше время приходится говорить об управлении людьми,
манипуляцией сознанием и воздействии на компьютерные системы, которые стали
неотъемлемой частью систем управления самых разных объектов – энергетических,
транспортных и других. События последних лет показывают, что транспортные средства –
самолеты, корабли, автомобили – все чаще становятся орудиями совершения
террористических актов, поэтому ниже сделан упор на рассмотрение кибернетических атак
именно на транспортные системы. В связи с ростом противоречий в мире терроризм стал
неотъемлемым элементом картины мира.
Транспортные средства управляются людьми – пилотами, капитанами, водителями и
действующая концепция безопасности базируется на том, что эти люди дорожат своей
жизнью и так управляют транспортными средствами, чтобы прежде всего самим не
пострадать, самим не попадать в экстремальные опасные ситуации. Но террористические
акты совершают люди, готовые пожертвовать своей жизнью ради идей, таких людей по мере
роста социального неравенства и обострения ситуации становится все больше, что
заставляет пересматривать саму концепцию безопасности транспортных средств. В этих
условиях возникла идея внешнего управления транспортными средствами, которая
заключается в том, чтобы при возникновении экстремальной ситуации отключить из
контура управления пилота, капитана или водителя (которые могут находиться под
контролем злоумышленников) и ввести внешнее управление транспортным средством из
специального центра, тем самым не позволив использовать его в качестве опасного оружия
[33].
Технической основой для введения внешнего управления является наличие бортовых вычислительных систем, которые уже сейчас выполняют большой объем работ по
управлению транспортными средствами. Авиационные вычислительные системы
решают сложные навигационные задачи, задачи контроля, диагностики и управления
всего самолетного оборудования, связи и т.д. Корабельные вычислительные системы тоже
решают множество задач и позволили значительно сократить количество обслуживающего
персонала на борту судна за счет автоматизации.
Новые поколения автомобилей тоже снабжены вычислительными системами , которые
помогают экономить горючее и повышают безопасность движения. Но внедрение внешнего управления является сложной проблемой, для решения которой нужно решить много
задач как технических, так и психологических и юридических.
Следует заметить, что развитие транспортных средств идет очень быстрыми темпами,
транспортные системы наносят большой экологический ущерб планете, в транспортных
135
авариях гибнет много людей и становится очевидным необходимость пересмотра всей
концепции развития транспортных средств и ее объединения с концепцией безопасности.
Все транспортные средства должны иметь возможность внешнего управления, что
позволит не только повысить безопасность, но и облегчить решение проблемы заторов на
дорогах, решить проблемы интермодальных перевозок .
Для того, чтобы решить эти проблемы необходимо иметь компьютерную модель
всего транспортного пространства, населенную представителями всех транспортных
средств – агентами, которые бы полностью отражали местоположение транспортных
средств, их характеристики, цели и возможности и т.д. то есть должен быть построен
многопользовательский виртуальный мир. Задача эта непростая, но в наше время
достижимая, она может решаться поэтапно, по отдельным регионам, с тем чтобы в
будущем охватить всю планету. С помощью многопользовательского виртуального
мира можно было бы проигрывать различные варианты решения транспортных
задач и выбирать наиболее оптимальные исходя из сложившейся ситуации.
На рис.2.45 представлена система поддержки управленческих решений, где сложные
ситуации в реальном транспортном мире могут моделироваться в ускоренном режиме в
виртуальном транспортном мире и выбираться наилучшие решения [33].
Рисунок 2.45 - Система поддержки управленческих решений при использовании
многоагентной системы, где каждой транспортное средство представлено своим агентом.
136
Решение проблемы внешнего управления транспортными средствами в экстремальных
ситуациях складывается из следующих блоков.
1. Блок выявления экстремальной ситуации на борту самолета .
2. Блок принятия решения по введению внешнего управления .
3. Блок отключения кабины пилотов от управления и включения внешнего управления
– проблема бортового оборудования.
4. Блок диспетчерского пункта, где вырабатываются управляющие сигналы внешнего
управления.
5. Блок включения самолета в режим многопользовательского виртуального мира для
координации полетов.
6. Блок управления посадкой самолета в режиме внешнего управления.
Планируется участие в разработке ведущих научно-исследовательских, опытноконструкторских и летно-испытательных организаций авиационной отрасли России,
специализирующихся в проектировании, эксплуатации и испытаниях:
-
тяжелых и легких, гражданских и боевых летательных аппаратов (ЛА),
бортовых систем автоматического и штурвального управления ЛА,
наземных систем управления полетами,
бортовых и наземных радиосвязных систем
и других, имеющих большой творческий потенциал, опыт и научнотехнический задел в областях:
а) проектирования, испытаний и эксплуатации ЛА,
б) проектирования и эксплуатации бортовой аппаратуры и ПО для бортовых
комплексов гражданских и военных ЛА,
в) системной реализации свойств отказоустойчивости и отказобезопасности
комплексов бортового оборудования как эргатических (человекомашинных)
систем,
г) разработки и эксплуатации стендов имитационного и полунатурного
моделирования,
д) аттестации ЛА, оборудования и программного обеспечения,
е) эксплуатации систем управления полетами.
В качестве примера успешного решения аналогичной задачи можно указать на беспилотный
полет советского космического самолета Буран.
Настоящая концепция является результатом предварительной проработки решения
задачи защиты от использования террористами ЛА в качестве оружия массового поражения
(разрушения) в Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмического
приборостроения совместно с Санкт-Петербургским опытно-конструкторским бюро
«Электроавтоматика» - одной из ведущих фирм авиационной отрасли в области интеграции
бортового оборудования всех типов самолетов и вертолетов. На основе предложенной
концепции может быть разработан ряд технических заданий для поэтапного выполнения
работы, цель первого этапа – проведение экспериментального полета тяжелого
пассажирского самолета в режиме внешнего управления( М.Б.Игнатьев, М.Е.Тихомиров
«Внешнее управление самолетами и проблема измерения» ( Вестник Северо-Западного
филиала Метрологической академии, ВНИИМ, СПб, 2004, вып.12, С. 51-66.). Проблема
должна решаться с привлечением ведущих зарубежных фирм и организаций. Борьба с
международным терроризмом возможна лишь в масштабах всей планеты. При этом кроме
технических проблем возникают чисто юридические проблемы, связанные с
137
несовершенством как российского, так и международного законодательства. Разработка
правовых вопросов внешнего управления осуществляется по двум уровням. На первом
уровне производится разработка международного соглашения, где оговариваются
следующие вопросы:
1. типы летательных аппаратов, оборудованных системами внешнего управления,
2. маршруты полетов, на которые не допускаются летательные аппараты, не оборудованные
системами внешнего управления,
3. порядок допуска к эксплуатации аппаратов с внешним управлением,
4. международная и национальная системы инспектирования и проверки положений
соглашения,
5. ответственность эксплуатанта, допустившего нарушение конкретного положения
соглашения.
Второй уровень – это уровень национального законодательства. Необходимо
проанализировать проекты нормативных актов, в которых определяется правовое
положение национальных наземных служб внешнего управления, их полномочия, права,
обязанности и ответственность, пределы вмешательства в управление транспортным
средством через многоагентную систему, правовые основы взаимодействия служб внешнего
управления, находящихся на прилегающих территориях как в пределах одного государства,
так и на территориях разных государств, механизмы реализации международных
обязательств.
2.19.1 Концепция бортового комплекса внешнего управления
воздушным судном в экстремальных ситуациях
Обстоятельства, при которых стало возможным применение воздушных судов (ВС) в
качестве орудия совершения крупных террористических актов в США 11 сентября 2001
года, указывают на целесообразность безотлагательной разработки специальных
технических средств обеспечения безопасности ВС и его пассажиров и предотвращения
террористических актов, при которых управление ВС переходит к злоумышленникам.
Одним и вариантов технической реализации может стать бортовой комплекс внешнего
управления воздушным судном, летный экипаж которого:




получил ранение или убит в результате атаки террористов,
вынужденно подчиняется террористам при совершении ими террористического
акта,
утратил работоспособность в силу других причин, например, внезапной болезни
или отравления, или внезапной разгерметизации герметических отсеков ВС в
полете на большой высоте и невозможности воспользоваться индивидуальными
кислородными приборами.
Преднамеренно направляет ВС на наземные объекты с террористическими
целями.
138
Настоящая концепция комплекса внешнего управления (КВУ) воздушным судном в
экстремальных ситуациях предусматривает взаимодействие Бортового комплекса внешнего
управления (БКВУ) и наземного центра внешнего управления (НЦВУ) в составе службы
управления воздушным движением и включает в себя следующие функциональные блоки:
Блок выявления экстремальной ситуации на борту ВС;
Блок принятия решения по введению внешнего управления ВС в указанных выше
случаях;
3. Блок отключения органов управления полетом и бортовым оборудованием в
кабине экипажа и перехода на автоматическое управление полетом;
4. Бортовой комплекс автоматического управления полетом по
запрограммированному маршруту, или по маршруту, переданному из центра
внешнего управления (в составе диспетчерских пунктов управления воздушным
движением) в бортовую вычислительную систему самолетовождения (ВСС), для
скорейшего выхода ВС к аэродрому посадки с учетом стандартных правил
выполнения полетов.
5. Блок центра внешнего управления (в составе диспетчерского пункта управления
воздушным движением), где вырабатываться сигналы внешнего управления,
передаваемые на борт ВС;
6. Блок включения данных о терпящем бедствие воздушном судне, в
многопользовательский «виртуальный мир» с целью обеспечения безопасного
управления воздушным движением;
7. Блок управления автоматической посадкой самолета в режиме внешнего
управления.
Перечисленные функциональные блоки в технической реализации могут
представлять собой как самостоятельные технические средства, так и модифицированное
программное обеспечение штатных бортовых вычислительных систем. Рассмотрим кратко
возможные технические решения, которые позволят реализовать Концепцию внешнего
управления, имея в виду, что внешнее управление сводится:
1.
2.






к участию человека-оператора наземного центра внешнего управления в
изменении запрограммированного в бортовой ВСС маршрута, профиля и
скорости полета,
к управлению скоростью полета через вычислительную систему управления тягой
(ВСУТ) или через продольный канал вычислительной системы управления
полетом (ВСУП),
к введению в действие систем вспомогательного управления шасси и
механизацией крыла в соответствии с Руководством по летной эксплуатации
(РЛЭ) данного типа ВС,
к передаче (при необходимости) на борт ВС параметров работы наземных
радиомаяков радионавигационных систем, если они отсутствуют в памяти
бортового комплекса,
к оперативному изменению траектории движения ВС и его угловой ориентации в
случаях, когда в целях безопасности полетов и при отказе средств автоматической
выработки решений для предотвращения столкновений с другими ВС,
столкновений с Землей и наземными препятствиями, при выходе на критические
режимы полета,
к оперативной нейтрализации террористов, проникших в кабину экипажа ВС,
путем применения бортового комплекса спецсредств.
139
2.19.2 Блок выявления экстремальной ситуации на борту ВС
Как отмечалось выше, к экстремальным ситуациям на борту ВС в
рассматриваемых данной концепцией случаях относятся:



случаи террористических актов, при которых управления ВС переходит к
злоумышленникам от летного экипажа, члены которого утратили работоспособность
вследствие ранения, смерти в результате атаки террористов, или экипаж вынужденно
подчиняется террористам при совершении ими террористического акта;
случаи преднамеренного значительного отклонения ВС от предписанного службой
движения маршрута и профиля полета и угрожающего столкновением с крупным или
особо важным объектом на Земле;
случаи утраты экипажем работоспособности в силу других причин, например, внезапной
болезни или отравления, или внезапной разгерметизации отсеков ВС в полете на
большой высоте и невозможности воспользоваться индивидуальными кислородными
приборами.
В качестве признаков экстремальных ситуаций, относящихся к данной
концепции, могут рассматриваться:
а) Нажатие каким-либо членом летного экипажа «тревожной кнопки» с
автоматической передачей самолетным ответчиком (СО) по системе вторичной
радиолокации в службу управления воздушным движением кодированного
сообщения о бедствии и необходимости перехода на режим внешнего управления.
б) Автоматическое определение в вычислительной системе самолетовождения
чрезмерного, нелогичного текущего отклонения от линии заданного пути и профиля полета
и направления ВС в сторону крупных и важных наземных объектов – вероятных целей
воздушных террористов. Координаты потенциальных целей сведены в специальные реестры
и введены в память ВСС или специального дополнительного вычислителя.
в) Автоматическое определение неработоспособного состояния членов экипажа
по таким признакам, как:




ослабление или отсутствие усилия обжатия кистями рук органов штурвального
управления (штурвал или ручка управления самолетом, рукоятки управления
двигателями) одновременно обоими летчиками в режиме ручного (штурвального)
пилотирования ВС;
нарушение ритма дыхания при потере сознания;
нарушения или остановки пульса артериального давления обоих летчиков;
по другим признакам.
г) Нарушение логики работы экипажа (или террористов) с бортовым оборудо-ванием.
д) Возможно, автоматическое распознавание речевых сообщений экипажа и прика140
зов террористов путем сравнения с библиотекой паролей из лексикона летного экипажа и
библиотекой речевых угроз и словесных команд террористов.
Во всех указанных случаях распознавание признаков и формулирование вывода о наличии
критической ситуации на борту ВС должно сопровождаться подключением к бортовому
комплексу связи бортовых акустических, визуальных и параметрических средств и
информационных каналов объективного контроля с целью передачи информации с борта ВС
службе управления воздушным движением. При этом к комплексу связи подключаются
акустические и телевизионные датчики объективного контроля, размещенные в кабине
экипажа, на подходах к нему, в пассажирских и грузовых салонах и грузовых отсеках, а также
самолетное переговорное устройство.
Передача информации от перечисленных источников может осуществляться не в реальном
времени, а с временным разделением сеансов передачи уплотненных массивов данных, в том
числе от бортовых устройств регистрации акустической, визуальной и параметрической
информации. В реальном масштабе времени, возможно, по специальному каналу связи могут
передаваться параметры движения ВС и работы силовой установки, сигналы ограничительной
сигнализации, необходимые для внешнего управления кодовые слова обмена информацией в
КСЦПНО.
В качестве бортовых средств связи могут быть использованы командные радиостанции КВ и
УКВ диапазонов, система автоматического обмена данными (САОД), самолетный ответчик
вторичной радиолокации в режиме S, а также специальный дополнительный
радиотелеметрический канал и перспективная низкоорбитальная спутниковая система связи,
аппаратура зависимого наблюдения.
2.19.3 Блок принятия решения по введению внешнего
управления воздушным судном
Блок принятия решения по введению внешнего управления ВС в указанных выше
случаях может располагаться как на борту ВС, так и на рабочем месте диспетчера службы
управления воздушным движением и оператора Наземного центра внешнего управления. В
первом случае решение о переходе на режим внешнего управления принимает экипаж. Это
решение автоматически передается на рабочее место диспетчера внешнего управления в
наземном центре внешнего управления. Во втором случае, на рабочих местах авиадиспет-чера и оператора внешнего управления анализируется принятая с борта ВС оперативная
информация от средств объективного контроля, и решение принимает служба движения после
установленных специальных процедур и попыток радиосвязи с экипажем терпящего бедствие
ВС.
141
2.19.4 Блок отключения органов управления полетом и
бортовым оборудованием в кабине экипажа и перехода на
автоматическое управление полетом
Блок отключения органов управления полетом и бортовым оборудованием в
кабине экипажа и перехода на автоматическое управление полетом принципиально
может быть реализован путем перехода на дополнительное программное обеспечение
КСЦПНО.
2.19.5 Бортовой комплекс автоматического управления полетом
Бортовой комплекс автоматического управления полетом должен обеспечивать полет
ВС по запрограммированному маршруту или по маршруту, переданному из центра внешнего
управления (в составе службы управления воздушным движением) в бортовую
вычислительную систему самолетовождения (ВСС), для скорейшего выхода ВС к аэродрому
посадки с учетом стандартных правил выполнения полетов. При этом ВСС выполняет
стандартные программы вычислений в режимах горизонтальной и вертикальной навигации,
используя измерительную информацию от штатных информационно-измерительных и
радиотехнических систем и датчиков. В ВСС в соответствии со штатным программноматематическим обеспечением формируются команды управления траекторным движением для вычислительной системы управления полетом (ВСУП), и управления приборной скоростью
(или числом М полета) – для вычислительной системы управления тягой (ВСУТ) или ВСУП.
ВСС принимает от бортового комплекса связи командную информацию по
оперативному изменению программы полета, а при необходимости и по новым
радионавигационным точкам и другой аэронавигационной информации и по переключению
режимов работы ВСС и ВСУП. Таким образом, комплекс связи в предлагаемом БКВУ будет
играть роль виртуальных пультов управления и индикации (ПУИ ВСС), комплексного пульта
радиотехнических средств (КПРТС), пульта управления ВСУП (ПУВСУП).
В процессе автоматического полета бортовые системы предупреждения о
критических режимах полета (СПКР), система предупреждения о приближении Земли (СППЗ),
система предупреждения столкновений в воздухе (TCAS-II), система сигнализации и
локализации отказов (ССЛО), комплексная информационная система сигнализации (КИСС)
работают в штатных режимах. Их сигнализации команды управления в ВСС, ВСУП, ВСУТ
передается на наземный центр внешнего управления.
В качестве дополнительного навигационного датчика для многорежимный
радиоприемник посадки (БМРП) как базовая включения в состав КСЦПНО рассматривается
бортовой бортовая навигационная система независимого и точного определения
местоположения ВС и посадки в автоматическом режиме.
Дополнительным радионавигационным средством может стать также комплекс
автоматических средств наблюдения и предотвращения конфликтных ситуаций в воздушном
пространстве – отечественной бортовой системы автоматического зависимого наблюдения –
вещательного (АЗН-В). Система АЗН-В должна осуществлять периодическую (до одного
142
сообщения в секунду) передачу по линиям связи радиовещательного типа без предварительного
установления контакта таких параметров как координаты, опознавательный индекс ВС и т.д.
для использования любым заинтересованным в этой информации бортовым и наземным
пользователем.
Данная концепция отвечает идеям Глобального аэронавигационного плана.
Концепция «Free flight» (CNS/ATM) требует использования четырех базовых комплексов
бортового радиоэлектронного оборудования:
1. Комплекс средств обмена данными между участниками воздушного движения и
текущем местоположении и направлении движения каждого летательного
аппарата;
2. Навигационная система независимого и точного определения местоположения
ВС и посадки в автоматическом режиме;
3. Комплекс автоматических средств наблюдения и предотвращения конфликтных
ситуаций в воздушном пространстве;
4. Система электронной индикации и отображения информации в кабине,
обеспечивающая экипаж информацией о параметрах полета и состоянии систем в
ясной, логичной и недвусмысленной форме.
Очевидно, предлагаемая концепция внешнего управления воздушным судном в
экстремальных ситуациях, как дополнительный комплекс, может взаимодействовать с
перспективным бортовым и наземным оборудованием по концепции «Free flight» (CNS/ATM).
Программные и аппаратные средства, которые могут быть созданы согласно концепции
внешнего управления, дополнят Комплекс автоматических средств наблюдения и
предотвращения конфликтных ситуаций в воздушном пространстве, обеспечат отображение
дополнительной информации на рабочем месте диспетчера управления воздушным движением
и оператора с внешнего управления. Кроме того, будет обеспечено изменение программ полета
по радиотелеметрической линии «земля - борт».
2.19.6 Блок центра внешнего управления
Блок наземного центра внешнего управления (в составе диспетчерского
пункта управления воздушным движением), где должны вырабатываться сигналы внешнего
управления, передаваемые на борт ВС, оборудуется комплексом связи. Рабочее место оператора
внешнего управления связано с рабочими местами всех диспетчеров управления воздушным
движением, в зонах ответственности которых может находиться терпящее бедствие ВС при
внешнем управлении.
Рабочее место оператора внешнего управления оборудуется комплексом средств
отображения параметрической и визуальной информации, наземными дубликатами ПУИ ВСС,
КП РТС, ПУ ВСУП и другими необходимыми пультами управления, имеющими физическую
или виртуальную техническую реализацию.
Оператор внешнего управления в экстремальной ситуации управляет воздушным судном
через ВСС в соответствии с реальной воздушной обстановкой и метеорологическими условиями
143
на маршруте следования ВС, координируя свои действия с диспетчерами службы движения,
обеспечивающими скорейшее приземление ВС на одном из ближайших аэродромов, специально
оборудованных дополнительными радионавигационными системами посадки, обеспечивающими
автоматическое приземление ВС.
Совместно с оператором внешнего управления может дежурить представитель службы
безопасности на воздушном транспорте, осуществляющий визуальный и акустический контроль и электронное документирование действий террористов в целях дальнейшего
расследования, а также дистанционную нейтрализацию террористов путем применение
спецсредств.
2.19.7 Блок включения данных о терпящем бедствие воздушном
судне, в многопользовательский «виртуальный мир» с целью
обеспечения безопасного управления воздушным движением
Блок включения данных о терпящем бедствие воздушном судне, в
многопользовательский «виртуальный мир» с целью обеспечения безопасного управления
воздушным движением, представляет собой программный модуль. Данный программный
модуль используется в многопроцессорной вычислительной системе АСУ управления
воздушным движением.
2.19.8 Блок управления автоматической посадкой самолета в
режиме внешнего управления
Блок управления автоматической посадкой самолета в режиме внешнего управления
включает в себя комплекс аппаратных и программных средств обеспечения автоматической
посадки на аэродроме, оборудованном комплексом радиотехнических средств.
Разрабатываемое в России, США, Франции радионавигационное оборудование навигации и
посадки использует три стандарта: ILS, MLS и GNSS, рекомендованные ICAO для
использования в гражданской авиации. Указанные системы могут использоваться на равных
правах в гражданской авиации. Система ILS была принята в 1950-х годах и не обеспечивает
автоматической посадки. Система MLS принята в 1985 году и обеспечит автоматическую
посадку ВС в перспективе, по мере оборудования аэропортов и совершенствования
комплексов бортового оборудования. Глобальная навигационная спутниковая система GNSS в
качестве базовой для обеспечения автоматического захода на посадку была одобрена Советом
ICAO как стандартная январе 2001 года (Поправка 76 к тому 1 Приложения 10 к Конвенции
ICAO). Как отмечалось выше, ряд фирм ведут разработку многорежимного бортового
приемника (MMR). В России такой приемник разрабатывается под индексом БМРП
(бортовой многорежимный приемник посадки), который обеспечивает возможность
посадки по маякам ILS, MLS и GNSS, формируя в режиме полета по спутниковой
навигационной системе сигналы отклонения от заданной траектории посадки ВС в ILSподобном формате. Точность определения координат ВС существенно возрастает за
144
счет применения дифференциального режима, в котором используются дифференциальные
данные при одновременной работе аппаратуры на борту ВС с космической группировкой
навигационных ИСЗ и с сигналами расположенного на территории аэродрома стационарного
радиомаяка, формирующего дифференциальные данные.
Таким образом, российская промышленность разрабатывает высокоточные и надежные
технические средства обеспечения автоматической посадки воздушных судов, которые делают
возможным внешнее управление автоматическим самолетовождением, в том числе полетом по
штатному или оперативно измененному маршруту в верхнем и нижнем воздушном
пространстве, в зонах подхода, круга, посадки, и автоматический заход воздушных судов на
посадку в экстремальной ситуации при отключенных бортовых средствах управления,
размещенных в кабине экипажа воздушного судна или в его технических отсеках.
В современном мире угрозы терроризма будут возрастать, что заставит перейти на
использование самолетов с внешним управлением. В США готовится законодательный акт, по
которому в США будут допускаться только самолеты, для которых предусмотрено внешнее
управление. Если до недавнего времени на первое место выходили требования по экологии,
уровню шума и т.д, то в настоящее время на первое место выходят требования защищенности
от террористов. Далее, в связи с ростом авиационного сообщения, внедрение внешнего
управления позволит упорядочить обстановку на воздушных трассах и в зоне аэропортов и
снизить число аварий из-за ошибок людей-пилотов. В настоящее время в автомобильном
транспорте тоже рассматривается вопрос о введении внешнего управления для того, чтобы
уменьшить хаос на дорогах и пробки.
Таким образом, будущее всех транспортных систем связано с внедрением внешнего
управления в самоорганизующиеся системы. При разработке новых самолетов, автомобилей
и морских судов необходимо уже сейчас закладывать возможность внешнего управления.
Контрольные вопросы
1.
Какие автоматы были построены и использовались в Древнем мире и в
Средневековье?
2.
Какие компьютерные технологии использованы в американском фильме
АВАТАР?
3.
Как представлял роботов Карел Чапек?
4.
Каковы основные законы робототехники по А.Азимову?
5.
Каково место роботов в современной жизни?
6.
Каков основной сюжет советского фильма Человек и робот?
Каково соотношение организации среды и сложности робота для конкретного
примера?
7.
Как использовать роботов на лесозаготовках?
8.
Как использовать роботов на машиностроительном предприятии?
9.
Как использовать роботов для помощи больным?
10.
Как использовать роботов в домашнем хозяйстве?
11.
Как использовать роботов на животноводческой ферме?
12.
Как использовать роботов для охраны порядка?
13.
Как устроена рука человека?
14.
Как устроена нога человека?
15.
Каковы характеристики зрительного анализатора человека?
16.
Каковы характеристики слухового анализатора человека?
145
17.
18.
20.
Каковы приспособительные характеристики человека?
Как должен быть экипирован кибернетический боец?
Какова система управления беспилотного летательного аппарата?
21.
Каковы механические конструкции роботов?
22.
Как должен перемещаться робот внутри трубы?
23. Как может помочь робот при диагностике газопроводов?
24. Каковы информационные системы роботов?
25. Как устроен «мозг» роботов?
26. Каковы системы связи человека с роботом?
27. Каковы уровни управления роботами?
28. Каков уровень самостоятельности робота?
29. Как осуществляется энергоснабжение роботов?
30. Каковы особенности биологических мышц?
31. Как можно использовать нанороботы?
32. Каковы адаптационные возможности робота?
33. Как организовать коллективную работу роботов?
3 Умные автомобили и умные дороги
3.1 Автомобиль без водителя - проблемы создания
роботизированного автомобиля для повышения
безопасности
движения
В настоящее время в Санкт-Петербурге располагаются филиалы семи крупнейших
автомобильных компаний, которые занимаются проблемой создания роботизированных
автомобилей совместно с вузами города. Наш университет всегда занимался бортовыми
вычислительными системами самолетов и сейчас эта наработанная техника внедряется в
автомобили с учетом специфики[1,2,3,4,5]. В настоящее время автомобильный
промышленный кластер Петербурга, состоящий из филиалов мировых автомобильных фирм
(ФордТойота, и др.) производит в год свыше 500 тысяч автомобилей, многие из которых уже
имеют интеллектуальные функции типа автоматическая парковка, автоматический круизконтроль и др. Ниже рассматриваются проблемы организации внешнего управления
автомобилями-нарушителями
путем
объединения
уже
существующих
систем
видеонаблюдения за автомобилями и умных автомобилей.
Предприятия автопроизводители – Форд, Тойота и др. уже разрабатывают умные автомобили, но
эффективность их применения зависит от дорожного хозяйства города, которое управляется
146
Комитетами Правительства Санкт-Петербурга. В частности, по данному вопросу имеется
положительный отзыв Комитета по экономической политике и стратегическому
планированию Санкт-Петербурга №16-9356/16-9-1 от 18.11.2016 [8].
Темаобеспечениябезопасностиавтомобиля,участников движения и окружающих актуальна с
момента создания первогоавтомобиляибудетоставатьсяактуальнойдотехпор,пока существуют
автомобили. Жизнь и трудовая деятельность людей неразрывно связаны с транспортом, без
которого был бы невозможен технический и социальный прогресс. Автомобиль – одна из самых
распространенныхмашинвмире,числоавтомобилейрастет,иавтомобилинепрерывно
совершенствуются, постепенно превращаясь в роботов. Эта тенденция обусловлена, с одной стороны,
усложнением обстановки на дорогах и требованием повысить безопасность, комфортность и
экологичность, с другой, – новыми возможностями информационно-вычислительной техники.
Первые вычислительные управляющие комплексы сначала появились в авиации, потом они
появились на морских кораблях, а теперь они внедряются вавтомобили. Вначалеэто были
микропроцессорныесистемыдляуправлениядвигателем,чтопозволило снизить расход горючего и
уменьшить загрязнение окружающей среды. Потом появились подвески с компьютерным
управлением, что позволило повысить безопасность. Появились электронные карты для
облегчения ориентации водителя с использованием спутниковых систем типа ГЛОНАСС.
Разработка робота-автомобиля с возможностью ориентации в сложной городской
средебезпомощичеловека–этоновыйшагв совершенствовании и автомобиля, и информационно-вычислительных системдля восприятия и обработки зрительной информации о ситуации
впереди,позади,справаислева отавтомобиля,дляраспознава- нияобразовобъектов,которые
могутпоявитьсясразных сторон,для оценки состояния дороги, для восприятия информации о
дорожных знаках и т. д. Накоплен большой научно-технический задел по этим направлениям
кибернетики [1, 7], который может быть с успехом реализован в проекте экспериментального
робота-автомобиля. Реализация этогопроекта позволяетдополнительно развить эти важные научнотехнические направления, к чему проявляют интерес иностранные автомобильной фирмы,
размещенные в Санкт-Петербурге.
Цель проекта – разработка экспериментального петербургского робота-автомобиля
для участия в международных соревнованиях в США и других странах.
Проект состоит из следующих частей.
1. Выбор базовой модели автомобиля.
2. Разработка автоматизированных приводов на руль,тормозной системы
3. и других устройства автомобиля.
4. Разработка сенсорной системы автомобиля. Оснащение автомобиля
лазерными системами, видеокамерами, тактильными и ультразвуковыми устройствами для получения информации об окружающей обстановке и о состоянии
дороги. Оснащение автомобиля сенсорами для получения информации о двигателе
и других устройствах автомобиля.
5. Разработка системы ориентации автомобиля. Эта система должна работать
на основе комплексирования информации с гироскопов, системы ГЛОНАСС,
147
электронной карты, систем распознавания наиболее заметных объектов по
трассе движения и элементов искусственного интеллекта
6. Разработка вычислительной системы автомобиля.Информация с многочисленных
датчиков должна обрабатываться с помощью многопроцессорного вычислительного
комплекса повышенной надежности. Может быть использована авиационная
вычислительная система последнего поколения.
7. Моделирование робота-автомобиля, при перемещении его в городской среде,
методами технологии виртуальных миров.
8. Создание полигона для испытания робота-автомобиля.
Эта разработка вдохновляется впечатляющими результатами испытания роботовавтомобилей в калифорнийском городе Викторвиль в 2007 г.
В России, где как ни в одной другой стране мира, за последнее время резко увеличился
поток автомобилей, ежегодный рост автомобильного парка составляет около 10%.
Быстрое увеличение численности автомобильного парка сопровождается ростом числа
пострадавших от ДТП. Если к началу XX в. во всем мире было около 6 тыс.автомобилей,тов
настоящеевремямировойавтомобильный парк насчитывает свыше 520 млн единиц (из них
примерно 75% – легковые автомобили). По данным статистики ООН, ежегодно от
автомобильных аварий во всех странах погибает около 300 тыс. человек и около 10 млн
получают телесные повреждения. Относительная опасность автомобиля превышает
относительную опасность воздушного транспорта более чем в 3 раза, а железнодорожного – в 10
раз. На 1 млрд пассажиро-километров на автомобильном транспорте приходится 20 погибших,
на воздушном – шесть, на железнодорожном – два. По сравнению со странами с развитой
рыночной экономикой в России количество ДТП на 1000 транспортных средств в 7–10 раз
выше, чем в США, Японии, Германии, Франции, Финляндии и других странах. Реализация в
США с 1968 г. и Японии с 1970 г. законов «О безопасности дорожного движения» и принятых на
их основе национальных программ сокращения аварийности позволила значительно сократить
число раненых и погибших при продолжающемся увеличении автопарка.
Проблема обеспечения безопасности движения на улицах и дорогах должна
рассматриваться врамках сложной системы дорожного движения. Термин «дорожное
движение» охватывает всю сложную динамическую систему, которая образуется на дороге
взаимодействием и совокупностью участников движения: пешеходами, велосипедистами,
мотоциклистами, водителями автомобилей – профессионалами и любителями. Естественно, что
безопасность дорожного движения зависит от обученности, дисциплинированности и
правильности поведения всех участников движения, а не только представляющих автомобильный
транспорт. В этом заключается одна из основных причин
сложности обеспечения безопасности
движения как на самом автомобильном транспорте, так и в дорожном движении в целом.Это
обстоятельствоможнохарактеризовать как недостаточную изоляцию автомобильного движения
отокружающей среды. Еслибыдвижениеавтомобилейповсеместно происходило по путям, где не
было бы движения пешеходов, велосипедистов, тихоходных ТС, задача обеспечения
безопасности намного бы упростилась.
Другим фактором, обусловливающим сложность решения проблемыобеспечения
безопасностидвижения,являетсявсеувеличивающийся разрыв между ростом численности парка
автомобилей и протяженностью уличнодорожной сети; первая опережает вторую на целый
148
порядок, что характерно практически для всех стран. Если парк автомобилей увеличивается
примерно на 10% в год, то прирост протяженности дорог не превышает 1%. Следствием
этого является постоянное увеличение стесненности дорожного движения, а следовательно,
резкое учащение непосредственных контактов, взаимодействия участников движения,
которое вомногих случаях носит характер конфликтных ситуаций, часто перерастающих в
ДТП. Если выделитьизсистемы дорожногодвижения только ее транспортную часть, т. е.
комплекс «водитель – автомобиль – дорога – среда», то можно отметить, что
совершенствование этого комплекса в плане повышения безопасности движеният также
зависит не только от деятельности транспортных организаций.Так,совершенствование
конструкции транспортного средства осуществляется заводами-изготовителямии и их
смежниками, например, предприятиями шинной промышленности. Полностью самостоятельной
областью является строительство и реконструкция дорог, улиц, дорожно-транспортных
сооружений. Однако при болееглубоком рассмотрениииздесьможнопроследить связь с
деятельностью автомобильного транспорта, например, почти всякое усовершенствование
конструкции ТС дает конечный эффект не только в зависимости от
уровня конструкторской и технологическойих разработки,но также и от того, насколько
грамотно эти усовершенствования использованы в эксплуатации.
Поскольку полностью избежать ДТП пока не представляется возможным, автомобиль
совершенствуется в направлении снижениявероятностиавариииминимизацииеепоследствий.
Этомуспособствуют ужесточения требований к безопасности автомобиля со стороны
организаций, занимающихся анализом и практическими опытами. Такие мероприятия дают
свои положительные «плоды». С каждым годом автомобиль становится безопасней – как для тех,
кто находится внутри его, так и для пешеходов. Понятие «безопасность автомобиля» делится на
две части – активную и пассивную безопасность. Активная безопасность автомобиля – это
совокупность конструктивных и эксплуатационных свойств автомобиля, направленных на
предотвращение ДТП и исключение предпосылок их возникновения, связанных с
конструктивными особенностями автомобиля. А если говорить проще, то это те системы
автомобиля, которые помогают в предотвращении аварии. Пассивная безопасность автомобиля
должна обеспечивать выживание и сведение к минимуму количества травм у пассажиров
автомобиля, попавшего в ДТП. На рис. 3.1 приведен перечень параметров и систем автомобиля,
влияющих на его безопасность.
Для обеспечения безопасности автомобиля необходимо создать такую ситуацию, когда
автомобили не попадают в аварии. В настоящее время для достижения такой ситуации активно
развивается направление – «интеллектуальный» автомобиль (Intelligent Car). К
реализации этого проекта привлекаются огромные ресурсы. Наш университет всегда
занимался бортовыми вычислительными системами самолетов и сейчас эта наработанная
техника внедряется в автомобили с учетом специфики[1,2,3,4,5].
3.1.1 Интеллектуальный автомобиль
149
Идея «интеллектуального автомобиля» состоит в создании такой ситуации, когда
автомобили не попадают в аварии, где пробки резко сокращены, автомобили энергоэффективны
и меньше загрязняют окружающую среду. В качестве примера дост аточно хорошо
известного, традицион ного «интеллектуального» устройства можно привести
антиблокировочную тормозную систему, которая предотвращает блокировку колес при торможении
и, следовательно, помогает водителю в удержании машины под контролем .
Инициатива «Интеллектуальный автомобиль» была принята Комиссией коммуникаций
(Commission Communication) 15 февраля 2006 г. и представлена общественности в
Брюсселе. Ее цель – повысить безопасность дорожного движения в Европейском союзеи, в
частности, сократить число смертных случаев на дорогах и, количество дорожных аварий, снизить
потребление топлива и выбросов CO2. Комиссия сообщила в своем первом обзоре
«Инициатива Интеллектуальный автомобиль», что она будет уделять приоритетное внимание
четырем особо важным задачам :
- введение с сентября 2010 г. паневропейской автоматической системы экстренного
вызова eCall;
- обязательная установка электронных систем контроля устойчивости
(ESC ectronic stability control) на всех новых автомобилях, начиная с 2014 г.;
- усиление акцента на уменьшение потребления топлива и сокращения выбросов CO2;
- безопасное использование в автомобиле мобильных электронных потребительских
продуктов, таких как мобильныетелефоны и системы навигации.
«Интеллектуальный автомобиль» относится к широкому спектру автономных
систем, основанных на информационных технологиях (ИТ). Некоторые уже находятся в эксплуатации (такие
как ABS – антиблокировочные системы, ESC – системы электронного контроля устойчивости и др.), д
другие находятся в стадии разработки и внедряются на рынок. Ниже представлены некоторые системы
(рис.3.1), которые способны уменьшить вероятность аварии и смертельные исходы.
Системы безопасности
Системы активной безопасности
- безотказность;
- компоновка автомобиля;
- тяговые свойства;
- тормозные свойства;
- устойчивость автомобиля;
- управляемость автомобиля;
- комфортабельность;
Системы пассивной безопасности
- конструкция кузова;
- ремни безопасности;
- системы помощи водителю;
- надувные подушки безопасности;
-информативность;
- сиденья с подголовниками;
;
- безопасность детей.
Рисунок 3..1--Структура безопасности автомобиля
Сегодня информационно-коммуникационные технологии (ICT – Information
150
and Communications Technologies) являются отправной точкой для реализации этого
проекта. Автомобиль становится умнее, помогая уменьшить проблемы автомобильного
транспорта. Поскольку на дорогах уже широко встречаются автомобили, в конструкции
которых присутствуют интеллектуальные системы и устройства, для них можно
разработать систему, способную своевременно их останавливать, в случае
неоднократного нарушения ими правил дорожного движения. Таким образом, на
вооружении ГИБДД появится универсальное средство, предоставляющее
возможность без особых усилий своевременно останавливать автонарушителей и тем самым
вовремя предотвращать появление аварийной ситуации на дорогах.
3.2 Примеры автомобильных бортовых информационных систем
Современный автомобиль постоянно совершенствуется в направлении снижения
вероятности дорожно-транспортных происшествий и минимизации его последствий. Этому
способствуют разработка сенсорной системы автомобиля, когда автомобиль оснащается
лазерными системами, телевизионными видеокамерами, ультразвуковыми (пьезокерамическими) устройствами. Информация от перечисленных датчиков обрабатывается на
многопроцессорном вычислительном комплексе повышенной надежности. Здесь уместны
авиационные вычислительные систем последних поколений. Особое направление в развитии
интеллектуального автомобиля принадлежит разработке программного обеспечения (ПО).
Компания Cognitive Technologies – одна из разработчиков программного обеспечения для
беспилотных машин.
В российских Правилах Дорожного Движения новые указатели должны
появиться в разделе №5 – “Знаки особых предписаний”. Они означают:
- “Внимание, на участке беспилотное транспортное средство”,
- “Начало дорожного участка с участием беспилотного транспорта”,
- “Конец дорожного участка, с участием беспилотного транспорта”.
Макет таких знаков направлен на согласование в Государственное специализированное
монтажно-эксплуатационное предприятие МВД. В 2015 году стало известно [6] , что фирма
Cognitive Technologies работает над ПО для беспилотного грузовика КАМАЗ. Проект
финансируется Министерством образования и науки России, а также самим Камским
автомобильным заводом.
Управляющая электроника беспилотника будет руководствоваться данными
получаемыми с комплекса видеокамер и специальных сенсоров, сканирующих
пространство. Предполагается, что первые прототипы беспилотных грузовиков
будут протестированы на испытательном полигоне КАМАЗ, а впоследствии и на
производственных площадках. Компания Cognitive Technologies проводит испытания
на специальном виртуальном полигоне на базе центра робототехники Московского
института стали и сплавов. Предполагается, что первые грузовики с автоматом будут
испытаны на общих дорогах в 2017-2019 гг.
Инициатива создания интеллектуального автомобиля предусматривает
приоритетное решение задач усиления различных информационных технологий и
151
автономных бортовых систем автомобиля. Многие из них уже находятся в эксплуатации и
внедрены на автомобильном рынке. Традиционные системы информирования и помощи
водителю, управляемые бортовым компьютером, широко представленные в различных
видах комплектации автомобилей (на примере ФОРД МОНДЕО), включают в себя:
1 Антиблокировочная тормозная система,
2 Система кондиционирования воздуха, климат-контроль,
3
4
5
6
7
Система контроля давления в шинах,
Система напоминания о непристёгнутом ремне безопасности,,
Система стабилизации прицепа,
Система управления замками без помощи ключа,
Навигационная система и др.
Представленный список традиционных информационных технологий в автомобильных
бортовых системах постоянно расширяется. Подробно на перечисленных традиционных
системах останавливаться не будем. Дополнительные системы на базе бортовых
компьютеров, предлагаемые сейчас изготовителями автомобилей (на том же примере, ФОРД
МОНДЕО[6]), с перспективой их дальнейшего развития, включают в себя:
Система курсовой устойчивости и антипробуксовочная система,
Система помощи при экстренном торможении
Система автоматического управления светом фар,
Внутрисалонная коммуникационная система,
Система помощи при парковке и выезде с парковки,
Система информации о наличии автомобилей в мертвой (“слепой“) зоне видимости и
предупреждения о пересекающих потоках движения,
7. Система ограничения и управления скоростью (круиз-контроль),
1.
2.
3.
4.
5.
6.
8. Система предупреждения об обнаружении впереди идущего автомобиля, сближениях
и возможных столкновениях,
9. Система помощи водителю при его утомленности (на скоростных магистралях),
10. Система контроля за соблюдением дорожной разметки (удержания полосы
движения),
11. Система распознавания дорожных знаков,
12. Система адаптивного управления рулем,
13. Система авто-старт-стоп,
14. Система выбора режима подвески
15. Система контроля тягового усилия,
16. Система помощи при трогании на подъеме,
17. Другие системы.
Более подробно, оснащение интеллектуальными технологиями перечисленных
дополнительных (нетрадиционных) перспективных систем (для обеспечения
безопасности как водителя так и пассажиров) работают следующим образом.
152
3.2.1 Система курсовой устойчивости (динамической
стабилизации) и антипробуксовочная система
Данная система поддерживает курсовую устойчивость в начальный момент
отклонения от намеченного курса. Это обеспечивается путём притормаживания отдельных
колес и уменьшения крутящего момента двигателя (при необходимости). Эта система также
обеспечивает улучшенную работу антипробуксовачной системы (т.е. усиливает её действие) с
помощью снижения крутящего момента двигателя при пробуксовке колес, когда водитель
нажимает на педаль акселератора. Система курсовой устойчивости (динамической
стабилизации) уменьшает возможность заноса на скользкой дороге (рис. 3.2, автомобиль А –
без системы курсовой устойчивости, автомобиль В – с системой курсовой устойчивости) и
обеспечивает комфорт вождения, ограничивая пробуксовку колёс при прохождении крутых
поворотов. Система включается автоматически каждый раз при включении зажигания.
Рисунок З.2 – Система курсовой устойчивости
Хотя
системы курсовой устойчивости
в настоящее
время известны под
многочисленными торговыми наименованиями, принцип их действия и технические
характеристики в целом похожи. В этих системах используется принцип компьютерного
контроля за работой тормозов отдельных колес, что помогает водителю сохранять управление
транспортным средством во время экстремальных маневров..Когда водитель пытается сделать
какой-либо «экстремальный маневр» (например, во избежание столкновения или из-за
неправильной оценки крутизны поворота), он может потерять управление. Потеря управления
водителем может выражаться в том, что начинает либо «заносить» заднюю часть транспортного
средства (рисунок З.2 – автомобиль А), либо «сносить» переднюю часть. Пока сохраняется
достаточное сцепление с дорогой, водитель, имеющий высокую профессиональную
квалификацию, умеет сохранять управление в процессе самых разнообразных экстремальных
маневров, используя принцип «обратного поворота рулевого колеса» (т.е. поворот рулевого
колеса на мгновение в направлении, обратном направлению движения, задаваемому водителем)
или с помощью других методов. Однако, водители средней квалификации в состоянии паники,
когда транспортное средство начинает заносить, вряд ли смогут повернуть рулевое колесо в
обратную сторону, чтобы заставить транспортное средствослушаться руля. Для предотвращения таких
ситуаций, в которых можно сразу же потерять управление транспортным средством, в
153
системах курсовой устойчивости используется принцип автоматического торможения
отдельных колес в целях корректировки направления движения транспортного средства, если
оно отклоняется от того направления,
которое ему задает водитель. Т. о, система курсовой
устойчивости не дает возможности транспортному средству изменять направление движения
слишком быстро (занос) или недостаточно быстро (снос). Хотя система курсовой устойчивости и не
может увеличить фактическое сцепление с дорогой, но система обеспечивает водителю
максимальную возможность контролировать движение транспортного средства. Т.е. в
процессе экстренного маневра использовать лишь естественную реакцию рулевого управления
для движения в заданном направлении.
Удержание транспортного средства на дороге предотвращает аварии одиночных
автомобилей, п о д в е р г а ю щ и х с я в большинстве случаев опрокидыванию. Однако, способность
системы контроля устойчивости эффективно воздействовать на движение транспортного средства в
таких ситуациях ограничена. Например, если скорость транспортного средства слишком велика,
то с учетом фактического сцепления с дорогой транспортного средства, даже оснащенного системой
контроля устойчивости, оно неизбежно съедет с дороги (но без заноса). Кроме того, система
контроля устойчивости не может предотвратить съездсдороги по причине ослабления внимания
или из-за сонливости водителя, а не по причине потери управления. Тем не менее, в силу своих
высоких показателей эффективности системы курсовой устойчивости могут оказать существенное
воздействие в плане спасения жизни людей, особенно в случае широкого применения таких систем в
имеющемся парке транспортных средств. Хотя система контроля устойчивости не в состоянии
изменить условия сцепления между шиной и дорогой, когда водитель оказывается в критической
ситуации, но есть все же явные причины предполагать, что она сокращает число ДТП, вызванных
потерей управления.
Современная система курсовой устойчивости взаимосвязана с, антиблокировочной
системой (ABS) и блоком управления двигателем, и она активно использует их компоненты.
По сути, это единая система, работающая комплексно и обеспечивающая целыйнабор
вспомогательных контраварийных мероприятий. Структурно система курсовой
устойчивости состоит из электронного блока-контроллера, который постоянно обрабатывает
сигналы, поступающие смногочисленных датчиков: скорости вращения колес
(используются стандартные датчики антиблокировочных систем), датчика положения
рулевогоколеса, датчика давления в тормозной системе.
Но основная информация поступает с двух специальных
датчиков: угловой скорости
относительно вертикальной оси и поперечного ускорения (иногда это устройство называют Gсенсор). Именно они фиксируют возникновение бокового скольжения на вертикальной оси,
определяют его величину и дают дальнейшие распоряжения. В каждый момент система курсовой
устойчивости знает, с какой скоростью едет автомобиль, на какой угол повернут руль, какие
обороты у двигателя, есть ли занос и т.д. Обрабатывая сигналы с датчиков, контроллер
постоянно сравнивает фактическое поведение автомобиля с тем, что заложено в программе. В
случае если поведение автомобиля отличается от расчетного, контроллер понимает это как
возникновение опасной ситуации и стремится исправить ее. Вернуть автомобиль на нужный
курс система устойчивости может, давая команду на выборочное подтормаживание одного
или нескольких колес. Какое из них надо замедлить (переднее колесо или заднее, внешнее по
отношению к повороту или внутреннее), система определяет в зависимости от ситуации.
154
Притормаживание колес система осуществляет через гидромодулятор антиблокировочной
системы, создающий давление в тормозной системе. Одновременно (или до этого) на блок
управления двигателем поступает команда на сокращение подачи топлива и уменьшения,
соответственно, крутящего момента на колесах.
Система работает всегда, в любых режимах движения: при разгоне, торможении, движении накатом.
А алгоритм срабатывания системы зависит от каждой конкретной ситуации и типа привода
автомобиля. Например, в повороте датчик углового ускорения фиксирует начало заноса задней оси
(рис. З.2). В этом случае на блок управления двигателем подается команда на уменьшение подачи
топлива. Если этого оказалось недостаточно, посредством антиблокировочной системы
притормаживается внешнее переднее колесо. И так далее, в соответствии с программой.
Кроме того, в автомобилях, оборудованных автоматической коробкой передач с
электронным управлением, система курсовой устойчивости способна также корректировать
работу трансмиссии, т. е. переключаться на более низкую передачу (или на «зимний» режим,
если он предусмотрен).
Система курсовой устойчивости является одной из важнейших частей комплекса
активной безопасности автомобиля. Она исправляет ошибки в управлении и часто помогает
выйти из ситуаций, в которых среднестатистический водитель, на обычном автомобиле, мог
бы не справиться с управлением. Главное достоинство системы курсовой устойчивости в
том, что с ней автомобиль перестает требовать от водителя навыков экстремального
вождения. Водитель просто поворачивает руль, а машина сама будет думать, как вписаться в
поворот.
Но нужно не забывать что возможности си ст ем ы к ур с ов ой ус т ой чи во ст и по
исправлению опасной ситуации не беспредельны. Законы физики обмануть нельзя. Поэтому надо
помнить, что система курсовой устойчивости хоть и значительно снижает шансы на попадание в
аварийную ситуацию во многих сложных случаях, но не избавляет водителя от необходимости быть
внимательным и острожным за рулем. В конечном итоге, электронная система курсовой
устойчивости (ESP) и антипробуксовочная система (TA) контролируют вращение колес, угол
поворота руля, угол рыскания и боковой крен. Как только датчики выявляют пробуксовку
передних или задних колес, бортовой компьютер корректирует выходную мощность двигателя и
приводит в действие тормозные механизмы отдельных колес. Это обеспечивает повышенную
устойчивость автомобиля за счет снижения крутящего момента двигателя при начале
пробуксовки колес во время ускорения. Это обеспечивает устойчивость автомобиля посредством
снижения крутящего момента двигателя при начале пробуксовки колёс во время ускорения.
Антипробуксовочная система уменьшает возможность заноса автомобиля на скользких дорогах,
ограничивая пробуксовку колёс на крутых поворотах, упрощает начало движения на скользком
или неровном покрытии.
155
3.2.2 Система помощи при экстренном торможении
Эта система (EBA) может входить в стандартную комплектацию автомобиля, для
обеспечения максимальной безопасности на дороге. EBA помогает водителю уменьшить
вероятность столкновения, слегка включая тормоза. Если риск столкновения после
подключения системы возрастает, то система подготавливает резкое торможение. Система
не включает тормоза автоматически, но если нажать на педаль тормоза, то система может
включить тормоза на полную мощность, даже если педаль тормоза нажата слегка. EBA
обеспечивает, при необходимости, приложение максимального тормозного усилия, что в
экстренной ситуации помогает сократить тормозной путь.
3.2.3 Система автоматического управления светом фар
Фары снабженные интеллектуальной технологией (LED), которая обеспечивает
перемещение лучей фар в том же направлении, куда поворачивается рулевое колесо при
прохождении поворотов. Фары поворачиваются в соответствии с траекторией движения
автомобиля и по мере поворота рулевого колеса обеспечивают хорошую видимость. Эта
технология усиливается благодаря замене традиционных ламп светодиодами, которые
излучают интенсивный, яркий и естественный свет. Они же используются в качестве
дневных ходовых огней.
3.2.4 Внутрисалонная коммуникационная система
SYNC2
Внутрисалонная мультимедийная система на русском языке SYNC2 имеет
восьмидюймовый сенсорный цветной экран, систему голосового управления для еще более
легкого доступа к аудиоаппаратуре, системам навигации и климат-контроля. Она же
поддерживает совместимость с мобильными телефонами. Эти возможности системы
позволяют:
156
а) совершать и получать телефонные звонки в режиме громкой связи
б) управлять воспроизведением музыки, климат-контролем с помощью голосовых
команд. Это позволяет водителю полностью сконцентрироваться на управлении
автомобилем, не отрывая рук от руля, и не отвлекаясь от дороги.
3.2.5 Система помощи при парковке и выезде с парковки
Активная система помощи при парковке (как параллельной – рис. 3.3, так и
перпендикулярной – рис. 3.4) сканирует область по обеим сторонам автомобиля для
нахождения подходящего
Рисунок 3.3 – Система помощи при параллельной парковке
157
Рисунок 3.4 - Система помощи при перпендикулярной парковке
парковочного места. Система проинформирует водителя (сообщением на мониторе и
соответствующим графическим значком) об обнаружении подходящего парковочного места.
После остановки автомобиля система получает контроль над рулевым управлением. Если в
управлении рулём водитель не участвует и ничто не мешает движению автомобиля, то
система поместит автомобиль на парковочное место. Указателем поворота выбирается
направление поиска справа или слева от автомобиля. Если направление поиска не задано, то
по умолчанию система выполняет поиск на стороне пассажира. Если автомобиль обнаружил
несколько подходящих мест во время движения, то будет предложено последнее
парковочное место. После выполнения автоматического управления система отображает на
экране монитора сообщение и выдаёт звуковой сигнал, указывающие на завершение работы
активной системы помощи при парковке. Когда автомобиль стоит неподвижно на
парковочном месте параллельном тротуару, активная система помощи вызывается нажатием
соответствующей кнопки. В этом случае система отобразит на экране монитора сообщение с
запросом на указание направления движения автомобиля. Для указания стороны выезда с
парковочного места используется указатель поворота. Система определяет зазор с передней
и задней стороны стоящего автомобиля и осуществляет автоматическое управление рулём
при выезде с параллельного парковочного места (без участия водителя). Водитель управляет
только акселератором и тормозом. Если скорость автомобиля (выбираемая водителем)
превышает определённое пороговое значение (обычно около 10км/час) или завершению
маневра мешает какой-либо объект, то автоматическое управление рулем выключится и
управление автомобилем будет полностью передано водителю. Некоторые состояния
автомобиля могут деактивировать систему, к примеру:
 удерживание рулевого колеса вручную во время маневра;
 движение со скоростью выше 10км/час во время автоматического рулевого
управления;
 включена антиблокировочная система тормозов;
 включена система контроля тягового усилия.
Система помощи при движении задним ходом (с использованием телевизионной
камеры) при въезде и выезде с парковочного места обеспечивает, водителю видимость
всего, что происходит сзади - оградительные столбы, перила, низкие стены, стоящие дети,
т.е. отражает любые объекты позади автомобиля на экране монитора, расположенном перед
водителем. Система автоматически активируется при включении заднего хода.
158
3.2.6 Система информации о наличии автомобилей в мёртвой
("слепой”) зоне видимости (BLIS) и предупреждения о
пересекающих потоках движения
Полезная для водителя функция, т.к. помогает обнаруживать автомобили в
непросматриваемой в наружном зеркале зоне. Система информирования водителя об
объектах в ”слепых “ зонах позволяет перестраиваться в дорожном потоке более безопасно,
благодаря радарным датчикам, которые сканируют “слепые” зоны с обеих сторон
автомобиля
. При обнаружении автомобилей, которых не видно в зеркалах, на боковом наружном
зеркале с соответствующей стороны загорается яркий оранжевый сигнал. Зона обнаружения
размещается по обеим сторонам автомобиля от наружных зеркал назад примерно на 3 метра
дальше заднего бампера. Система подает предупреждающие сигналы при вхождении других
автомобилей в непросматриваемые зоны (рис. 3.5).
Рисунок 3.5 – Система информирования о наличии автомобилей в “слепой” зоне
К сожалению, существующая и предлагаемая на рынке система информирования о наличии
автомобилей в мёртвой зоне видимости, не обнаруживает припаркованные автомобили,
людей, животных, заборы, ограждения, деревья. Кроме этого, автомобили, быстро
проходящие непросматриваемую зону (обычно менее 2 сек.), срабатывания системы не
вызывают. Также, система не работает, если автомобиль двигается задним ходом.
159
Система предупреждения о пересекающих потоках движения предназначена для
обнаружения приближающихся автомобилей с расстояния до 14 м. Зона действия
сокращается, если датчики “перекрыты” препятствиями слева или справа (рис. 3.6).
Рисунок 3.6 – Система предупреждения о пересекающих потоках транспорта
Система активизируется при движении задним ходом (рис. 3.6). На рисунке 3.6 левый
датчик частично заблокирован (перекрыт), и зона его действия сокращена. Очевидно, что
систему можно использовать как вспомогательное средство при вождении, сохраняя
привычный обзор водителя, т.е. либо через зеркало заднего вида, либо через плечо. Зона
обзора системы существенно уменьшается при парковке под углом к тротуару. На рис. 3.7
левый датчик почти полностью
160
Рисунок 3.7 - Система предупреждения о пересекающих потоках транспорта
при парковке под углом к тротуару
перекрыт (заблокирован) и зона его действия с этой стороны сильно ограничена. Система
отображает предупреждающий сигнал (обычно желтого цвета) на внешних боковых
зеркалах, и пишет сообщение на экране монитора (внутри автомобиля), которое указывает
на приближение автомобиля с правой или левой стороны. Система также издаёт серию
звуковых сигналов, чтобы привлечь внимание водителя, если визуальное сообщение будет
водителем пропущено. В основе работы системы применены радарные датчики,
расположенные за облицовкой бампера с каждой стороны автомобиля. Снижение рабочих
характеристик системы возможно, если грязь, снег, наклейки закрывают рабочие зоны
датчиков.
3.2.7
Система ограничения и управления скоростью (круизконтроль)
Эта система (круиз-контроль) позволяет поддерживать заданную скорость без
необходимости удерживать ногу на педали-акселераторе (газа). Систему обычно используют
на скорости автомобиля выше некоторого порогового значения (например, 30 км/час). Эта
система не рекомендована к использованию в плотном транспортном потоке, на извилистых
и скользких дорогах, в условиях плохой видимости. При движении автомобиля на спуске
161
(“под горку”) его скорость может превысить значение, занесенная в память системы. При
этом тормоза не задействуются, однако система выдает предупреждение. Установка
скорости производится:

нажатием кнопки ON (включение) управления системой на рулевом колесе;

разгон до желаемой скорости (нажатием педали-акселератора или тормоза, до момента
когда будет достигнута желаемая скорость);

нажать кнопку SET на рулевом колесе и отпустить её;

убрать ногу с педали-акселератора или тормоза, при этом изменение значения скорости
изменяется дискретно, с шагом обычно 5 км/ч.

отключение системы производится нажатием кнопки OFF на рулевом колесе.
Для временного превышения заданного уровня скорости в критических ситуациях,
достаточно нажать педаль акселератора до упора.
3.2.8 Система предупреждения водителя о возможном
столкновении и обнаружения впереди идущего автомобиля
Система разработана, чтобы помочь сохранять дистанцию до впереди идущего
автомобиля. Если автомобиля впереди нет, то система будет поддерживать заданную
скорость. Система рассчитана на повышение управляемости автомобилем в режиме
движения за другим автомобилем, движущемся в том же направлении и в той же полосе
движения. Система использует сигналы, поступающие от лазерного датчика, встроенного в
верхней части лобового стекла на высоте внутреннего зеркала заднего обзора, или от
радара, излучение которого направлено по курсу движения автомобиля (рис. 3.8). Если
впереди идущий автомобиль находится в зоне обзора радара, система определяет любой
следующий впереди автомобиль. Используя данные о расстоянии до объекта впереди и зная
скорость движения самого автомобиля система производит расчет 50 раз в секунду и
находит скорость (путем торможения) для предупреждения наезда. Если впереди идущего
автомобиля нет, то система поддержит заданную скорость. В целом, в разных
модификациях, система разработана для минимизации риска столкновения с впереди
движущимся автомобилем.
162
Рисунок 3.8 – Система предупреждения о сближении
Возможные проблемы с системой обнаружения препятствий могут возникнуть в следующих
случаях:
а) при приближении к автомобилю, который только частично движется по вашей полосе
движения, и он может быть обнаружен только тогда, когда полностью окажется на вашей
полосе движения (рис. 3.9 – вариант А);
б) мотоциклисты могут быть обнаружены слишком поздно ( или вообще могут быть не
обнаружены) (рис. 3.9 –вариант В);
в) с автомобилями, движущимися перед вами, при вхождении их в поворот (или выходе
из него). Луч радара не может отслеживать крутые повороты и виражи дороги (рис. 3.9–
вариант С).
Рисунок 3.9 – Возможные проблемы с системой обнаружения впереди следующего
автомобиля
Система предупреждения о сближении включается на скорости более 5 км/ч до 40 км/ч
если перед автомобилем появится корма автомобиля (среагирует также и на задние
фонари и номерной знак). Лазерный датчик имеет ограничения применения, которые
характерны для всех оптических систем – в разных погодных условиях (проливной
дождь, снег, туман) эффективность системы предупреждения о сближении снижается. В
таком случае на мониторе появляется сообщение о заблокированном оптическом датчике
и включается датчик радара. Датчик радара расположен за облицовкой нижней решетки
на стороне водителя (рис. 3.8). При быстром приближении к другому автомобилю
(неподвижному или движущемуся в том же направлении) или к пешеходу,
163
находящемуся на полосе движения, система поддерживает три уровня
функционирования:
 Предупреждение;
 Экстренное торможение;
 Активное торможение.
Предупреждение – мигает красный предупредительный индикатор на лобовом стекле,
выдается предупреждающий звуковой сигнал и на экран монитора выдается
предупреждающее сообщение. Экстренное торможение – этот режим помогает водителю
уменьшить скорость, слегка включая тормоза. Если риск столкновения после включения
предупреждения возрастает, система подготавливает резкое торможение, работа системы
становится очевидной для водителя. Система не включает тормоза полностью, но если
нажать на тормозную педаль,
система включает тормоза на полную мощность (даже если педаль тормоза была нажата
слегка).
Активное торможение – подключается, если система определяет, что столкновение
неизбежно. Система в итоге либо может полностью предотвратить столкновения или
существенно уменьшить повреждения от удара.
Система чувствительна к факторам, препятствующим распространению
радиолокационных сигналов: завихрения воды, лёд на поверхности дороги, которые могут
вносить искажения в радиолокационный сигнал. Для нормальной работы системы
необходима хорошая обзорность дороги перед автомобилем.
3.2.9 Система помощи водителю при его утомлённости (на
скоростных автомагистралях)
Включает в себя и систему слежения за водителем (его водительским поведением).
Система функционирует в фоновом режиме, и предупреждения выдаются, когда стиль и
техника вождения и поведения водителя вызывает опасения в вопросах утомленности,
сонливости и усталости. Степень утомлённости водителя определяется и работает на
принципе поведения автомобиля по отношению к разметке на проезжей части (и других
факторов). Обычно, система действует в два этапа:
а) временное предупреждение - выдаётся как рекомендация отдохнуть. Это
сообщение появляется на короткое время;
б) если водитель не отдохнул и система замечает ухудшение техники
вождения, она будет выдавать предупреждение, которое будет высвечиваться
на экране монитора (пока водитель его не удалит).
Индикация степени утомлённости представляется (в виде пиктограммы) на экране
монитора динамической картиной в форме цветной полоски с шестью ступенями (рис. 3.10)
Когда степень бодрствования в порядке, отдых не требуется, полоса состояния имеет вид,
представленный на рисунке3.10. Когда степень бодрствования критическая, на пиктограмме
164
(рисунок 3.11) указывается необходимость отдыха (как только появится безопасная
возможность).
Рисунок 3.10 – Система предупреждения водителя об утомлении. Отдых не
требуется
Рисунок 3.11 - Система предупреждения водителя об утомлении. Степень
утомленности критическая
Динамическая полоса вычисленной степени бодрствования водителя движется слева
направо, по мере увеличения вычисленной утомленности - как это делает зрение человека
при чтении. Кроме этого, движок (ползунок) на пиктограмме, по мере приближения к значку
отдыха (рисунок 3.11), меняет свой цвет с зеленого на желтый и красный.
3.2.10 Система контроля за соблюдением дорожной разметки
(удержания полосы движения)
Система помогает при движении по скоростным автомагистралям. Система работает
при отслеживании как минимум одной полосы разметки. Датчик расположен за внутренним
зеркалом заднего вида, он постоянно отслеживает условия движения с целью
предупреждения о ненамеренном выходе за полосу движения на высокой скорости. Если
автомобиль самопроизвольно уводит в сторону линий дорожной разметки, на экране
монитора отображается предупреждающее сообщение и, дополнительно, водитель
165
оповещается через вибрацию руля. Возможны ситуации, когда система определения
границы полосы теряет активность:
 датчик не может распознать и отслеживать дорожную разметку на проезжей части
(дождь, снег, брызги и др.);





на дорогах с крутыми поворотами или узкими полосами движения;
при выполнении рулевым колесом управляющего действия;
при включении указателя поворота в соответствующую сторону;
если полоса движения слишком узкая;
при резком ускорении и торможении и др.
Система контроля за соблюдением дорожной разметки индицирует на экране монитора
дорожную разметку с обеих сторон изображения автомобиля (рис. 3.12).
Рисунок 3.12 – Система удержания полосы движения
Дорожная разметка на экране монитора имеет цветовую кодировку:
 зеленая - система готова предупредить водителя о ненамеренном выходе за границы
полосы движения;
 желтая - система выполняет автоматическую корректировку положения рулевого
колеса для выравнивания траектории движения автомобиля и возврат его на полосу
движения, с которой совершён непреднамеренный уход;
 красные - автомобиль приближается к распознанной границе полосы.
3.2.11 Система распознавания дорожных знаков
166
Система ориентирована на распознавание дорожных знаков, соответствующих
Венской конвенции о дорожном движении. Система распознаёт следующие дорожные
знаки:

знаки ограничения скорости,
 знаки запрещения обгона,
 знаки отмены ограничения скорости.
Когда система распознает знак, он отображается на мониторе, система может
отображать два дорожных знака одновременно. За внутренним зеркалом заднего вида
устанавливается датчик. Данные о дорожных знаках предоставляются навигационной
системой и они объединяются с данными, содержащимися в релизе носителя дорожных
данных.
3.2.12 Адаптивное управление рулём
Режим работы усилителя рулевого управления связан с изменением его
передаточного отношения. На невысоких скоростях руль “острый”, а с ростом скорости
автомобиля руль “тупеет”. Для этого водитель выбирает один из двух режимов:
 “стандартный” – это заводская настройка по умолчанию;
 “спортивный” – когда для управления требуется несколько большее усилие и на
рулевом колесе будет ощущаться более сильное биение.
3.2.13 Выбор режима работы подвески
167
Система выбора работы подвески обеспечивает комфортное впечатление от поездки, с
помощью совокупности электронных систем автомобиля. Эти системы осуществляют
постоянный мониторинг управляющих действий водителя и дорожных условий для
обеспечения плавности хода и управляемости. Работа подвески в различных режимах
осуществляется через следующие системы:
 плавное управляемое демпфирование жесткости амортизаторов в реальном времени,
соответствующее особенностям дорожной поверхности и действиям водителя.
Данная система непрерывно контролирует движение автомобиля (крен, развал,
колебания и др.), положение подвески, нагрузку, скорость, дорожные условия.
 электронная система рулевого управления регулирует управляющее усилие на
систему рулевого управления
Система управления работой подвески имеет следующие режимы:
а) “комфорт” – обеспечивает наиболее комфортные условия движения. В этом режиме
уменьшается требуемое для поворота руля усилие, и ход подвески становится более
плавным. Режим “комфорт” лучше всего подходит для повышения удобства длительного
путешествия
б) “стандартный” – представляет сбалансированное сочетание комфортной поездки и
уверенного управления автомобилем, за счёт непосредственной связи с дорогой и
сохранении управляемости
в) “спорт” – обеспечивает спортивный стиль вождения. Подвеска становится жесткой, с
основным упором на управляемость автомобилем. Двигатель быстро реагирует на действия
водителя. Этот режим хорошо подходит для более энергичного вождения.
3.2.14 Система авто-старт-стоп
168
Система уменьшает расход топлива и выделение СО2, выключая двигатель на
холостом ходу, например когда автомобиль останавливается на светофоре. Индикатор
системы старт-стоп загорается соответствующим цветом при отключении двигателя. В
определенных условиях (примеры которых приводятся ниже) система выключение
двигателя не активизируется:
- когда двигатель прогревается,
- для поддержания установленного микроклимата,
- низкий заряд аккумуляторной батареи,
- когда включен обогреватель ветрового стекла,
- если автомобиль начал катиться вниз по склону.
Повторное включение двигателя произойдёт, если нажать на педаль акселератора (газа).
3.2.15 Система контроля тягового усилия двигателя
Система контроля тягового усилия двигателя помогает предотвратить
проскальзывание ведущих колес автомобиля и потерю сцепления с дорожным полотном.
Если автомобиль входит в занос, система обеспечивает включение тормоза на
соответствующее колесо и, при необходимости одновременное снижение выходной
мощности двигателя. Если колеса начинают проскальзывать в режиме ускорения
автомобиля при движении на скользкой дороге или на рыхлом грунте, система снижает
выходную мощность двигателя с целью повышения сцепления колёс дорожным покрытием.
Система включается автоматически при каждом включении зажигания. Система
поддержания курсовой устойчивости остаётся включённой (активированной) даже при
отключении системы контроля тягового усилия.
3.2.16 Система помощи при трогании на подъёме
Система позволяет облегчить трогание автомобиля с места, когда он находится на
подъёме (без применения стояночного тормоза). Система работает, только если автомобиль
полностью неподвижен. Система удерживает находящийся на уклоне автомобиль
неподвижным на протяжении двух или трёх секунд после отпускания педали тормоза. Тем
самым появляется время, чтобы переставить ногу с педали тормоза на педаль акселератора.
Когда двигатель развивает достаточный крутящий момент для предотвращения скатывания
автомобиля назад вниз по склону система отключает автоматически тормоза. Это является
существенным преимуществом при выполнении трогания на подъёме в плотном потоке
автомобилей или при начале движения задним ходом вверх на стоянке. Система всегда
включается автоматически при включении зажигания. Когда система активирована после
того как водитель снимает ногу с педали тормоза, автомобиль будет оставаться
169
неподвижным на склоне, не скатываясь назад, в течение приблизительно двух-трех секунд.
После чего система автоматически отключит тормоза.
3.2.17 Система экстренного вызова.
Когда происходит ДТП, быстрота, с которой будут мобилизованы спасательные службы,
имеет исключительно важное значение для спасения жизней и уменьшения последствий травм. В
случае возникновения чрезвычайной ситуации или даже аварии «Система экстренного вызова»
может значительно сократить время реагирования экстренных служб. Такая система уже создана в
Европейскомсоюзе,известная под названием eCall, представлена на рис. 3.13.
eCall может быть активирована вручную пассажирами ТС или автоматически через активацию
датчиков ТС в случае аварии. После аварии водитель и пассажиры в ТС могут быть в шоке, не
знать своего местоположения, не иметь возможности общаться между собой и использовать
мобильный телефон. Поэтому. в автомобиле система eCall устанавливается аппаратом связи с
опросной службой (PSAP – Public Service Answering Point) и посылает важную информацию,
такую как время и место аварии, а также описание ТС. Все новые автомобили, начиная с 2010 г.,
оснащены системой eCall.
Во всех этих случаях, где бы аварии не произошли на территории Европы, eCall может
значительно сократить время реагирования на чрезвычайные ситуации, сохранить жизнь и
снизить тяжесть травм. После полного внедрения в Европе, социально-экономические выгодыот
eCall будут весьма существенны. eCall является паневропейским сервисом, который будет
работать во всех европейских государствах, связанных с этой инициативой. Предпологается
что она будет доступна на всех ТС независимо от марки, страны и фактического
местонахожденияТС.eCall – это единственный сервис,обеспечивающий общеевропейский охват.
Когда происходит серьезная
Рисунок 3.13 Система экстренного вызова
170
авария, датчики в автомобиле автоматически инициируют сеть eCall. При ее включении в
автомобиле включается голосовой аппарат связи для передачи аварийных сообщений и
минимальный набор данных (MSD), включая такую ключевую информацию об аварии, как
время, местоположение, направление движения (как результат точных спутниковых данных), и
описание автомобиля. Это сообщение отправляется голосовым вызовом. eCall , либоо активируется
вручную. Оператор мобильной связи определяет, что вызов eCall поступил от
установленного в ТС коммуникационного модуля. Оператор мобильной связи вызывает
наиболее подходящий центр реагирования на чрезвычайные ситуации. Центр будет получать
как голосовые звонки, так и MSD.
Информация, предоставленная MSD, будет расшифровываться и отображаться на экране
оператора. Местоположение и направление движения ТС может быть показан в географической
ин- формационной системе. В то же время, оператор сможет слышать, что происходит в
автомобиле и поговорить с пассажирами ТС, если это возможно. Это поможет выяснить, какая
аварийно-спасательная служба, необходима на месте ДТП (скорая помощь, пожарные,
полицейские, страховые агенты), а также оперативно направить им предупреждения и
всю соответствующую информацию ..Кроме того, операторы смогут немедленно сообщить
центрам управления движением, что ДТП произошло в определенном месте, тем самым
способствуя быстрому информированию других участников дорожного движения о ДТП.
Основными разработчиками интеллектуальных автомобильных систем сейчас
являются:
1)
http://www.nvidia.com/object/drive-px.html
OTTO - часть компании Google, которая организовала специальную компанию,
ориентированную на грузовики.
2)
http://www.ottomotors.com
Volvo, которая сейчас часть китайской компании Geely, имеет весьма широкую
программу по автоматизации как обычных
автомобилей:http://www.volvocars.com/intl/about/our-innovationbrands/intellisafe/intellisafe-autopilot/this-is-autopilot так и грузовиков.
3)
В качестве поддержки данного направления законодателями и государственными
структурами, практически все штаты США приняли поправки в законодательстве
для автономных машин. Евросоюз недавно провел первые официальные
испытания автономных грузовиков:https://www.eutruckplatooning.com/default.aspx
Наряду с полезными и оправданными сервисными функциями, некоторые из них могут
показаться избыточными и оставляют впечатление “чего бы ещё такое придумать“, или
требуют доработок, необходимость в которых проявилась в процессе эксплуатации
автомобиля. Например:
- лампы освещения порогов в зеркалах заднего вида;
- фоновая подсветка пространства в салоне с возможностью выбора желаемого цвета;
171
- многие функции перешли от кнопок к многоуровнему меню (всплывающим окнам
с несколькими уровнями погружения), в частности, управление распределением
потоков нагретого воздуха и многие другие. Выбор пунктов меню производится
во время движения автомобиля, и в условиях интенсивного движения с большой
скоростью, это может потребовать съезда на обочину;
- задающий команду через систему речевого распознавания иногда получает неадекватную реакцию. В лучшем случае автомобиль сообщает, что вас не понимает,
а в худшем пытается сделать что-то свое (часто, это проявляется при работе с навигатором);
- датчик дождя: пара капель на лобовом стекле (стекло практически сухое), но
он уже включает дворники и они “молотят” сухое лобовое стекло, причем с увеличением скорости (прибавлением газа) скорость дворников возрастает.
- если мало информации с боковых зеркал, то можно заказать подключение телевизионной
камеры заднего вида при движении на дисплей. Если она при движении не загрязняется, то
это удобно. Но у многих автомобилей TV-камера находится в зоне, куда попадает грязь из
под колёс, и эффект от TV-камеры снижается.
- электрический стояночный тормоз – не сильно освобождает место в салоне по сравнению с
нормальным “ручником“ , но в критической ситуации воспользоваться таким тормозом (не
глядя) вряд ли получится.
- усилитель руля с переменным передаточным отношением, когда на невысоких скоростях
руль “острый“, а с ростом скорости руль “тупеет“. В принципе к этому можно привыкнуть,
но переменное передаточное отношение заставляет водителя напрягаться.
Таким образом, идея умного автомобиля уже превратилась в реальность и продолжает
развиваться.
3.3 Умная дорога
Использование автомобиля предусматривает наличие дороги, но прокладка дорог стоит
дорого и наносит большой экологический ущерб. Умная дорога – это дорога, которая
дополнительно оснащена радиосредствами, которые дублируют визуальные дорожные знаки. В
172
России на ее гигантской территории строительство дорог всегда было большой проблемой и
поэтому так важно было иметь альтернативный транспорт, прежде всего речной, а в настоящее
время – воздушный - самолеты, вертолеты, дирижабли. Создание альтернативного сухопутного
транспорта для бездорожья – стратегическая задача, которая решается путем создания
вездеходов и болотоходов, а также шестиногих роботов, которые оснащены искусственным
интеллектом и способны перемещаться по пересеченной местности.
3.2.9.1
Компьютеризация автомобиля как способ улучшить
транспортную ситуацию
Автомобиль одна из самых распространенных машин в мире, число автомобилей
растет и автомобили непрерывно совершенствуются, постепенно превращаясь в роботы.
Эта тенденция обусловлена, с одной стороны, усложнением обстановки на дорогах и
требованием повысить безопасность, комфортность и экологичность, с другой, новыми
возможностями информационно-вычислительной техники.
Первые вычислительные управляющие комплексы сначала появились в авиации,
потом они появились на морских кораблях, а теперь они внедряются в автомобили.
Вначале это были микропроцессорные системы для управления двигателем, что позволило
снизить расход горючего и уменьшить загрязнение окружающей среды. Потом появились
подвески с компьютерным управлением, что позволило повысить безопасность.
Появились электронные карты для облегчения ориентации водителя с использованием
спутниковых систем типа ГЛОНАСС.
Разработка робота-автомобиля с возможностью
ориентации в сложной городской среде без помощи человека – это новый шаг в
совершенствовании и автомобиля, и информационно-вычислительных систем для
восприятия и обработки зрительной информации о ситуации впереди, позади, справа и
слева от автомобиля, для распознавания образов объектов, которые могут появиться с
разных сторон, для оценки состояния дороги, для восприятия информации о дорожных
знаках и т.д. Накоплен большой научно-технический задел по этим направлениям
кибернетики, который может быть с успехом реализован в проекте экспериментального
робота-автомобиля. Реализация этого проекта позволяет дополнительно развить эти
важные научно-технические направления, к чему проявляют интерес иностранные
автомобильной фирмы, размещенные в Санкт-Петербурге. Цель проекта – разработка
экспериментального питерского робота-автомобиля для участия в международных
соревнованиях в США и других странах.
Проект состоит из следующих частей 1. Выбор базовой модели автомобиля
2. Разработка автоматизированных приводов на руль, тормоза и другие
устройства автомобиля.
3. Разработка сенсорной системы автомобиля.
Оснащение автомобиля лазерными системами, видеокамерами, тактильными и
ультразвуковыми устройствами для получения информации об окружающей обстановке и
173
о состоянии дороги. Оснащение автомобиля сенсорами для получения информации о
двигатели и других устройствах автомобиля.
4. Разработка системы ориентации автомобиля.
Эта система должна работать на основе комплексирования информации с гироскопов,
системы ГЛОНАСС, электронной карты, систем распознавания наиболее заметных
объектов по трассе движения и элементов искусственного интеллекта
5. Разработка вычислительной системы автомобиля.
Информация с многочисленных датчиков должна обрабатываться с помощью
многопроцессорного вычислительного комплекса повышенной надежности. Может быть
использована авиационная вычислительная система последнего поколения.
6.Моделирование робота-автомобиля при перемещении в городской среде
методами технологии виртуальных миров.
7. Создание полигона для испытания робота-автомобиля.
3.5 Внешнее управление автомобилями-нарушителями
повышения безопасности дорожного движения
для
В конце второго раздела были рассмотрены вопросы внешнего управления самолетами,
захваченными террористами
Все приведенные в разделе 3 системы дают серьезные предпосылки для перехода к
системе внешнего (принудительного) управления автомобилем нарушителем. Основная цель
разработки системы внешнего управления автомобилем нарушителем заключается в
создании средства обеспечивающего дополнительную безопасность дорожного движения.
Разрабатываемая система должна отвечать следующим требованиям:
 Обеспечивать своевременный перехват управления автомобилем от водителей,
неоднократно нарушивших правила дорожного движения;
 Блокировать прямое управление автомобилем для самих водителей;
 Безопасно выводить автомобиль нарушителя из транспортного потока;
 Припарковать его в ближайшем доступном месте (парковке или обочине);
 Вызвать полицию к припаркованному автомобилю нарушителя.
Таким образом, разрабатываемая система вполне способна стать универсальным
средством, по предотвращению возможных тяжелых последствий агрессивного или
неконтролируемого вождения автомобиля, а также способствовать повышению общей
культуры вождения на дорогах.
Вначале проанализируем текущее положение дел в области дорожно-транспортных
происшествий. Это необходимо сделать для того, чтобы сформировать четкое
представление об этой проблеме, обозначить какие меры были предприняты, и что делается
174
на данный момент для её решения. Затем рассмотрим современные существующие
технические средства по выявлению автомобилей нарушителей в транспортном потоке,
приведем основные виды и принцип работы таких средств. Также необходимо подробно
рассмотреть современные интеллектуальные системы для автомобилей (преимущественно
марки Toyota, и FORD), которые способны обеспечить автоматизированное выполнение
некоторых функций в управлении автомобилем. После чего оценим, достаточно ли этих
интеллектуальных систем и устройств, для полной реализации работы системы внешнего
управления , если нет, то какие устройства или системы необходимо добавить в
конструкцию автомобиля.
В процессе разработки необходимо, для начала составить перечень уже разработанных
действующих устройств и систем, с использованием которых, будет реализовываться работа
системы внешнего управления автомобилем нарушителем. Затем необходимо составить
подробное словесное описание поэтапного принципа работы разрабатываемой системы.
Наконец, необходимо составить блок-схему принципа работы и блок связи исполнительных
систем и устройств разрабатываемой системы
Для задач внешнего управления, частично, может быть применима система
автоматической парковки. Не решенными до конца задачами продолжают оставаться
реализация запроса на конкретный автомобиль-нарушитель, получение ответного сигнала на
запрос (т.е. ответчика). Разрабатываемая система внешнего управления должна отвечать
следующим требованиям:
 Обеспечивать своевременный перехват управления автомобилем, у водителей,
неоднократно нарушивших правила дорожного движения;
 Блокировать прямое управление автомобилем для самих водителей;
 Безопасно выводить автомобиль нарушителя из транспортного потока;
 Припарковать его в ближайшем доступном месте (парковке или обочине);
 Вызвать полицию к припаркованному автомобилю нарушителя.
Таким образом, разрабатываемая система вполне способна стать универсальным
средством по предотвращению возможных тяжелых последствий агрессивного или
неконтролируемого вождения автомобиля, а также способствовать повышению общей
культуры вождения на дорогах.
Вначале проанализируем текущее положение дел в области дорожно-транспортных
происшествий. Это необходимо сделать для того, чтобы сформировать четкое
представление об этой проблеме. Обозначить какие меры были предприняты, и что делается
на данный момент для её решения. Затем рассмотрим современные существующие
технические средства по выявлению автомобилей нарушителей в транспортном потоке,
приведем основные виды и принцип работы таких средств. Также необходимо подробно
рассмотреть современные интеллектуальные системы для автомобилей, (преимущественно
марки Toyota и FORD) которые способны обеспечить автоматизированное выполнение
некоторых функций в управлении автомобилем,.и оценим, достаточно ли этих
интеллектуальных систем и устройств, для полной реализации работы разрабатываемой
системы, если нет, то какие устройства или системы необходимо добавить в конструкцию
автомобиля.
В процессе разработки составим перечень из приведенных ранее устройств и систем, с
использованием которых, будет реализовываться работа системы внешнего управления
автомобилем нарушителем. Затем необходимо составить подробное словесное описание
поэтапного принципа работы (т.е алгоритма) разрабатываемой системы., После этого
необходимо составить блок-схему принципа работы и блок связи исполнительных систем на
автомобиле и устройств разрабатываемой системы
175
Возможно что взаимодействие с автомобилем-нарушителем будет происходить
аналогично тому, как это реализовано в авиационных комплексах (см. раздел «Блок
управления посадкой самолета в режиме внешнего управления»). Возможно также
установить связь Центра внешнего управления и информационно вычислительной системой
умного автомобиля – через имеющуюся внутрисалонную коммуникационную систему,
работающую с мобильным телефоном SYNC-TM. Под неё есть USB-разъёмы. Как и
большинство мобильных телефонов, работающих с беспроводным модулем по технологии
Bluetooth в ней поддерживаются много разных функций (ответ на входящие звонки,
прекращение звонка, включить громкую связь, набор номера, повторный набор номера,
уведомление об ожидающем звонке, отображение идентификатора звонящего). Есть и
другие функции, зависящие от функциональности телефона. Возможно, как приложение
SYNC-TM, одну из этих функций перевести на включение автопарковки и уведомления об
этом водителя и информировании Системы обнаружения автомобилей-наруштелей. При
этом воспроизводится речевое сообщение, появляется значок или сообщение на дисплее.
Некоторые приложения SYHC-TM умеют отправлять push-уведомления. Pushуведомление - это уведомление от приложения, работающего в фоновом режиме, которое
доставляется в виде голосового сообщения, всплывающего уведомления или в обеих
формах. Тоже как то можно применить связь между "Информационно-вычислительной
системой умного автомобиля" и системой "Информация о дорожной обстановке" - это все те
интеллектуальные возможности на автомобиле, которые есть и описаны в нашем пособии.
В нашей стране по данным статистики ГИБДД в России за 2016 год произошло
173694 ДТП, в которых 221140 человек получили серьезные травмы, а 20308 человек
погибло. Следует отметить, что из этих данных, по вине водителей нарушивших правила
дорожного движения произошло 150 860 ДТП, в которых погибло 16 933 человек, 200 622
человек получили серьезные ранения [109]. Анализируя эти данные, становится очевидным,
что имеющихся мер по обеспечению безопасности дорожного движения недостаточно и попрежнему имеется потребность в разработке новых дополнительных систем,
обеспечивающих безопасность на дорогах.
С появлением и развитием высоких IT-технологий ведутся разработки новых методов
контроля и обеспечения безопасности дорожного движения. Сейчас основным техническим
средством выявления автомобилей нарушителей на дорогах, являются комплексы контроля
дорожного движения – многофункциональные комплексы, позволяющие фиксировать с
высокой эффективностью широкий перечень нарушений правил дорожного движения, а так
же автоматически измерять скорость транспортного средства как в конкретной точке в зоне
контроля, так и на протяженном участке дорожной сети [110].
На сегодняшний день подобные комплексы установлены на дорогах практически во
всех регионах России. По данным ГИБДД, на дорогах нашей страны сегодня насчитывается
уже более 10 тысяч таких комплексов, 76% из них способны зафиксировать нарушения
скоростного режима [111]. Современные комплексы применяются для распознавания и
других видов нарушений, таких как:
 нарушение правил проезда регулируемых перекрестков и ж/д переездов;
 разговор по мобильному телефону без устройства hands-free во время движения;
 нарушение требований дорожной разметки;
 неиспользование ремней безопасности;
 не пропуск пешехода на пешеходном переходе;
 нарушение требований запрещающих и предписывающих знаков;
 проезд под запрещающий сигнал светофора;
 выезд на полосу для общественного транспорта;
176
 движение по обочине;
 движение по встречной полосе;
 нарушение правил остановки и стоянки.
Помимо перечисленных нарушений, большинство стационарных комплексов могут
также проверять автомобиль по различным базам розыска.
Комплексы контроля дорожного движения регулярно дорабатываются. С июля 2015
года комплексы контроля дорожного движения начали выявлять автомобили,
передвигающиеся в дневное время с выключенными фарами [112]. Перечень возможностей
подобных комплексов достаточно велик. Производители конкурируют друг с другом,
значительно расширяя их функциональные возможности, и со временем, , все они встанут на
вооружение ГИБДД.
Принцип работы и основные виды комплексов. По принципу работы,
современные комплексы делятся на смистемы фотовидеофиксации, радарные и лазерные, по
способу использования – на мобильные и стационарные комплексы. Принцип работы
радарных комплексов основан на эффекте Доплера (изменение длинны и частоты волны
излучения, воспринимаемое приёмником, вследствии движения либо источника излучения
либо приёмника либо их обоих). Электромагнитные волны направляются на движущееся по
дороге транспортное средство, отразившись от него, возвращаются с уже измененной
частотой, что и фиксирует радар. По изменению частоты волны комплекс определяет, c
какой скоростью двигался автомобиль. Лазерные комплексы измерения скорости работают
аналогично [113]. В момент замера скорости радаром, фотокамера делает снимок
сканируемого автомобиля. Рассмотрим некоторые виды комплексов контроля дорожного
движения. На рис.3.14. представлен один из наиболее распространенных комплексов в
России – «Стрелка-СТ» Его конструкцию составляет широкоугольная камера и радар [114].
Благодаря широкому углу обзора камеры, комплекс способен одновременно фиксировать до
пяти полос движения, при этом направление движения транспорта в данном случае неважно.
Как утверждает производитель, его радар создан на основе технологий, используемых в
российской военной авиации. Поскольку стоимость комплекса «Стрелка-СТ» довольно
высока, обычно его устанавливают на автомагистралях с большим количеством полос .
Рисунок 3.14 - Комплекс контроля дорожного движения «Стрелка-СТ»
177
«Автоураган» (рис.3.15)– марка комплексов контроля дорожного движения, работа
которых основана только на широкоугольной видеокамере (отсутствует радар).
Рисунок 3.15 - Комплекс контроля дорожного движения «Автоураган»
При этом комплекс способен замерять скорость движущегося автотранспорта с
погрешностью всего в 2км/ч. Время проезда автотранспорта определяется по количеству
кадров, на которых также фиксируется и его номер. Размер дорожного полотна
сканируемого участка дороги указываются при установке комплекса. Обрабатывая эти
данные, комплекс и вычисляет скорость движущегося автотранспорта [115]. Как было
отмечено ранее, современные комплексы способны фиксировать не только превышение
ограничения скоростного режима. Так, например стационарный комплекс контроля
дорожного движения «Автоураган-ВСМ» может фиксировать уже 16 видов нарушений
ПДД. В его работе заложена программа анализа видеоизображения [116]. Наиболее
существенным качеством его работы является способность выявлять определенные
контрольные зоны - расположения фар на автомобиле, а также проверять включены они или
нет (рис.3.16).
178
Рисунок 3.16 - Комплекс контроля дорожного движения «Автоураган» – фиксирование
автомобилей с выключенными фарами.
«Кордон-М» (рис.3.17 и рис.3.18)- марка комплексов контроля дорожного движения, как
утверждает производитель, созданная на основе технологии нейронных сетей. Данная
технология предоставляет возможность быстрого обучения новым форматам
государственных регистрационных знаков
179
Рисунок 3.17 - Комплекс контроля дорожного движения «Кордон-М2»
(для двух полос движения) и «Кордон-М4» (для четырех полос)
Рисунок 3.18 - Схема работы комплекса «Кордон-М2»
В стандартный набор конструкции почти всех видов комплексов входит радар,
камеры, инфракрасный прожектор, ГЛОНАСС/GPS модуль, а также блок питания,
устройство хранения и обработки информации. Практически все комплексы, используемые
на дорогах России, отечественного производства [117]. Полученные данные о нарушении
комплекс пересылает на сервер (рис.3. 20). На сервере после обработки из набора кадров
получают сведения о номере транспортного средства и нарушении. Далее в автоматическом
режиме система определяет личность владельца автомобиля и формирует файл с
информацией об административном правонарушении. Затем оператор центра фиксации
нарушений должен подтвердить отсутствие ошибок в сформированном файле. В случае если
оператор не нашел никаких ошибок, он отправляет файл с информацией о нарушении
инспектору ГИБДД. В случае если имеются какие-либо сомнения, файл отправляется в
резерв, где хранится в течение года, после чего удаляется. Сотрудник ГИБДД на основании
полученного материала по нарушению квалифицирует действия водителя, выносить
постановление о нарушении и заверяет его электронной цифровой подписью. После этого
постановление загружается на сервер, откуда оно может быть распечатано, упаковано в
конверт и отправлено владельцу автомобиля нарушителя. Подобные письма высылаются с
уведомлением о вручении. Поскольку весь процесс от регистрации нарушения до вынесения
постановления происходит в электронном виде, то технически можно сразу же после
заверения цифровой подписью уведомить об этом владельца автомобиля нарушителя в
удобной для него форме. Для того чтобы владелец автомобиля мог своевременно получать
такое уведомления, ему необходимо зарегистрироваться на едином портале
государственных услуг и запросить услугу информирования о наличии штрафов в ГИБДД. В
180
личном кабинете необходимо указать данные о себе, своем автомобиле и определить каким
способом будут поступать уведомления (СМС, электронное письмо). Также можно получать
уведомления на мобильное приложение «Госуслуги». Получив уведомление, можно зайти
на сайт и получить всю необходимую информацию о нарушении. Если владелец согласен с
постановлением о нарушении, он может сразу же оплатить его через интернет, если же нет,
то его необходимо обжаловать.
В работе оборудования или сотрудников по различным причинам случаются
ошибки. Причины могут быть разными – плохая видимость из-за погодных условий,
загрязнение регистрационных номеров автотранспорта, халатное отношение сотрудников
центра фиксации нарушений, системные ошибки.
Таким примером этому может служить недавний случай, когда московскому автовладельцу
прислали постановление о нарушении, в котором было указано, что его автомобиль пересек
сплошную линию дорожной разметки. Однако при детальном рассмотрении снимка
выяснилось, что камеры зафиксировали пересечение сплошной линии дорожной разметки
не самого автомобиля, а падающую тень от него (рис.3.19). На полученное постановление о
нарушении автовладелец подал жалобу через официальный сайт ГИБДД, и дело
благополучно разрешилось [118]. Как объяснили в ГИБДД Москвы, произошедшее было
сбоем работы комплекса и впоследствии данная проблема была полностью ликвидирована.
Рисунок 3.19 - Тень от автомобиля «пересекает» сплошную линию.
181
3.6 Блок связи с автомобилем-нарушителем для включения
интеллектуальных функций
Выбор исполнительных систем и устройств. Ниже приведен перечень основных
исполнительных систем и устройств, на базе которых предлагается реализовать работу
системы внешнего управления автомобилем нарушителем:
 Система глобального позиционирования (ГЛОНАСС/GPS модуль);
 Радарные, ультразвуковые датчики, лидары;
 Адаптивный круиз-контроль;
 Система автоматической парковки.
Помимо перечисленных исполнительных систем и устройств, чтобы полностью
реализовать работу разрабатываемой системы внешнего управления необходимо
разработать и добавить в конструкцию автомобиля дополнительные системы:
 система блокировки прямого управления автомобилем водителем нарушителем во
время движения;
 система интеллектуального рулевого управления.
Также, для функционирования систем внешнего управления
в конструкции
автомобиля необходимо наличие следующих систем и устройств: система курсовой
устойчивости; система управления двигателем; электрический усилитель рулевого
управления; автоматическая коробка переключения передач; антиблокировочная система
тормозов; система распределения тормозных усилий; электронная блокировка
дифференциала; антипробуксовочная система.
На данный момент существует несколько современных технологий беспроводной
сетей, посредствам которых возможно осуществить отправку сигнала для активации
системы внешнего управления, это:
 Радиоканал – Технология беспроводной связи, имеет большой радиус действия (до 50
км), но при этом очень низкую скорость передачи данных (до19,2кбит/с), низкую
помехоустойчивость, высокую стоимость развертывания.
 Bluetooth – Технология беспроводной сети, последняя версия модификации 5.0 имеет
сравнительно малый радиус действия (до 200м), среднюю скорость передачи данных
(до 12мбит/с), и высокую помехоустойчивость.
 Wi-Fi – Современная технология беспроводной сети, при использовании стандарта
протокола IEEE 802.11n в среднем имеет довольно большой радиус действия (до
5км), высокую скорость передачи данных (в теории до 300мбит/с), сравнительно
низкую стоимость развертывания, а также низкую помехоустойчивость.
 4G LTE – Новая технология беспроводной сети, последняя модификация LTEAdvanced имеет высокую помехоустойчивость, высокую скорость передачи данных
(в теории до 300мбит/с) и большой радиус действия (зависит от мощности излучения
до 100км).
Сравнив эти технологии беспроводной сети, передача активирующего сигнала для
разрабатываемой системы будет реализовываться средствами ИНТЕРНЕТа и технологии
4G LTE, поскольку эта технология имеет относительное преимущество в сравнении с
182
другими.
Описание принципа работы системы внешнего управления и разработка блоксхемы.(рис.3.20 и рис.3.21) После того, как комплекс контроля дорожного движения
зафиксировал автомобиль, нарушающий правила дорожного движения, средствами
ИНТЕРНЕТа с использованием технологии 4G LTE, посылается сигнал активации (рис.3.19
и рис.3.20) системы на управляющий блок..
Получив сигнал, система внешнего управления активируется и первым делом
запускает активный анализ дорожной обстановки, используя сбор данных с радарных
датчиков, ультразвуковых датчиков, лидаров, системы глобального позиционирования
(ГЛОНАСС/GPS модуль), после активации этот анализ продолжает функционировать
вплоть до полной остановки автомобиля. Затем водителю нарушителю на информационный
дисплей автомобиля выводится первое предупреждение о нарушении правил дорожного
движения, и запрос (с таймаутом в 60 сек) на подтверждение того, что водитель в сознании,
понял предупреждение и готов исправить сложившуюся ситуацию, после чего система
переходит в режим слежения (30 минут). Если водитель находится в состоянии
невменяемости (без сознания, сильное переутомление, алкогольное или наркотическое
опьянение), или же система внешнего управления повторно получила сигнал о нарушении в
течение 30 минут после получения первого предупреждения, то система, повторно
проинформировав водителя, переводит его автомобиль на внешнее управление,
заблокировав при этом прямое управление автомобилем для водителя (т.е. активируется
система блокировки управления). Далее управляющий блок, получая данные с различных
датчиков, вырабатывает управляющее воздействие на систему адаптивного круиз-контроля
и систему интеллектуального рулевого управления, таким образом, стабилизирует
автомобиль на дороге в соответствии с текущей дорожной обстановкой. Используя систему
ГЛОНАСС/GPS, управляющий блок определяет маршрут до ближайшего места, где
возможно припарковать автомобиль. После этого, продолжая воздействовать на адаптивный
круиз-контроль, система ведет автомобиль к месту парковки, постепенно выводя его из
общего транспортного потока. Прибыв к месту парковки, система переключает управление
на систему автоматической парковки, при этом все решения по выбору и способу парковки
система берет на себя, руководствуясь полученными данными от анализирующих датчиков
и системы ГЛОНАСС/GPS. Если в радиусе 2х километров система не смогла обнаружить
места, где разрешено было бы припарковать автомобиль, то система перестраивает
автомобиль на крайнюю правую полосу и паркует на обочине, при этом включив аварийную
световую сигнализацию. После того как автомобиль был припаркован система информирует
полицию об остановленном автомобиле нарушителе и переходит в режим ожидания,
система блокировки управления продолжает по-прежнему работать. Полиция, прибыв на
место, оформляет нарушение и отключает систему, посылая сигнал деактивации на
управляющий блок системы.
183
РАДАРНЫЕ
ДАТЧИКИ
ЛАЗЕРНЫЕ
ДАТЧИКИ
4G LTE
МОДУЛЬ
УПРАВЛЯЮЩИЙ БЛОК
СИСТЕМЫ ВНЕШНЕГО
УПРАВЛЕНИЯ
ГЛОНАСС/GPS
МОДУЛЬ
ИНФОРМАЦИОННЫЙ
ДИСПЛЕЙ
АВТОМОБИЛЯ
УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ
ДАТЧИКИ
УПРАВЛЯЮЩИЙ БЛОК
СИСТЕМЫ
БЛОКИРОВКИ
ПРЯМОГО РУЛЕВОГО
УПРАВЛЕНИЯ
УПРАВЛЯЮЩИЙ БЛОК
СИСТЕМЫ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО
РУЛЕВОГО
УПРАВЛЕНИЯ
УПРАВЛЯЮЩИЙ БЛОК
АДАПТИВНОГО КРУИЗКОНТРОЛЯ
УПРАВЛЯЮЩИЙ БЛОК
СИСТЕМЫ
АВТОМАТИЧЕСКОЙ
ПАРКОВКИ
Рисунок 3.20 - Блок связи исполнительных подсистем и устройств системы внешнего
управления автомобилем нарушителем.
184
НАЧАЛО
АКТИВАЦИЯ
СИСТЕМЫ
АНАЛИЗ ДОРОЖНОЙ
ОБСТАНОВКИ
(РАДАРНЫЕ, ЛАЗЕРНЫЕ,
УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ
ДАТЧИКИ, ГЛОНАСС/GPS)
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ
ВОДИТЕЛЯ
КОНЕЦ
ДА
ДЕАКТИВАЦИЯ
СИСТЕМЫ
НЕТ
ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ НА
ВНЕШНЕЕ УПРАВЛЕНИЕ
(АДАПТИВНЫЙ КРУИЗКОНТРОЛЬ, СИСТЕМА
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО
РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ)
ИЗВЕЩЕНИЕ ПОЛИЦИИ
О ПРИПАРКОВАННОМ
АВТОМОБИЛЕ
НАРУШИТЕЛЕ И
ПЕРЕХОД СИСТЕМЫ В
РЕЖИМ ОЖИДАНИЯ
АКТИВАЦИЯ СИСТЕМЫ
БЛОКИРОВКИ ПРЯМОГО
РУЛЕВОГО
УПРАВЛЕНИЯ
ПАРКОВКА
АВТОМОБИЛЯ
(СИСТЕМА
АВТОМАТИЧЕСКОЙ
ПАРКОВКИ)
СТАБИЛИЗАЦИЯ
АВТОМОБИЛЯ
(АДАПТИВНЫЙ КРУИЗКОНТРОЛЬ, СИСТЕМА
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО
РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
МАРШРУТА ДО
БЛИЖАЙШЕГО
МЕСТА ПАРКОВКИ
(ГЛОНАСС/GPS)
ВЫВОД АВТОМОБИЛЯ ИЗ
ПОТОКА
(АДАПТИВНЫЙ КРУИЗКОНТРОЛЬ, СИСТЕМА
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО
РУЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ)
Рисунок 3.21 - Блок-схема работы системы.
Рассмотрим работу системы на тестовом примере конкретной дорожной ситуации.
Допустим, был зафиксирован автомобиль с установленным устройством системы внешнего
управления, двигавшийся по автомагистрали, нарушая скоростной режим и опасно
185
маневрируя между другими участниками транспортного потока. Другими словами был
зафиксирован так называемый «автогонщик» (рис3.22).
Рисунок 3.22 - «Автогонщик» на автомагистрали
Комплекс контроля дорожного движения, зафиксировав нарушение, при помощи
интернета посылает сигнал активации на 4G LTE модуль системы в автомобиле нарушителя.
Получив сигнал, система активируется и запускает активный анализ текущей дорожной
обстановки, получая данные с радарных, лазерных, ультразвуковых датчиков, а также
системы глобального позиционирования ГЛОНАСС/GPS. Водителю нарушителю на
информационный дисплей выводится предупреждение о зафиксированном нарушении
правил дорожного движения и запрос на подтверждение того что водитель находится в
адекватном состоянии и готов незамедлительно исправить сложившуюся ситуацию.
Допустим, водитель подтвердил свое состояние, но, спустя определенное время, его
автомобиль опять был зафиксирован комплексом контроля дорожного движения и система
повторно активировалась. В этом случае система повторно выводит на информационный
дисплей предупреждение водителю о зафиксированном нарушении, но при этом, сообщает
ему уже о том, что автомобиль будет переведен на внешнее управление, и прямое
управление автомобилем будет заблокировано. Далее система, продолжая анализировать
дорожную обстановку, активирует внешнее управление, вырабатывая управляющее
воздействие на адаптивный круиз-контроль и систему интеллектуального рулевого
186
управления. Управляя этими подсистемами, система внешнего управления выравнивает
автомобиль по полосе движения, вместе с тем понижает его скорость до оптимальной
(рис.3.23). Одновременно с этим система при помощи интернета и системы ГЛОНАСС/GPS
ведет поиск места, где возможно было бы припарковать автомобиль. Допустим нарушение
было совершено на протяженном участке автомагистрали и система не нашла подходящего
места парковки в радиусе 2-х километров. В этом случае, система внешнего управления,
воздействуя на исполнительные устройства адаптивного круиз-контроля и подсистему
интеллектуального рулевого управления, перестраивает автомобиль на крайнюю правую
полосу. Двигаясь по крайней правой полосе, система активирует подсистему
автоматической парковки и паркует автомобиль на обочине,
при этом включив аварийную световую сигнализацию, таким образом, обозначая
вынужденную остановку. После того, как автомобиль был припаркован, система
информирует полицию об остановленном автомобиле нарушителе и переходит в режим
ожидания. Полиция, прибыв на место, оформляет нарушение и деактивирует систему.
187
1 – выравнивание автомобиля по полосе;
2 – вывод автомобиля на крайнюю правую полосу;
3 – выбор места и парковка автомобиля;
4 – припаркованный автомобиль в режиме ожидания с включенной аварийной
световой сигнализацией.
Рисунок 3.23 - Работа системы на примере с автомобилем «автогонщика».
Системы внешнего управления, можно постепенно внедрить в конструкцию
188
современных автомобилей при условии, что будет принят соответствующий закон
Государственной Думой. В настоящее время многие автопроизводители ведут разработки
беспилотных автомобилей, и на такой платформе, разработать и реализовать подобную
систему внешнего управления будет намного проще.
Контрольные вопросы
1. Что является объектом управления в умных автомобилях?
2. Какие проблемы успешно решаются использованием интеллектуальных технических
средств в умных автомобилях, с которыми не может справиться человек?
3. Привести примеры интеллектуальных средств дорожного регулирования.
4. Назовите бортовые системы помощи водителю, требующие повышенной надежности.
5. Как отреагирует система помощи при парковке на запаркованные в три ряда машины,
что случается на наших дорогах?
6. Перечислить системы умного автомобиля, существующие на рынке автопроизводителей.
7. Является ли охранное оборудование элементом умного автомобиля?
8. Какие законодательные
автомобилей.
проблемы
возникают
при
эксплуатации
беспилотных
9. Как работают системы помощи водителю: курсовой устойчивости, управления светом
фар, контроля слепых зон.
10. Как работают системы помощи водителю: предупреждения водителя о возможном
столкновении и обнаружения впереди идущих автомобилей, адаптивного управления
рулём.
11. Как работают системы помощи водителю: удержания полосы движения, выбора режима
работы подвески, помощи при трогании на подъеме.
12. Как работают системы помощи водителю: авто-старт-стоп, контроля тягового усилия.
13. Как работают системы помощи водителю: при его утомленности, при экстренном
торможении.
14. Как работают системы помощи водителю: при парковке и выезде с парковки.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Киберфизические системы делятся на естественные и искусственные, к числу последних
относятся Связьнет – развитие всемирной системы связи, Электронет- умное снабжение
электроэнергией, Газнет – умное газоснабжение, Аэронет- умные летательные аппараты,
Автонет- умные автомобили и дороги, Меринет – умные суда, причалы и порты, Умная
одежда, Умная медицина - модели организмов, Промышленность 4.0, Менеджмент
189
инноваций – можем ли мы заставить будущее работать на нас сегодня? Изложенный выше
материал позволяет развивать все эти направления.
Авторы благодарят сотрудников предприятий автопромышленного кластера СанктПетербурга, первого заместителя директора С-Петербургского информационноаналитического центра профессора Ю.Н.Захарова, членов Научного совета РАН по
робототехнике и механотронике во главе с академиком Ф.Л.Черноусько, членов Научного
совета по информатизации при правительстве С-Петербурга во главе с академиком
Б.Я.Советовым, а также студентов ГУАП, которые с энтузиазмом включились в
разработку умных автомобилей и других киберфизических систем.
Авторы будут благодарны за замечания, которые можно прислать по адресам E-mail:
ignatmb@mail.ru
Основная литература
1. Игнатьев М.Б. «Кибернетическая картина мира. Сложные киберфизические
системы», учебное пособие с грифом УМО, 3-е изд.ГУАП, С-Петербург, 2014,- 472 с.
2. Игнатьев М.Б., Катермина Т.С. «Контроль и коррекция вычислительных процессов в
реальном времени на основе метода избыточных переменных», учебное пособие, изд.
Нижневартовского гос.университета, 2014, - 188 с.
3. .Липкин А.И. «Основания физики. Взгляд из теоретической физики». изд. Леланд,
Москва, 2014,- 218 с.
4. Игнатьев М.Б. «Просто кибернетика» изд. Страта, С-Петербург, 2016, - 248 с.
5. Э.Гамма и др. «Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны
проектирования» , изд. Питер, 2016,-368 с.
6. [Электронный ресурс]. – Режим – доступа: https:
//motor.ru/news/2016/06/29/autonomsighns,свободный
Дополнительная литература
7. «Архитектура виртуальных миров» \ монография, коллектив авторов, второе издание
под научной редакцией М.Б.Игнатьева, А.В.Никитина, А.Е.Войскунского, СПб:
ГУАП, 2009. - 288с.
8. Антология «Время и кибернетика: к столетию со дня рождения академика АН СССР
А.А.Воронова»\ СПб: Изд-во Политехн.ун-та, 2010. – 482с.
9. Игнатьев М.Б. «Информационные технологии в микро-, нано- и оптоэлектронике»
монография\ СПб: ГУАП, 2008. - 200с.
10.«Информатика для устойчивого развития»\ сборник статей под ред. М.Б.Игнатьева и
М.А.Вуса, СПб.: СПбОНТЗ, «Полиграф экспресс».2009, 194с.
11. «История информатики и кибернетики в Санкт-Петербурге (Ленинграде)»\ выпуск 1,
под ред. Р.М.Юсупова, СПб: Наука, 2008 – 356с.; вып. 2, под ред .Р.М.Юсупова, СПб:
Наука, 2010 – 152 с; вып.3, под ред. Р.М.Юсупова, 2012 – 216с.
12. «Системный анализ и принятие решений» Словарь-справочник, Учебное пособие для
вузов\ Под ред. В.Н.Волковой и В.Н.Козлова, М.: Высш.шк., 2004, 616с.
190
13 . Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика. Нерелятивистская теория. М.:
Физматгиз, 1963, 702с.
14. Мерло-Понти М. «Феноменология восприятия. Феноменология языка» СПб.:
Ювента,Наука, 1999, 608с..
15. Михайловский В.Н., Хон Г.Н. «Диалектика формирования современной научной
картины мира» Л.: Наука, 1989, 198с.
16. Степин В.С. «Теоретическое знание» М.: Наука, 2003, 784с.
17. Моль А. «Социодинамика культуры» М.: Мысль, 1973, 496с.
18. Лейбниц Г.В. «Монадология» Сочинения, т.1, М.: Наука, 1982, 860с.
19. Деррида Ж. «Письмо и различие» СПб.: Ювента, 2000, 420с.
20. Цуккер А. «Пять лет Персимфанса» М.: Гудок, 1927, 66с.
21.. Игнатьев M.Б. «Голономные автоматические системы» М. – Л.: АН СССР, 1963,
204с.
22. Игнатьев М.Б., Ф.М. Кулаков, А.М. Покровский «Алгоритмы управления роботамиманипуляторами» первое издание – 1972, второе издание в США – 1973, третье издание
1977, Л.: Машиностроение, 248с
23. Игнатьев М.Б., В.А. Мясников, А.М. Покровский «Программное управление
оборудованием» первое издание – 1974, второе издание –1984, Л.: Машиностроение,
540с.
24. Ястребов В.С., М.Б.Игнатьев, Ф.М. Кулаков, В.В.Михайлов «Подводные роботы» Л.:
Судостроение, 1977, 368с.
25. «Человек и робот» научно-популярный фильм, Леннаучфильм, авторы сценария
М.Б.Игнатьев и Л.П. Клауз, 1980. Государственная премия СССР за 1982 г.
26. Игнатьев М.Б., Б.З.Ильевский, Л.П.Клауз «Моделирование системы машин» Л.:
Машиностроение, 1986, 304с.
27. Игнатьев М.Б.и др «Компьютерные игры» ,.Л.: Лениздат, 1988, 168с.
28.. Ignatiev M. B. ”Simulation of Adaptational Maximim Phenomenon in Developing
Systems” Proceedings of The SIMTEC’93 - 1993 International Simulation Technology
Conference, San Francisco, USA, 1993, P.41-42.
29. Ignatyev M.B., D.M. Makina, N.N. Petrischev, I.V. Poliakov, E.V. Ulrich, A.V. Gubin
“Global model of organism for decision making support” Proceedings of the High Performance
Computing Symposium – HPC 2000, Ed. A. Tentner, 2000 Advanced Simulation Technologies
Conference, Washington D.C. USA, 2000, P.66-71.
30. Ignatyev M. B. “Linguo-combinatorial method for complex systems simulation”
Proceedings of the 6th World Multiconference on Systemics, Cybernetics and Informatics, vol.
XI, Computer science II, Orlando, USA, 2002, P.224-227.
31. Глазунов В.А. «Междисциплинарность робототехники. Самоорганизация,
бифуркации, многокритериальность» М.: Прогресс-Традиция, 2002, 110с.
191
32. Игнатьев М.Б. «Вселенная как самоорганизующаяся система» Тезисы докладов на
Всероссийской астрометрической конференции «Пулково-2009», 2009.с.19-20.
33. Бейдер Р. «Атомы в молекулах» М.: Мир, 2001, 450с.
34. Игнатьев М.Б. «Самоорганизующиеся робототехнические системы и игра в футбол»
Сборник трудов Первой международной конференции по механотронике и
робототехнике», том 2, СПб.:ГУАП, 2000, С. 127-131.
35. Игнатьев М.Б. «Семиблочная модель города для поддержки принятия решений»
Труды семинара «Компьютерные модели развития города» СПб.: Наука, 2003,C. 40-45.
36. Игнатьев М.Б. «Новая модель атома с блоком управления» Тезисы докладов Второй
международной конференции «Устойчивость и управление для нелинейных
трансформируемых систем» М.: Сокол, 2000. С.15-17.
37. Игнатьев М.Б. «Лингво-комбинаторная картина мира и познание реальности» Труды
Конгресса-2002 «Фундаментальные проблемы естествознания и техники», Серия
«Проблемы исследования Вселенной» вып.25, СПб.: Наука, 2002, С. 117- 128.
38. Игнатьев М.Б., Тихомиров М.Е. «Внешнее управление самолетами и проблемы
измерения» Вестник Северо-Западного филиала Метрологической Академии, вып.12,
СПб.: ВНИИМ, 2004, С. 51- 66.
39. Дмитриев В.И. «О методах решения обратных задач» Вестник МГУ, серия 15
«Вычислительная математика и кибернетика» №4, 2001, С.3-7.
40. М.Б.Игнатьев «Роботы, аватары и люди как системы со структурированной
неопределенностью» Сб. «Новое в искусственном интеллекте» М.: МИРЭА, 2005,С.7585.
41. Игнатьев М.Б. «Робототехника и искусственный интеллект». Доклад в Институте
системного анализа 21 апреля 2005г, М.
42. .Ignatyev М “The study of the adaptational maximum phenomenon in complex systems”
Seven International Conference on Computing Anticipatory Systems. Absract book. Ed.Daniel
M.Dubois. HEC – Ulg, Liege, Belgium, August 8-13, 2005, Simposium 2, p.18.
43. .ВороновА.А., А.Р.Гарбузов, Б.Л.Ермилов, М.Б.Игнатьев, Г.Н.Соколов, Ян Си Зен
«Цифровые аналоги для систем автоматического управления» Л.: АН СССР, 1960. 196 с.
44. .МальцевА.И. «Алгоритмы и рекурсивные функции» М.: Физматгиз, 1965, 420с.
45. .ИгнатьевМ.Б. «О совместном использовании принципов введения избыточности и
обратной связи для построения ультраустойчивых систем» Труды Ш Всесоюзного
совещания по автоматическому управлению, том 1, М.: АН СССР, 1968,.С.55-71.
46. ИгнатьевМ.Б. «Метод избыточных переменных для функционального кодирования
цифровых автоматов» Сб. «Теория автоматов» №4, Киев: ИК АН УССР, 1969, С.3-9.
47. ИгнатьевМ.Б. «О лингвистическом подходе к анализу и синтезу сложных систем»
Тезисы Межвузовской научно-технической конференции «Техническая кибернетика» М.:.
МВТУ, 1969, С.31-39.
192
48. М.Б.Игнатьев «Избыточность в многоцелевых системах» Труды IV симпозиума по
проблеме избыточности, Л.:ЛИАП, 1970, С.20-35.
49.
БритовГ.С.,
М.Б.Игнатьев,
Л.А.Мироновский,
вычислительными процессами» Л.:ЛГУ, 1973. 206с.
Ю.М.Смирнов
«Управление
50. Glushkov V, M.Ignatyev, V.Miasnikov, V.Torgashev “Recursive machines and computing
technology” Proceedings IFIP-74, computer hardware and architecture, Stockholm, August 5-10,
1974. р.65-70.
51. ИгнатьевМ.Б., В.А.Мясников, В.А.Торгашев «Рекурсивные вычислительные машины»
Препринт №12, М.:ИТМ и ВТ АН СССР, 1977, 36с.
52. ИгнатьевМ.Б., В.М.Кисельников, В.А.Торгашев, В.Б.Смирнов «Ассоциативное
запоминающее устройство» Авторское свидетельство №4844562, Бюллетень изобретений
№34, 1975.
53. БекасоваА.А., С.В.Горбачев, М.Б.Игнатьев, В.А.Мясников, В.А.Торгашев «Процессор с
микропрограммным управлением» авторское свидетельство №814118 с приоритетом от
18.10.1979.
54. ГорбачевС.В., М.Б.Игнатьев, В.М.Кисельников, В.А.Мясников, В.А.Торгашев
«Многопроцессорная вычислительная система» Авторское свидетельство №962965 с
приоритетом от 27 августа 1974г, Бюллетень изобретений №36, 1982.
55. ИгнатьевМ.Б., В.А.Мясников, В.В.Фильчаков «Организация вычислительного процесса
при решении прикладных задач на многопроцессорной системе с рекурсивной
организацией» журнал АН УССР Кибернетика, №3, 1984, С.30-37.
56. «Рекурсия» Статья в Математической энциклопедии, том 4, М., 1984.С.962-966.
57. МясниковВ.А., М.Б.Игнатьев, А.А.Кочкин, Ю.Е.Шейнин «Микропроцессоры – системы
программирования и отладки» М.: Энергоатомиздат, 1985, 272с.
58. С.В.Горбачев, М.Б.Игнатьев, Ю.Е.Шейнин «Рекурсивные ЭВМ массового применения»
Тезисы 11 Всесоюзной конференции по актуальным проблемам информатики и
вычислительной техники, Ереван: АН Армянской ССР, 1987, С.14-24
59. М.Б.Игнатьев, Я.Комора «Обобщенная параметрическая модель реализации локальнорекурсивных структур в трехмерных интегральных схемах» Доклады АН СССР, 1991,
том.320, №5, С.1058-1062.
60. М.Б.Игнатьев, В.В.Фильчаков, Л.Г.Осовецкий «Активные методы обеспечения
надежности алгоритмов и программ» СПб.:Политехника, 1992, 288с.
61. М.Б.Игнатьев «Лингво-комбинаторное моделирование плохо формализованных систем»
журнал «Информационно-управляющие системы» №6, 2003, С.34-37.
62. С.А.Яновская «Методологические проблемы науки» М.: Наука, 1972, 296с.
63. П.Г.Суворова « Диалектика абстрактного и конкретного в понятии «архитектура ЭВМ»
Сб. «Новые идеи в философии науки и научном познании». Ред. Ю.И.Мирошников,
Екатеринбург, 2002, С.12-28.
193
64. Аладова Т.Е., Игнатьев М.Б., Шейнин Ю.Е. «Распределенный монитор для отладки
программного обеспечения мультипроцессорных систем». Микропроцессорные средства и
системы, 1990, N 5, С.49-56.
65. Gorbachev S., Gontcharova E., Ignatiev M., , Sheynin Y.E. Distributed High Performance
Computing Over ATM Networks. In: Proceedings of the High Performance Computing
(HPC ’98), ASTC’98 Conference, Boston, USA, April 1998, pp. 216-221.
66. М.Б.Игнатьев, Ю.Е.Шейнин «25 лет со времени создания рекурсивной вычислительной
машины высокой производительности и надежности и проблемы параллельных
вычислений» Доклад на пленарном заседании 23-ей международной конференции по
школьной информатике и проблемам устойчивого развития, СПб, 16 апреля 2004г
67. А.Ю.Замятин, М.Б.Игнатьев, А.В.Никитин, В.К.Шиян «Проблемы информатизации
регионов России на основе многослойного Интернета» Тезисы докладов Ш международной
конференции «Интернет нового поколения – iPv6» М.ИПС РАН, 24-26 ноября 2004, С.33-38.
68. Захаров В.Н. «Виртуализация как информационная технология» Сб. «Системы и
средства информатики» М.: ИПИ РАН, 2006.
69. «Виртуалистика – экзистенциальные и эпитемологические аспекты»М.:ПрогрессТрадиция, 2004, 384с.
70. Игнатьев М.Б. «Философские вопросы компьютеризации и моделирования» Тезисы
докладов межреспубликанского симпозиума «ХХУП съезд и актуальные задачи
совершенствования работы философских (методологических) семинаров» Л.: АН СССР,
1987, С.31-39.
71. «Программа действий на 21 век. Документы конференции в Рио-де-Жанейро».
Составитель М.Китинг. Женева, 1993, 98с.
72. Большая советская энциклопедия в 30 томах, М., 1970-1978 гг
73. Игнатьев М.Б., Королев В.В., Кроль А.А. «Виртуальные образовательные среды» журнал
Педагогическая информатика», №2, 2004, С.73-81.
74. ИгнатьевМ.Б. «Об управлении в многопроцессорных структурах» Сборник
«Вычислительные процессы и структуры», вып.121, Л.: ЛЭТИ-ЛИАП, 1978. С.5-20.
75. ИгнатьевМ.Б., А.В.Никитин, Н.Н.Решетникова, Ю.М.Смирнов «Всероссийская
виртуальная кафедра по специальности 22.01 – вычислительные машины, комплексы,
системы и сети» СПб – М.: ГУАП, 1999. 25с.
76. ИгнатьевМ.Б. «На виртуальной стройке века» Российская газета, 8 декабря 1999.
77. ИгнатьевМ.Б., А.В.Никитин, А.А.Оводенко «Петровские традиции и новые
информационные технологии в образовании» Журнал «Педагогическая информатика» №2,
2003, С.59-67.
78. Князева Е. Н., Курдюмов С. П. Основания синергетики. Человек, конструирующий себя
и свое будущее. — М.: КомКнига, 2007. — 232с.
79. Менский М.Б. Человек и квантовый мир. Фрязино: «Век2»,2007, 320с.
194
80. Пенроуз Р. Путь к реальности или законы, управляющие Вселенной. Полный
путеводитель. М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2007, 912с.
81. Грин Б. Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности. М.: Книжный дом
ЛИБРОКОМ, 2009, 608 с.
82. Майнцер К. Сложносистемное мышление: Материя, разум, человечество. Новый синтез.
М.: Книжный дом ЛИБРОКОМ, 2009, 464с.
83. Игнатьев М.Б. Компьютеризм. Программа 29-ой международной конференции по
школьной информатике и проблемам устойчивого развития, СПб.: ГУАП, 23-24 апреля
2010, С. 83-84.
84. Робототехника. Взгляд в будущее.// Труды международного научно-технического
семинара. – СПб.: Изд-во «Политехника-сервис», 2010.- 284с.
85. «Сергей Алексеевич Лебедев», коллектив авторов под ред. В.С.Бурцева, М.: Физматлит,
2002, 440с.
86. «И.А.Мизин – ученый, конструктор, человек» под ред.И.А.Соколова, М.: ИПИРАН,
2010, С.320.
87. Игнатьев М.Б., Катермина Т.С. «Метод избыточных переменных для контроля и
коррекции вычислительных процессов в реальном времени» Журнал «Труды СПИИРАН»,
вып.26, 2013, С.234-252.
88. Ignatyev M. “The simulation of atoms how complex systems” ECCS’12, Brussels, Section A,
2012.
89. Ignatyev M. “Sustainable in adaptational maximum zone of complex systems” ECCS’12,
Brussels, Section B, 2012.
90. Ignatyev M.”The simulation of complex biological systems” ECCS’12, Brussels, Section C,
2012.
91. Игнатьев М.Б. «Десять лет Международному институту кибернетики и артоники»
Материалы Международной научной конференции «РАН и международные научные связи в
области науки и культуры в Х1Х – ХХ1 веках, 26-30 ноября 2012 г., СПб
92. Ignatyev M. “The linguo-combinatorial simulation in modern physics” American Journal of
Modern Physics, USA, 2012, December, vol.1, No.1, pp.7-11.
93. Ignatyev M. “Crisis how the property of complex systems” Journal of World Economic
Research, USA, 2012, December, vol.1, No.1, pp. 1-5
94. Ignatyev M., Surzhenko D. “The evolutionary and creative processes in biological systems”
Computational Biology and bioinformatics USA, 2013, vol.1, Number 1, pp.1-5 .
95. Игнатьев М.Б., Я.А.Липинский, Г.М.Герасимов, П.И.Макин «Автономный шагающий
адаптивный робот для диагностики газопроводов» Информационные материалы Hannover
Messe 2013.
96. Игнатьев М.Б. «Полицентрическая концепция устойчивого развития умного города»
Программа 32-й международной конф. Школьная информатика и проблемы устойчивого
развития, 25.04.2013,С.123-125
195
97. Игнатьев М. Б., Липинский Я.А., Ненашев В.А., Никитин А.В., Шепета А.П. «Как
обустроить околоземное пространство для борьбы с космическими угрозами» Доклад на
Латино-американском форуме PeRuSat-2013, Перу, Лима, сентябрь 2013.
98. Игнатьев М.Б., Я.А.Липинский, Ненашев В.А. «Макет гравитационного тягача для
борьбы с астероидами» Выставка на Латино-американском форуме PeRuSat-2013, Перу,
Лима, сентябрь 2013.
99. Игнатьев М.Б., Катермина Т.С., Ненашев В.А. «Проблемы прогнозирования
землетрясений на основе моделирования движения континентальных плит» Доклад на
Латино-американском форуме PeRuSat-2013, Перу, Лима, сентябрь 2013.
100. Ignatyev M., SheininYu., Litovkin A.”From digital analogs through recursive machines to
quantum computers” Journal of Mathematics and System Science, vol.3, Number 12, 2013.
101. Edward A. Lee, Cyber-Physical Systems— Are Computing Foundations Adequate?
102. Paulo Tabuada, Cyber-Physical Systems: Position Paper
103. Rajesh Gupta, Programming Models and Methods for Spatio-Temporal Actions and
Reasoning in Cyber-Physical Systems
104. E. A. Lee and S. A. Seshia, Introduction to Embedded Systems — A Cyber-Physical Systems
Approach [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://LeeSeshia.org, свободный, 2011г.
105. Игнатьев М.Б. «Второе рождение кибернетики», интервью в газете СанктПетербургские ведомости, 24.03.2017, подготовила А.Б.Долгошева
106. FORD MONDEO.Руководство пользователя, 2015г, 528с.
107. Система автоматического управления автомобилем [Электронный ресурс]– Режим
доступа: http://systemsauto.ru/another/automatic_driving.html, свободный,2017г.
108. Всемирной Организации Здравоохранения [Электронный ресурс] - Режим
доступа:http://www.who.int,свободный,2017г.
109. Показатели состояния безопасности дорожного движения [Электронный ресурс] –
Режим доступа: http://stat.gibdd.ru,свободный,2017г.
110. Игнатьев М.Б., Кибернетическая картина мира / М.Б.Игнатьев:учебное пособие,
СПбГУАП 2014г.,472с.
111. Технологии безопасности дорожного движения [Электронный ресурс] - Режим
доступа:http://tbdd.ru,свободный,2017г.
112. Как это работает: камеры фиксации нарушений ПД [Электронный ресурс] - Режим
доступа:https://naked-science.ru/article/nakedscience/kak-eto-rabotaet-kamery ,свободный,
2017г.
113. Типы камер фото видео фиксации [Электронный ресурс] – Режим
доступа:https://www.drive2.ru/b/456168683740332463,свободный,2017г.
114. Комплекс контроля дорожного движения автоматизированный стационарный (СтрелкаСТ) серии ККДДАС-01СТ [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://spttech.info/kddac01ct.html, свободный, 2017г.
115. Информационно аналитический журнал РУБЕЖ [Электронный ресурс] – Режим
доступа:http://ru-bezh.ru,свободный,2017г.
116. :Технологии Распознавания [Электронный ресурс] – Режим доступа:http://recognize.ru,
свободный,2017г.
196
117. Автоматические средства контроля скорости и правил парковки, системы
фотовидеофиксации фирмы СИМИКОН [Электронный ресурс] – Режим
доступа:http://simicon.ru», свободный,2017г.
118. Информационное агентство России [Электронный ресурс] - Режим
доступа:http://tass.ru/spb,свободный,2017г.
119. Официальный международный сайт компании Toyota. [Электронный ресурс] - Режим
доступа:http://www.toyota-global.com,свщбодный,2017г.
120. Роботизированные автомобили должны научиться понимать людей [Электронный
ресурс] – Режим доступа:https://geektimes.ru/post/286400,свободный,2017г.
121. Набоких В.А. Системы электроники и автоматики автомобилей /В.А.Набоких.– М.:,
Норма,2015г.
122. Система автоматической парковки. [Электронный ресурс] - Режим
доступа:http://systemsauto.ru/active/active_park.html,2017г
123. Система автоматической парковки (Парковочный автопилот) [Электронный ресурс] - Режим
доступа:http://www.autoscience.ru/blog/sistema_avtomaticheskoj_parkovki_parkovochnyj_
аvtopilot/2014-11-29-56,свободный,2017г.
124. Уткин А.Г., Повышение безопасности дорожного движения» Реферат С-Пб,
СПбГУАП,2017г.
125 Системы управления роботизированными автомобилями» Логинов А.С., Реферат СПб,СПбГУАП ,2017г.
126. Адаптивный круиз-контроль [Электронный ресурс] - Режим доступа:
http://systemsauto.ru/active/acc.html,свободный,2017г.
127. Круиз контроль, как адаптивная система [Электронный ресурс] - Режим доступа:
http://www.autoezda.com/2010-10-25-07-38-46/445-kruizkontrol.html,свободный,2017г.
128. Крутов И.В. «Информационная система автомобиля»/И.В.Крутов. –СПб,СПБГУАП,
2017г.
129. Система курсовой устойчивости». [Электронный ресурс] - Режим
доступа:http://systemsauto.ru/active/esp.html,свободный,2017г.
130. Цифровой автомобиль [Электронный ресурс] - Режим доступа:
https://3dnews.ru/auto,свободный,2017г.
131. Система управления двигателем [Электронный ресурс] - Режим
доступа:http://systemsauto.ru/electric/control_engine.html ,свободный,2017г.
132. Игнатьев М.Б., Попов В.П.Проблемы создания умных автомобилей и дорог.
Международная конференция “Региональная информатика-2016“.
С.351.
133. Достоинства и недостатки построения умных автомобилей. Международная
конференция “Региональная информатика-2016“.С.533-535.
134. Электроусилитель рулевого управления [Электронный ресурс] - Режим
доступа:http://systemsauto.ru/wheel/electro_steering_gear.html,свободный,2017г.
135. Автоматическая коробка передач [Электронный ресурс] - Режим
доступа:http://systemsauto.ru/box/akpp.html,свободный,2017г.
136. Конструкция и строение автомобиля [Электронный ресурс] - Режим доступа:
http://autoustroistvo.ru,свободный,2017г.
137. Игнатьев М.Б., Попов В.П., Сергеев М.Б. Проблемы внешнего управления
автомобилями-нарушителями для повышения безопасности дорожного движения. Научная
сессия ГУАП. Часть II. Технические науки.2017г. С.232-235.
197
Содержание
Введение...............................................................................................................................3.
1 Теория киберфизических систем...........................................................................4.
Неопределенность и лингво-комбинаторное моделирование ……………………...4
Адаптационные возможности сложных систем ……………………………………..7
Управление хаосом – неструктурированной неопределенностью ………………..15
Цифровые вычислительные машины как системы со структурированной
неопределенностью…………………………………………………………………...22
1.4.1 Эволюция элементной базы ………………………………………………………….23
1.4.2 Эволюция уровня знаний……………………………………………………………..24
1.4.3 Эволюция операционной среды ……………………………………………………..25
1.4.4 Эволюция устройств ввода-вывода информации……………………………………..26
1.4.5 Эволюция средств связи………………………………………………………………27
1.4.6 Эволюция эащиты информации……………………………………………………...28
1.5
Принцип обратной связи……………………………………………………………...28
1.5.1 Кибернетический велосипед………………………………………………………….29
1.6
Самоорганизация и внешнее управление……………………………………………33
1.7
Избыточность как фактор эволюции………………………………………………...40
1.8
Множественность миров……………………………………………………………...42
1.9
Автоматизация и сложность…………………………………………………………..44
1.10 Лингвистический поворот…………………………………………………………….49
1.11 Бионика…………………………………………………………………………………50
1.1
1.2
1.3
1.4
1.12
Артоника……………………………………………………………………………….50
1.13
Форсайт анализ – взгляд на перспективу развития науки и техники……………..51
Контрольные вопросы………………………………………………………………………...52
2 Современные киберфизические системы………………………………………56
2.1
Эволюция средств связи – всемирная паутина………………………………………56
2.2
ИНТЕРНЕТ вещей……………………………………………………………………..60
2.3
Финансовые информационно-вычислительные системы…………………………...63
2.4
Роботы для диагностики трубопроводов……………………………………………..64
2.5
Как обустроить околоземное пространство для борьбы с космическими
угрозами…………………………………………………………………………………71
2.6
Роботы и искусственный интеллект…………………………………………………...77
198
2.7
2.8
2.9
Структурирование робототехнических систем……………………………………….77
Основные уровни управления поведением роботов………………………………….81
Лингвистический подход к анализу уровней структуры системы управления
роботов……………………………………………………………………………….......82
2.10
Робот как многоцелевая система с избыточностью…………………………………...85
2.11
Основные элементы роботов-манипуляторов…………………………………………87
2.12
Информационные системы роботов……………………………………………………98
2.13
Системы обработки информации……………………………………………………...109
2.14
Построение второго уровня управления роботом манипулятором………………....111
2.15
Уровни управления шагающей машиной……………………….……………………..114
2.16
Основные особенности шагающих машин, управляемых ЭВМ……………………..115
2.17
Шестиногие шагающие машины…………………………………………………........127
2.18
Антропоморфные роботы……………………………………………………………....133
2.19
Внешнее управление самолетами для борьбы с терроризмом…………………........135
2.19.1 Концепция бортового комплекса внешнего управления воздушным судном в
экстремальных ситуациях……………………………………………………………....138
2.19.2 Блок выявления экстремальной ситуации на борту воздушного суд…………….….140
2.19.3 Блок принятия решения по введению внешнего управления воздушным
судном.…………………………………………………………………………………...141
2.19.4 Блок отключения органов управления полетом и бортовым оборудованием
в кабине экипажа и перехода на автоматическое управление полетом ……….……142
2.19.5 Бортовой комплекс автоматического управления полетом…………………………..142
2.19.6 Блок центра внешнего управления……………………………………………………..143
2.19.7 Блок включения данных о терпящем бедствие воздушном судне в многопользовательский
«виртуальный мир», с целью обеспечения безопасного управления воздушным
движением…………………………………………………………………………….….144
2.19.8 Блок управления автоматической посадкой самолета в режиме внешнего
управления……………………………………………………………………………….144
Контрольные вопросы…………………………………………………………………………..145
3 Умные автомобили и умные дороги ……………………………………………....146
3.1
Автомобиль без водителя – проблемы создания роботизированного автомобиля
для повышения безопасности движения…………………………………………….....146
3.1.1 Интеллектуальный автомобиль………………………………………………………....149
199
3.2
Примеры автомобильных бортовых информационных систем…………………..150
3.2.1 Система курсовой устойчивости (динамической стабилизации) и
антибуксовочная система……………………………………………………………153
3.2.2 Система помощи при экстренном торможении…………………………………...156
3.2.3 Система автоматического управления светом фар………………………………...156
3.2.4 Внутрисалонная коммуникационная система SYNC2…………………………….156
3.2.5 Система помощи при парковке и выезде с парковки……………………………...157
3.2.6 Система информации о наличии автомобилей в мертвой (“слепой“)
зоне видимости (BLIS) и предупреждения о пересекающих потоках движения...158
3.2.7 Система ограничения и управления скоростью (круиз-контроль)………………...161
3.2.8 Система предупреждения водителя о возможном столкновении и обнаружении
впереди идущего автомобиля…………………………………………………………162
3.2.9 Система помощи водителю при его утомленности (на скоростных трассах)……...164
3.2.10 Система контроля за соблюдением дорожной разметки (удержании
полосы движения)………………………………………………………………………165
3.2.11 Система распознавания дорожных знаков…………………………………………….166
3.2.12 Адаптивное управление рулем…………………………………………………………167
3.2.13 Выбор режима работы подвески………………………………………………………..167
3.2.14 Система авто-старт-стоп………………………………………………………………...168
3.2.15 Система контроля тягового усилия……………………………………………………..169
3.2.16 Система помощи при трогании на подъеме………………………………………….....169
3.2.17 Система экстренного вызова…………………………………………………………….169
3.3
Умная дорога………………………………………………………………………………172
3.4
Компьюторизация автомобиля как способ улучшить транспортную ситуацию……...172
3.5
Внешнее управление автомобилями нарушителями для повышения безопасности
дорожного движения……………………………………………………………………….174
3.6
Блок связи с автомобилем нарушителем для включения интеллектуальных функций..182
Контрольные вопросы……………………………………………………………………………….…189
Заключение………………………………………………………………………………………..…189
200
Основная литература……………………………………………………...................................190
Дополнительная литература……………………………………………..…………………...190
201
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
5 668 Кб
Теги
popova
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа