Использование индуцированной виртуальной среды для развития концепции управления с обратной связью

Подшивалов А.Ю. (alexey-77@yandex.ru)

Институт системного программирования РАН

Введение

В настоящее время интенсивно развивается направление, связанное с созданием систем моделирования и их применением в различных областях науки и техники [8]. Это связано, в первую очередь, с быстрым развитием информационных технологий и экспоненциальным ростом производительности вычислительных комплексов. Моделирование производится в тех случаях, когда реальное проведение эксперимента невозможно или нежелательно по тем или иным причинам, в частности из-за высокой стоимости эксперимента и высокой цены риска. В ряде случаев моделирование является единственной альтернативой получения информации о поведении объектов и их характеристиках.

В последнее время моделирование широко применяется для технических систем, в первую очередь, космических [12]. Космические технические системы отличаются как сложностью устройства самих систем, так и сложностью стоящих перед ними задач.

Возникает потребность управления техническими системами. Моделирование технических систем в процессе управления ими представляет собой сложную и объемную задачу. В этом случае требуется принимать решения в течение заданного короткого промежутка времени (режим реального времени). Основной особенностью здесь является быстрая смена состояния объектов системы и наличие обратной связи по параметрам, описывающим состояние объектов. При этом построение модели ситуации осуществляется на основе оперативных данных, поступающих от подсистем слежения за реальными объектами. Физическая система и система моделирования функционируют параллельно, а состояние и поведение моделей объектов воспроизводится на основе информации, поступившей на текущий момент времени. Характерным примером является моделирование процессов стыковки и сборки сложных элементов орбитальных станций.

Использование существующих подходов далеко не всегда позволяет решать подобные задачи управления сложными техническими системами за приемлемое время. Актуальным на сегодняшний день является создание и применение новых подходов к управлению такими системами.

Применение автономных систем управления наиболее актуально в областях, где они в ближайшее время могут оказаться незаменимыми при проведении сложных операций, сопряженных с высоким риском, например, при создании и эксплуатации больших космических орбитальных станций, проведении планетных экспедиций и т.п.

Новые подходы к управлению могут быть получены с использованием методов технологии "виртуальная реальность" [17, 18]. Рассмотрим подробнее основное понятие, присущее системам моделирования, а именно, понятие «виртуальная среда» (ВиС). В виртуальную среду помещены модель наблюдаемой среды и модели находящихся в ней объектов.

Виртуальная среда может существовать независимо от существования реальной среды - в этом случае будем называть ее автономной (АВиС).

К этому классу относятся разнообразные тренажерные системы, предназначенные, как правило, для обучения навыкам вождения, управления летательными аппаратами и т.п. [14]. Существует большое количество систем имитационного моделирования для изучения поведения так называемых « больших систем» из областей экономики, экологии, а также военных областей [8, 13]. Кроме того, к системам с автономной ВиС можно отнести и средства для создания виртуальных миров [16].

В рамках данной работы больший интерес представляют системы, в которых виртуальная и реальная среды функционируют параллельно. В случае, если виртуальная среда воссоздается на основе информации, поступающей из реальной системы, будем называть ее индуцированной (ИВиС, [4]).

К классу систем с индуцированной ВиС относятся медицинские системы, позволяющие с помощью специальных инструментов наблюдать за состоянием внутренних органов без оперативного вмешательства [19]. К этому классу относится большинство систем телеприсутствия. Они делятся на системы удаленного присутствия, в которых виртуальная среда отражает состояние удаленных объектов, например, роботов, работающих в опасных для человеческой жизни условиях [7, 17], и системы телеобщения, в которых человек тем или иным образом представлен в виртуальном пространстве и может взаимодействовать с искусственными агентами или личностями [18]. Упомянем также о сравнительно недавно появившихся системах виртуальных музеев и библиотек [18].

Наблюдается следующая картина использования существующих систем моделирования. В подавляющем большинстве случаев цели, поставленные перед системами, состоят в реалистичном воспроизведении состояния объектов моделирования и достигаются за счет высокопроизводительной подсистемы отображения, позволяющей тем или иным способом осуществить погружение наблюдателя в виртуальный мир [7] и / или визуализировать информацию, поступающую от подсистемы наблюдения за удаленными объектами. То есть основой большинства систем является система отображения, предназначенная для создания визуальных, звуковых, тактильных, гравитационных эффектов.

Однако индуцированные виртуальные среды могут быть использованы не только как средство отображения состояния объектов, но и как основа при создании систем автономного управления этими объектами. В таких системах поток информации является двунаправленным: из управляемой системы в систему управления поступает информация о текущем состоянии объектов, а система управления на основе анализа состояния моделей объектов генерирует и передает команды управляемой системе.

Задачей данной работы является исследование возможностей использования индуцированной виртуальной среды в системах управления с обратной связью. В традиционной трактовке теории автоматического управления источник обратной связи берется из управляемой системы, а значит, необходимо

1. Индуцированная виртуальная среда - носитель обратной связи.

Рассмотрим определение понятия обратной связи в классической теории систем автоматического управления (САУ) [9]. В простейшем случае САУ состоит из объекта управления О и управляющего устройства УУ (см. рис. 1).

Рис. 1. Обратная связь в САУ.

Состояние объекта характеризуется вектором Y, а на вход управляющего устройства подается задающее воздействие G, содержащее информацию об управляемом воздействии U. Кроме того, к объекту приложено возмущающее воздействие F. Выходная величина Y, подаваемая на вход управляющего устройства и является сигналом обратной связи. Таким образом, в традиционной трактовке носителем обратной связи всегда является объект управления. Другими словами, сигнал обратной связи извлекается из физического пространства.

Покажем, что индуцированная виртуальная среда сама по себе может являться носителем обратной связи. Для обеспечения такой возможности в системе моделирования используются два различных пространства - наблюдения и анализа. Первое пространство - физическое, второе - виртуальное. Внутри физического пространства расположены маркеры, за которыми осуществляется непосредственное наблюдение (регистрируются их координаты). Внутри виртуального пространства реконструируется состояние виртуальных объектов. Такая реконструкция осуществляется на основе априорных данных о поверхностях (Эй-моделях) и оперативной информации о координатах маркеров. Таким образом внутри виртуальной среды может быть получена исчерпывающая информация о координатах вершин полигональных моделей объектов.

На рис.2 сравниваются две парадигмы управления с обратной связью - в классической постановке и с использованием ИВиС.

выполнять слежение за всеми объектами управления. В случае использования индуцированной виртуальной среды, при определенных условиях, сигнал обратной связи может быть извлечен из нее. Таким образом, для получения сигнала обратной связи отпадает необходимость слежения за всеми объектами управляемой системы, что дает возможность получить принципиально новые подходы к управлению объектами.

Отметим, что в данной работе мы не рассматриваем традиционные аспекты систем моделирования, связанные с отображением. Работа посвящена, прежде всего, исследованию новых направлений использования систем моделирования, в первую очередь, при создании систем управления объектами.

Следует отметить, что на сегодняшний день автору неизвестны отечественные или зарубежные публикации, посвященные проблемам управления в системах реального времени с использованием индуцированной виртуальной среды.