Развитие комплексов бортового оборудования как предпосылка к интеллектуализации.
Компания «Сухой» на самолетах Су-35, Су-57 и в дальнейшем на беспилотном летательном аппарате С-70Б разработала принципы и успешно внедрила интегрированную архитектуру комплексов бортового оборудования с центральной информационно-управляющей системой. Накопленный опыт позволил перейти к разработке бортовых комплексов на принципах сетевой архитектуры. Это открыло возможность перехода на новый качественный уровень решения функциональных задач и интеллектуализации авиационных комплексов.
Рубеж 1990–2000-х годов. По мере развития боевых авиационных комплексов четвертого поколения их разработчики в ОКБ Сухого стали четко понимать, что дальнейшее повышение боевых свойств и многофункциональности авиационных комплексов требуют поиска новых подходов к определению их облика, облика бортовой авионики, методов проектирования. Можно было идти по эволюционному пути – повышать летно-технические характеристики самолетов, наращивать тактико-технические характеристики бортовых систем, авиационных средств поражения, то есть следовать принципу «выше, быстрее, дальше». Но был и иной подход – принятие эффективных и адаптивных к текущей ситуации решений по управлению авиационным комплексом и его комплексом бортового оборудования (КБО) при выполнении поставленной задачи за счет всесторонней оценки и прогнозирования ситуации, а также реализации групповых действий. Такой подход может быть реализован только на основе интеллектуализации авиационного комплекса за счет введения новых функциональных задач КБО и решения их более совершенными методами.
Что такое интеллектуализация авиационных комплексов? Заменит ли искусственный интеллект на самолете пилота? В чем разница опционально-пилотируемых и полностью беспилотных летательных аппаратов? Какие технологии обеспечивают интеллектуализацию? Какие тенденции по взаимодействию самолетов в группах? Об этом и многом другом мы поговорили с заместителем главного конструктора информационно-управляющих систем (ИУС) ОКБ Сухого – начальником научно-исследовательского отделения (НИО) проектирования комплексов бортового оборудования Александром Дибиным и начальником бригады интеллектуализации комплексов бортового оборудования Евгением Вахрушевым.
История и этапы
Насколько сильно изменился интеллект современного боевого самолета по сравнению с предшественниками? Что это дает для его применения?
Александр Дибин (А.Д.): – Интеллектуализация авиационных комплексов исторически реализовывалась в ОКБ Сухого прежде всего на пилотируемых самолетах. Но именно при разработке самолета Су-57 впервые были детализированы задачи интеллектуальной поддержки экипажа, хотя ее элементы уже присутствовали на самолетах предыдущих поколений.
Она включала в себя группы задач, которые необходимо было автоматически решать на всех этапах полета, особенно – на этапах применения на фоне динамически меняющейся обстановки. Интеллектуальная поддержка заключается в выдаче летчику необходимых рекомендаций по применению авиационных средств поражения, при групповых действиях, преодолении системы ПВО и обороне самолета. Она также обеспечивает автоматическое управление режимами бортовых систем с реконфигурацией комплекса при отказах отдельных его элементов. На Су-57 под руководством главных конструкторов самолета Александра Давиденко и Михаила Стрельца впервые была решена сложнейшая задача – реализована комплексная гипотезная обработка информации, поступающей от всех бортовых обзорно-прицельных систем собственно самолета и от взаимодействующих с ним самолетов и пунктов управления по каналам радиосвязи, что обеспечивало новый уровень ситуационной осведомленности летчика о внешней тактической обстановке.
Часть из этих задач интеллектуальной поддержки экипажа решались и ранее на самолетах предыдущих поколений. Но многие задачи являются принципиально новыми. Для своей реализации они потребовали применения новых методов решений и технологий, что, в свою очередь, позволило обеспечить многофункциональность самолета с одним членом экипажа.
Если уровень интеллектуализации пилотируемых самолетов оценивать количеством функциональных задач КБО по автоматизации, информированию и выдаче рекомендаций летчику в полете, то он увеличивался вместе с развитием поколений самолетов и связанным с ним развитием КБО и их бортовых вычислительных средств. Исходя из этих оценок, уровень интеллектуализации Су-57 по сравнению с предшественниками увеличился в несколько раз.
Беспилотники и опциональники
Уже давно не секрет, что компания «Сухой» ведет работы по разработке беспилотника. Как в нем обстоят дела с интеллектуализацией?
А.Д.: – Да, полученный опыт при создании пилотируемых авиационных комплексов позволил нам перейти к созданию научно-технического задела по интеллектуализации беспилотных летательных аппаратов. Для аппаратов такого класса главной задачей является реализация выполнения полетного задания с минимальным участием оператора, а также при полном отсутствии возможности его участия в процессе полета. Условия выполнения полета боевого БЛА сопряжены с различными оперативно возникающими ситуациями: изменениями внешних условий, противодействием противника, необходимостью временной и пространственной корректировки траектории. Кроме того, должны быть предусмотрены алгоритмы действий при отказах бортовых систем БЛА, в том числе в результате воздействия противника. Эти и многие другие факторы должны быть учтены и реализованы в бортовом программном обеспечении.
С учетом сложности и новизны решаемых задач в ОКБ Сухого под руководством главного конструктора самолета Сергея Бибикова был сформирован коллектив высококвалифицированных специалистов, который плотно работает над поэтапным внедрением функций интеллектуализации в рамках текущих и перспективных проектов.
Последнее десятилетие в мире идет обсуждение необходимости создания не только беспилотных комплексов, но и опционально пилотируемых. В чем преимущества вторых?
А.Д.: – Необходимость повышения возможностей по применению, а также, особо хочу подчеркнуть, безопасности полетов приводит нас к необходимости реализации на борту пилотируемого самолета функций, которые присущи беспилотному летательному аппарату. Во-первых, это обеспечение возможности использования авиационного комплекса при дефиците летного состава. Во-вторых, это повышение безопасности полетов при потере функционирования летчика в полете по различным причинам.
Опционально пилотируемый самолет позволяет сочетать в себе возможности беспилотного летательного аппарата и пилотируемого самолета. Практически кабина самолета остается на месте, дорабатывается программное обеспечение. В итоге опционально пилотируемый самолет может выполнить полет в варианте беспилотного, решить задачи под управлением наземного пункта управления или сопровождающего пилотируемого самолета и вернуться на базу.
Новые задачи
Вы говорили, что многие задачи авиационных комплексов являются принципиально новыми. Какие, например?
А.Д.: – В настоящее время мы направляем свои усилия на поиск решений по интеллектуализации процессов применения и автоматизации КБО авиационных комплексов на новом уровне. Они включают, например, задачи распознавания и прогнозирования различных тактических ситуаций, возникающих в полете, определения рациональных способов боевого применения, в том числе и в группе, с дальнейшей выдачей экипажу необходимых рекомендаций, которые он может принять или отказаться. Кроме того, предусматривается прогнозирование возможностей противника в текущей ситуации.
Ну и конечно, отдельно следует выделить направление интеллектуализации групповых действий пилотируемых и беспилотных авиационных комплексов для их совместного применения.
Групповое взаимодействие – как это все будет выглядеть с точки зрения задачи интеллектуализации?
А.Д.: – Разрабатываемые методы взаимодействия пилотируемых и беспилотных летальных аппаратов предусматривают различные варианты распределения ролей в группе, расширяющие взаимные боевые возможности для достижения синергетического эффекта при решении общей задачи. Кроме того, обеспечивается боевая живучесть пилотируемых самолетов.
Решение подобных задач при групповых действиях предусматривает интеллектуальный информационный обмен, реализацию согласованных траекторий движения с обеспечением траекторной безопасности в различных построениях групп при решении совместных задач полета.
Изменение роли
Для реализации интеллектуальных технологий на перспективных летательных аппаратах нужен ведь высокий научно-технический задел и технологическая готовность?
А.Д.: – Для того чтобы реализовывать интеллектуализацию, действительно необходимо иметь очень хорошую технологическую готовность к внедрению этих технологий. Ведь ее основной смысл для пилотируемого авиационного комплекса – помощь летчику, практически до замещения его функций, а для беспилотного – полностью автоматический полет. А это значит, вопросы отказобезопасности здесь выходят на первый план.
Мы работаем по жестким технологическим стандартам, начиная с формирования требований верхнего уровня и заканчивая требованиями к отдельным системам. Работает система прослеживания требований, от самолета в целом до строчки программного кода. Вся документация конфигурируется в соответствующих репозиториях.
Программное обеспечение, разрабатываемое непосредственно на «Сухом» и в кооперации предприятий, соответствует международным стандартам разработки программного обеспечения для систем ответственного применения. Они предусматривают детальное тестирование на всех возможных этапах разработки, для чего на предприятии создана мощная испытательная база с различными стендами, которые имеют соответствующие аттестаты.
Сколько времени потребовалось компании «Сухой», чтобы выйти на такую высокую технологическую базу?
А.Д.: – Очень важным моментом стал рубеж 2000-х годов, когда на предприятии было принято стратегическое решение по изменению роли головного разработчика самолета в создании и интеграции КБО.
Ранее для самолетов четвертого поколения, например Су-27, Су-34, Су-30СМ, комплекс бортового оборудования разрабатывался и интегрировался сторонними организациями. Они всё делали «под ключ», включая написание математического, алгоритмического и программного обеспечения, и поставляли готовые бортовые комплексы или системы. Для самолетов этого поколения характерна федеративная архитектура построения КБО, при которой для обеспечения решения отдельных функциональных задач предусматривалось специализированное оборудование с собственными вычислительными средствами, а также зачастую собственными средствами индикации и органами управления в кабине. Это требовало значительных усилий по их интеграции в единый КБО самолета и ограничивало возможности по внедрению комплексных режимов и в целом интеллектуализацию авиационного комплекса.
Новые требования к перспективным авиационным комплексам, необходимость их высокой интеллектуализации, снижения рисков при их создании привели к тому, что, начиная с самолета Су-35, ОКБ Сухого само стало интегратором КБО. Это уникальная функция, заключающаяся в определении структурного и функционального облика КБО, выборе архитектуры построения, интерфейсов взаимодействия, разработке и интеграции программного обеспечения с дальнейшим проведением работ по увязке всех бортовых систем в единое целое непосредственно в ОКБ Сухого. Помимо очевидных организационных и финансовых преимуществ, это позволило развивать соответствующие технические компетенции и организовывать работу в ОКБ Сухого по современным стандартам разработки.
Для самолетов Су-35 и Су-57 бортовой комплекс строился на принципах интегрированной архитектуры с центральной ИУС, разрабатываемой также в ОКБ Сухого. В ИУС программным образом реализуются все алгоритмы решения задач, а необходимая летчику информация выводится на едином информационно-управляющем поле кабины в объеме, достаточном для решения текущих задач или этапов полета. Реализация такой архитектуры КБО обеспечила более широкие возможности по интеллектуализации и внедрению сложных ресурсоемких алгоритмов за счет обеспечения единого управления и организации работ при интеграции КБО, внедрения необходимого программного обеспечения и его последующей отработки, а также существенно снизила риски создания авиационного комплекса в целом за счет лучшей управляемости и оптимального выбора соисполнителей.
Суперкомпьютер на борту
Получается, что теперь все программное обеспечение на самолете в единой вычислительной системе БЦВМ? Как тогда этот компьютер справляется со всеми задачами?
А.Д.: – В настоящее время на борту Су-57 установлены новейшие высокопроизводительные БЦВМ с многоядерными процессорами, построенные по идеологии интегрированной модульной авионики боевых комплексов. При распространении данной технологии на все бортовые системы с определенными правилами реконфигурации и адаптивного распределения ресурсов мы способны реализовать высоконадежный интеллектуальный сетевой борт.
Фактически создается новая архитектура КБО – сетевая, как очередной эволюционный этап развития КБО авиационных комплексов. Визуально это можно представить, как будто централизованная вычислительная часть ИУС распространится, растворится по всему КБО и образует единую вычислительную сеть.
Такой подход к построению сетевой структуры на базе унифицированных модулей и единых интерфейсов информационного обмена между системами позволит по максимуму использовать вычислительные возможности всего КБО, что важно для реализации интеллектуальных технологий, и обеспечить высокий уровень резервирования и надежности системы в целом, что особенно важно для беспилотных летательных аппаратов.
Кто отвечает за программное обеспечение?
А.Д.: – За интеграцию всего программного обеспечения, включая системную математику и функциональное программное обеспечение отдельных задач и режимов, также отвечает «Сухой». Это обеспечивается в том числе на базе единых стандартов разработки и за счет защищенной операционной системы реального времени собственной разработки «БагрОС-4000». Что касается функциональной математики, то здесь предусмотрено участие кооперации предприятий с учетом их компетенций.
Таким образом, полученные при интеграции КБО опыт, наработки и технологический задел в ОКБ Сухого позволили перейти на новый качественный уровень создания авиационных комплексов и реализовывать интеллектуализацию авиационных комплексов с достаточным уровнем технологической готовности.
Все может интеллект
Давайте вернемся непосредственно к интеллекту. Что такое в вашем понимании искусственный интеллект и интеллектуализация, каковы их составляющие?
Евгений Вахрушев (Е.В.): – Сейчас много и активно говорят об интеллектуализации и искусственном интеллекте как в авиационной технике, так и в других отраслях. Иногда ставят их на один уровень. Касаясь именно интеллектуализации авиационных комплексов, можно выделить три главные составляющие данного процесса.
Во-первых – это введение нового функционала, опций, новых функциональных задач КБО. Казалось бы, многое уже на самолете сделано и этого достаточно для выполнения полета и решения боевых задач. Тем не менее для повышения боевых свойств самолета, снижения интеллектуальной и информационной нагрузки на летчика при выполнении операций контроля и управления, предоставления ему дополнительных инструментов информирования, оценки и прогнозирования ситуаций, а также обеспечения конкурентной привлекательности разрабатываемых самолетов требуется введение новых функций. Например, для беспилотных летательных аппаратов интеллектуализация предусматривает не просто обеспечение автоматизации при отработке заданного полетного задания, но и обеспечение выполнения тех задач, которые ранее могли выполняться только летчиком.
Во-вторых – это применение нового, более совершенного математического аппарата. Алгоритмы совершенствуются, для новых задач разрабатываются новые методы их решения и алгоритмы. Ранее, имея определенные ограничения по ресурсам бортовых вычислительных средств, могли применяться несколько упрощенные математические модели, накладывались ограничения, вводились допущения. В настоящее время новые бортовые вычислители позволяют снять эти ограничения и внедрить более сложные и ресурсоемкие алгоритмы.
В-третьих – это обеспечение гибкости и адаптивности автоматического принятия решений и управления к текущей ситуации, визуально, например, для беспилотного летательного аппарата характеризуемых некой осмысленностью его действий, а для пилотируемого самолета – своевременной и адекватной выдачей летчику необходимых рекомендаций по управлению полетом и решением задач. Это достигается за счет учета дополнительного множества внешних и внутренних входных данных и введения условий с описанием линии поведения.
Что касается искусственного интеллекта, это все-таки широкое понятие, о котором можно долго говорить, спорить. Поэтому мы рекомендуем аккуратно применять терминологию в этой области и использовать понятие «технологии искусственного интеллекта». Прежде всего для того, чтобы четко понимать возможности новых технологий и собственные возможности, правдиво представлять разработанные решения, соответствующие реальному научному и технологическому уровню. К подобным технологиям можно отнести нейросетевые технологии, экспертные системы, нечеткую логику и др.
Наш подход к интеллектуализации авиационных комплексов состоит в том, что необходимо обоснованно подходить к выбору технологий решения функциональных задач КБО. Так, ряд задач КБО может быть успешно решен «традиционными методами» математики, например, на основе детерминированных алгоритмов с однозначным набором значений входных данных и соответствующими им однозначными выходными значениями, различными оптимизационными методами и т.п. Тогда зачем ломать копья? В то же время ряд новых задач может быть решен только с помощью технологий искусственного интеллекта.
Тогда чем обусловлена необходимость применения технологий искусственного интеллекта?
Е.В.: – Прежде всего требованиями решения нового класса функциональных задач КБО. Особенность этих задач состоит в том, что они должны решаться при некоторой неопределенности входных данных, которые описывают текущую ситуацию (внешнюю тактическую, навигационную и внутреннюю техническую), при наличии случайных воздействий внешних факторов среды. Кроме того, это те задачи, характер которых напрямую не позволяет или делает очень сложным процесс формализации и описания входных данных, участвующих объектов и самого метода решения задачи.
Конечно, наиболее известная задача – это распознавание объектов, решение которой сейчас успешно обеспечивается нейросетевыми технологиями. Но применительно к авиационным комплексам это всего лишь одна из многих задач интеллектуализации и уже не является показательной. Актуальными становятся задачи принятия решений о способах применения и решения задач самолета на основании оценки внешней и внутренней обстановки, в том числе результатов распознавания. Фактически это те задачи, которые решает летчик в полете на основе своих знаний и опыта. Их реализация позволит нам полноценно подойти к созданию беспилотных или опционально управляемых летательных аппаратов, действующих с высоким уровнем автономности самостоятельно или в группе, в том числе с пилотируемыми самолетами.
Очевидно, что при создании таких систем в силу слабой формализуемости процессов нам необходимо первоначально использовать опыт и знания человека, летчика в той или иной области. Поэтому при их разработке мы привлекаем экспертов в данной области.
Иерархия задач
Какие задачи вы предлагаете разделять на решаемые традиционными методами или технологиями искусственного интеллекта?
Е.В.: – Прежде чем говорить о применении различных технологий для решения, необходимо выполнить декомпозицию и разделение всех функциональных задач КБО. По мере развития поколений самолетов количество функциональных задач КБО увеличивается, задачи могут быть взаимосвязаны или вложены в друг друга. Появляется некая иерархия задач, в процессе создания КБО требующая дисциплины и строгости отслеживания их реализации, например, применением системы управления требованиями.
Все функциональные задачи КБО могут быть распределены по трем иерархическим уровням задач. Верхний уровень – стратегический: это задачи выбора цели-смысла существования объекта – взлетать или нет, выполнять целевую задачу авиационного комплекса или нет и т.п. Средний уровень – тактический: на нем решаются задачи выбора способа-пути достижения цели-смысла существования объекта, то есть выбор траектории полета, управление режимами бортовых систем и т.п. И, наконец, нижний, он же исполнительный, информационный уровень: это задачи исполнения выбранных способов, комплексная обработка информации, информирование летчика.
В настоящее время на авиационной технике широко автоматизирован нижний исполнительный уровень задач. Следует честно признаться, что наблюдаемое и декларируемое сейчас применение технологий искусственного интеллекта касается именно нижнего исполнительного уровня (например, широко разрекламированное распознавание объектов). Решение задач выбора способа достижения цели, и особенно необходимости достижения цели, в основном не автоматизируется и выполняется человеком. Поэтому мы работаем над тем, чтобы распространить применение технологий искусственного интеллекта на задачи среднего и даже верхнего уровней, что позволит создать реально автономные и интеллектуальные беспилотные или опционально управляемые летательные аппараты длительного автономного полета, где необходимо принимать решения при отсутствии связи с оператором управления, находящегося на земле, или прямо делегировать ряд операций от оператора непосредственно на борт.
Очевидно, что работы по интеллектуализации и применению технологий искусственного интеллекта на авиационной технике, помимо проведения работ по текущим проектам, требуют повседневного участия в формировании научно-технического задела.
Пересадить ИИ на борт
Как идет работа по формированию научно-технического задела по разработке и внедрению технологий искусственного интеллекта на авиационных комплексах?
Е.В.: – В силу актуальности ряда задач для разрабатываемых авиационных комплексов мы уже решаем их самостоятельно. Но взгляд в будущее говорит о том, что количество и сложность задач будет только возрастать. Поэтому нам необходимо готовиться к будущим перспективным проектам и самостоятельно формировать научно-технический задел, в том числе в рамках научно-исследовательских работ, имеющих фундаментальный и прикладной характер. На сегодня у нас задача – определить научно-обоснованный подход по внедрению технологий искусственного интеллекта и параллельно проработать ряд практических решений по их использованию.
Сложность затрагиваемых вопросов и решаемых проблем обусловливает широкое участие научно-исследовательского и научно-промышленного комплексов России. Мы проводим системный анализ всех задач, определяем задачи, которые будем решать с помощью технологий искусственного интеллекта. В дальнейшем мы приступим к ее реализации и отработке на стендах. Фактически, мы планируем получить некий прототип функциональной бортовой системы, в которой технологии искусственного интеллекта будут занимать главенствующее место. Поэтому и задачи она будет решать самые сложные, самые неформализованные.
Как всегда, хочется закончить ближайшими перспективами, среднесрочными форсайтами. Потому что очень далекое будущее – это больше к писателям-фантастам, ближайшее будущее же определено нормативными документами, оно понятно. А вот среднесрочные перспективы – самое интересное. Каковы прогнозы?
А.Д.: – В среднесрочной перспективе мы видим синтез авиационной системы, которая обеспечивает совместное решение задач различными пилотируемыми и беспилотными летательными аппаратами при взаимодействии с наземными средствами. Получается некая интеллектуальная сетецентрическая система. Интеллектуальные пилотируемые самолеты, интеллектуальные беспилотники и их интеллектуальное взаимодействие обеспечат высокое качество решения возложенных на них задач.
Ну и конечно, это автоматизация всех этапов полета авиационных комплексов – от руления по аэродрому перед взлетом, и до посадки, обеспечивающих их полную автономность. Это потребует решения новых задач, к которым мы готовы.
