Интеллектуальная система управления программой полетов и грузопотока Международной космической станции

Сотрудничество с ОАО «РКК «Энергия» началось в 2010 году с разработки интеллектуальной системы Smart Aerospace для управления программой полетов и грузопотока Международной комической станции.

ОАО «РКК «Энергия» — ведущее российское ракетно-космическое предприятие, головная организация по пилотируемым космическим системам. Ведёт работы по созданию автоматических космических и ракетных систем (средств выведения и межорбитальной транспортировки), высокотехнологичных систем различного назначения для использования в некосмических сферах.

Проблема

Международная Космическая Станция (МКС) — это один из сложнейших проектов за всю историю человечества, в реализации которого участвуют большие коллективы ученых и инженеров из России, США и ряда других стран.

Одна из важнейших задач жизнеобеспечения работы МКС – это управление грузопотоком по доставке важнейших грузов на станцию, таких как воздух и вода, топливо, продукты питания и оборудование для научных экспериментов, а также возврата результатов экспериментов и других грузов обратно на Землю.

Для планирования грузопотока требуется учитывать множество разных по своей природе факторов, критериев принятия решений, ограничений и предпочтений, включая состояние склада и ресурсы приборов на станции, изменяющиеся потребности в топливе, воде и продовольствии, особенности баллистики в движении станции и солнечную активность, типы кораблей и стыковочных модулей и другие.

Характеристики сложности задачи:

к станции ежегодно стыкуются свыше десятка грузовых и пилотируемых кораблей различных типов;
главным приоритетом является безопасность жизнедеятельности экипажа космического корабля;
в первую очередь необходимо своевременно обеспечивать экипаж (состав которого регулярно меняется) запасами воздуха и воды, продовольствия и топлива и др.;
при этом также важно вовремя доставлять на космическую станцию лабораторное оборудование, различные материалы и инструменты для осуществления полезной деятельности космонавтов;
для планирования грузопотока требуется учитывать особенности полетов кораблей, времен стартов, стыковок и отстыковок и сотни других параметров;
доставляемые грузы исчисляются тысячами наименований и десятками тысяч отдельных единиц продуктов и материалов;
требуется постоянно отслеживать положение и статус имеющихся на борту ресурсов (запасов), состояние которых может быть загружено из бортовой системы IMS;
в случае аварий и задержек стартов кораблей требуется перепланирование с учетом пропущенного цикла доставки;
требуется отслеживать грузы с истекающим сроком годности для их утилизации и высвобождения пространства под размещение грузов очередной поставки;
планы доставки грузов должны быть согласованы с программой научных экспериментов на борту станции;
обслуживание МКС осуществляется в условиях жестких ограничений пространства, веса и времени и т.д.

Особенности процесса планирования:

планируется работа Россиийского сегмента МКС (РС МКС), но необходимо учитывать планы еще трех других космических агентств из разных стран;
имеются как стратегические планы на несколько лет, так и годовые и полугодовые тактические планы – вплоть до оперативных посуточных планов;
процессом планирования РС МКС управляет 8 главных диспетчеров (проектантов) и до 150 поставщиков (кураторов) грузов;
часто обнаруживаются конфликты между грузами различных приоритетов и т.д.

При этом любое важное событие, например, изменение дат запусков, стыковок или отстыковок кораблей, потеря грузового корабля, изменение состава экипажа или внеплановые работы на борту станции, ведет к цепочке перепланирования многих других связанных работ, ресурсы для которых должны быть пересчитаны.

В частности, появление космического мусора на орбите (к примеру, из-за внезапного отказа запущенного спутника и т.д.), вызывает необходимость в маневре станции и корректировке ее орбиты, что требует включения двигателей и затрат топлива, что в свою очередь приводит к необходимости в следующий старт привезти на станцию больше топлива, для чего надо какие-то грузы перепланировать на следующий полет и т.д.

Грузоподъемность космических кораблей ограничена, поэтому, если неожиданно возникает потребность в дополнительном грузе, то объемы топлива или воды, а также объемы и массы других грузов приходится уменьшать, согласованно меняя планы отправки грузов на последующих кораблях.

Работа по планированию грузопотока МКС до недавнего времени выполнялась вручную проектантами и кураторами грузов, которым для получения рабочего плана приходилось вместе производить много итераций и постоянно взаимодействовать для выработки и согласования компромиссных решений.

Основная сложность планирования заключается во взаимозависимости всех этих планов и принимаемых решений, что требует смыслового согласования и точной координации действий с учетом всех перечисленных факторов.

Решение

Для повышения эффективности управления грузопотоком МКС была разработана интеллектуальная система Smart Aerospace для управления программой полетов и грузопотока, в которой процесс планирования программы полетов, формирования грузопотока и расчетов ресурсов для МКС строится в несколько взаимосвязанных этапов с различными горизонтами планирования.

На первом этапе в Smart Aerospace создается стратегическая модель грузопотока, которая помогает рассчитывать количество необходимых транспортных полетов в год на основе количества ожидаемых экспедиций и их ожидаемого численного состава. На этом этапе необходимо достичь соглашения между всеми заинтересованными сторонами по количеству и времени стыковок и расстыковок космических кораблей с модулями МКС, принимая во внимание сроки возможных пусков космических кораблей, солнечную активность, конфигурацию и ожидаемое расположение МКС, требования космического экипажа и т.д. На данном этапе разрабатываются и изучаются несколько версий программы полетов, прежде чем окончательный план будет принят руководством предприятия и программой космических исследований.

Далее начинается интерактивная разработка программы грузопотока, предполагающая многочисленные итерации для согласования конфликтных интересов проектантов и кураторов. На этом этапе объемы грузов распределяются между грузовыми космическими полетами и пилотируемыми полетами на основании данных о среднем дневном потреблении ресурсов экипажем и системами станции. Информация о количестве космонавтов и о датах запусков и стыковок берется из утвержденной программы полетов. Поставки топлива рассчитываются на основе данных о планируемых баллистиками корректировках положения МКС и о ее текущем состоянии, что также важно для расчетов стыковки и планирования внешнекорабельной деятельности для проведения космических экспериментов и ряда других космических операций.

Далее план грузопотока используется, чтобы выстроить план утилизации и возврата грузов с МКС на Землю, как через грузовые затапливаемые в мировом океане корабли, так и пилотируемые корабли, возвращающие на Землю результаты экспериментов и т.п.

Интеграция с системой управления запасами на МКС позволяет обновлять расписания в соответствии с фактическими данными в ежедневном режиме и инициировать перепланирование в реальном времени.

Виртуальный Мир каждого планировщика построен на основе концепции сетей потребностей и возможностей и имеет ряд специализированных агентов.

Например, в планировщике программы полетов есть Агенты космического корабля, Агенты экспедиции и Агенты космонавтов, в то время как в планировщике грузопотока есть Агенты груза и Агенты полета. Некоторые классы агентов могут существовать в двух или более виртуальных мирах, имея разную функциональность, но обеспечивая сопряжение и взаимодействие между планировщиками.

Если из-за задержки подготовки корабля начало полета откладывается, агент этого полета, присутствующий в Виртуальном Мире программы полетов, поменяет свой план, т.е. даты запуска, стыковки и расстыковки. А так как он задействован как в программе полетов, так и в грузопотоке, то его сообщение об изменениях в плане предупредит Агентов грузов в Планировщике грузопотока о задержке их полета и даст им возможность успеть «перепрыгнуть» на другой полет, если это требуется. И наоборот, если объем некоторых грузов уменьшается, то коэффициент загрузки полета может стать слишком низким, что будет тотчас же отражено ростом неудовлетворенности Агента полета.

Этот агент будет пытаться сдвинуть свой полет на более позднее время в программе полетов, чтобы стать более эффективным и привлекательным для других Агентов грузов.

Результаты

Система была разработана в 2010-2012 гг. и внедрена сначала в опытную, а затем и в промышленную эксплуатацию в 2013 году.

В целом, по результатам использования системы в 2010 – 2014 годах можно сделать следующие основные выводы и дать первые оценки эффективности внедрения системы:

существенно уменьшено (на практике сведено почти к нулю) число ошибок в выпускаемой документации по грузопотоку РС МКС;
стало возможным вести постоянный мониторинг и контроль за излишним или недостающим оборудованием и ресурсами на борту станции;
время создания грузопотока РС МКС снизилось со 176 — до 8 часов, а время, затрачиваемое на процесс согласования – в среднем с 264 до 88 часов;
теперь сотни извещений об изменениях в год формируются автоматически, а ранее каждое составлялось не менее 1-2 часа;
экономия времени на автоматической актуализации грузопотока для поддержания полного соответствия с фактом составила до 200 часов в год;
адаптивное перепланирование грузопотока (например, при угрозе потери грузового корабля) выполняется за 8 часов, а ранее требовался как минимум 1 месяц;
экономия времени на формировании резервных программ полёта на случай аварийных ситуаций – 320 часов в год;
общее время составления плана размещения грузов для одного корабля снизилось с 264 до 128 часов;
суммарная экономия при планировании грузопотока — 544 часа в год для ТГК «Прогресс» и 320 часов для ТПК «Союз»;
автоматическая проверка списков утилизируемых грузов от ЦУП на дубликаты экономит около 312 часов в год;
экономия времени при расчётах балансов продовольствия, воды, топлива и времени экипажа – от 10% до 15% по каждому модулю, что в общей сложности составляет около 270 часов в год.

Важно отметить, что уже с первых шагов разработанная система предоставила заказчику возможность разработки и сравнения нескольких вариантов программы полетов и грузопотока, в том числе отражающих стратегии возможных реакций на непредвиденные события, как например, потеря корабля Прогресс в 2012 году.

По итогам внедрения было получено рекомендательное письмо от ОАО «РКК «Энергия».