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1、人工智能在空间站系统管理中的应用概述*作者:J.F.S Pitz e r等摘要:将人工智能应用于空间站系统管理的一个中心问题是空间站系统 设计特 性的获取与表示。人类可以从形形色色甚至是不完整的设计材料中得 到一 个非形式化 系统(如:说明、图示、故障处理过程),而Al辅助系统(诸如:专家系统和 机器 人)却要求设 计文件信.息的表达要结构化。在空间站自动化系统中使 用设计文件的方 法正在研 究之中,例如:适当的CA D绘图文件就 包含了专家系统和 机器人系统所使用的信.息。空间站由一些 大规模自动化系统相 互有关 的网络组成(电力、热 源、制导、导 航、通 讯与跟踪)。宇航员要 求讨这些系统
2、 的操作界面一目了然,同时需要了解这些系统 进行集中化管理的中心控制 点。MIT RE正在帮助 约翰逊航天中心探 索人工 智能在集成化系统 管理(I SM) 中的应 用。I SM的子功能 包 括:集成化状态 评估(I SA)、日标管理(OM)、规划 支特环境 (PS E)和过程解释器(Pl )。I SA的功能 包括:状态评估及操作状况记录,异常现 象识别及报警,事故分析、诊断和空间站能 力评估。由于已衬即将发生或已发生 的错误进行了评估,所以I SA实际上具备了鉴定保存空间站的能力。OM将 在选择满足安全性和飞行任 务目标的综合结构 时使用空间站这种评估能力。OM还将 进一步确定一些预定义的过
3、程,这些过程 时实现目 标结构是必不可少的。Ps E功 能将协调任 务并安排 完 成重新配置所必 备的资源。Pl将帮助宇航员按重新配置后的要 求操纵空间站系统。主题词:人工智能,自动化,空间站,系统管理1.引言1.1背.提高航天飞行中 自动化和机器 人系统的作用是空间站计划 的主要目标。在空间的敌对环境中,永久的载人物体以及有限的宇航员和航天飞机运输能力,要求空间站系统具有高度的自动化水平,尤为关键的是提供操作管理的自动化。术语“操作管理”明确表示了一组内部互相关联的空间站功能,其中包括:规划、故障管理、系统管理、资源管理和系统检验及飞行员训练。操作管理功能要求有一 些不能由空间站各系统有效提
4、供的管理机能。例如:故障管理功能包括:能横向监测机载系统异常情况 的识别及报警,确定正确的重新配置并最后还能执行获得这些 重新配置的过程。操作管理功能是人力极为集中的,为其提供 自动化是人工智.译自AIAA8 7一003 1能应用富有成效的领域。去年MI TRE公司已在空 间站操作管理的研究开发及建立 原型系统方面为约翰逊空间中心提供了帮助,并在可能适当地增加宇航员有限时向和资源等方面应用了A l技术。1.2范围砚_;用于空间站的操作管理现正处于概念定义阶段,图1示出了一个粗略的(且不完整)综合分层图。它包括:所要求的数据/知识,各种处理 和构成空间站操作管理 的各种功 能。本文将集中讨论系统
5、管理功能和故障管理功能。图1操作管理体系结构1.3内容安排理解空间站操作管理的有效方法是将其与航天 飞机操作管理进行比较。本文的内容安排是:第二部分讨论由“航天 飞机模式”到适应 于自动化的空间站体系结构的操作管理的变化与进步之处。为了讨论方便,我们先检查故障系统的性质,并提出了一种检测和校正 的模型,这种模型能识别几个故障系统必须的状态。使用这种故障模型,我们开发了一个集成化系统管理体系结构,在此体系中将把故障管理作为主要部分之 一。第三部分中我们描述一个建模过程,在此过程中我们将用集成论证的方法进 一步开 发体系结构的概念。最后在第四节中探讨在空间站从早期操作方式向成熟操作方 式转变中Al
6、所起的作用。2.0空 间站系统管理2.1航天飞机展望国家空 间运输系 统(这 里 即指“航天飞机”)在很大程度 上是依赖于地面操作管理的支持。按我 们的观点,早期空 间站系统中也应 主要由地 面人 员提供操作管理支持,本文将集中两个操作管理功能:系统管理 和故障管理。图2显示了“航天飞机模式”的操作管理,我们将以此作为进行适合于自动化的空间站操作管理研究 的基准。图2操作管理“航 天飞机模式”如图2所示,报警(C&W)是在航天飞机上使用的一个操作管理功能之 一。为 了执行这一功能,宇航员使用键盘、显示器、电路中断器等与航天飞机系 统进行 交互式 操 作。除C &W以外,图1中显示 的大部分处理
7、过程和几乎所有的数据管理也 均在地 面 进行。为 了使操作管理功能自动化(最终将使此 功能由空 间站自身来完成),必须要理解目前在地面上所应具有的操作功能,完成这些功能所必备的处理 过程 和处理能力以及所要求的数据/知识。理解空间站操作管理功能(故障管理)的第一步是开发一个与航天 飞机处理相同的模型.我们研究了两例航天飞机故障:S T S一2燃料箱故障和STS一9总控计算机故障。与飞行控制人员讨论后,我们开发了图3所示的故障模型。.一一二.一一。?:引O-口甘一11卜.一.-一勺 二犷万护幸一于一一:一一一-二,一二-一未-_1.、l、一r李- - - j_- - - 1日常防 护监侧识别敬
8、感系统监视异故降事件成寮故 常系统障事 件俩离 故障确认安 全配盆里挤配分 安全系统确认安 全系鱿图3故障模型如图3所示,在一个轴上表示了系统由正常到发生故障的五种变化状态,在另一个轴上表示 了某故障发生所引起的相应事件发生 的时间顺序。水平轴的前五个事件相应于图1上名为“集成化状态评估”的OMS处理过程。接下来两 个事件(隔离故障和确定安全 配 置)相应于目标管理(OM)处理过 程。最 后两个事件相 应于OMS过程解释 (Pl )处理。这 三个处理过程如没有适当的图1所示外层数据是不能执行的。例如:没有目标集,目标管理就不能执行,没有系统状态数据和系 统模型,I sA就不能执行。同时 为执行
9、过程,必须将过程解释器存起来,并确定一 些标准过程。图4显示了空间站上这 三种有效的处理过 程是怎样将一个故障管理功能扩展成航天飞机模式的C &WOMS功能的。OMS的其它功能保留在地 面OMS中。对航天飞机来说,机载ISA,目标管理 和过程解释器等并不是必须 的,但它显示了操作能力由地面向机载不断转变的 思想。这一 思想是空间站操作管理体系 的核心。宇跳员接口飞行控侧接口操作 管现遥侧/指令/控材石愉!宇航员指令操作管理一一机载故障管理2.2空 间站配 置空间站计划的目标之 一是对需人完成的复杂任务应 用自动化技术。正如前面指出的,操作管理 即是这类任务中的一种。我们提出了一个空间站操作管理
10、 系统体系结构,为了测试这一体系结构,我们依据航天飞机通常的操作管理功能(故障管理)给出一种将基于地面 的OMS能力转到机载的方法。类似地,图1显 示的操作管理体系的许多其它功能也能随着测试的完成及可靠性的满足而逐渐由地 面操作(目前已应用于航天飞机的功能)转到空 间站上。功能由地面向机载的转换及OMS体系的自动化是我们工作的中心,同时我们也将着重研究宇航员和飞行控制器与机载系统的接口以及单独机载系统的系统管理。我们使用术语“系统管理”是指管理空 间站每一系统(如:电力系统,数据管理 系统等) 所 包含的处理过程。这些处理过程包括:系统评估、闭环控制和故障防范。在空 间站各分系统开发人员建立各
11、自的 系统管理功能过程中,将考虑这 些单独 系统在坐标监视、控制和目标管理 方 面的集成化。我们的目的就 是要使这个集成化系统管理自动化。2.3自动化的目标一娜 一空间站 自动化的指导方针与其它军事计划的指导方针是相似的,其中有些方针是应用于自动化系统的管理方面的。它们 包括:“自动监视任务”、“自动应急设备.、“快速地自 动执行复杂任务”等。由于宇航员飞行时间和飞行控制人员时间是非常珍贵的,所以用于自动化的开发费用是能够得到补偿的。然而,自动化的使用 也给宇航员 的安全和 飞行任务的成功带来了一 些问题,因此必须在装到飞行器前对在地面的自动化做好充分的检验。种种故障诊断技术可用于自动化,这些
12、技术包括:专家系统,机器 人,用 户接口机以及知识的获取、表 示与存贮。让我们扼要考虑一些2.1中提到的航天飞机自动故障管理功能所用到的这方面技术。航天飞机操作管理 的“状 态评估”功能是靠宇航员、地面控制及系统制造商联合实现的。将设计信息进行了分类,在制造商处理额定和非额定系统执行模型时,这些分类的设计信息和各种各样的故障处理过程都存在飞行器上。系统图放在地面。考虑到从“航天 飞机模式”的状态评估到“空间站模式”集成化状态评估的演变,从一定程度上讲,所有故障处理过程和图示都将集中放到一个操作管理数据库中,并使用自动化辅助工具(专家系统)进行理解。系统模型也 应按支撑计算机推理 的方式 实现。
13、在给出一 些合适的条件后,自动化“顾问”能为飞行控制人员和(或)宇航员提供服务。它能评估空间站在系统额定和非额定的性能范围内的能力。假设某一 时刻,一个“评估顾问”查出了某种非正常情况,我们可请另一顾问在“事故防范”功能上提供帮助。在通常的航天飞机方式 下这一功能是对依据确认的故障而重新配置系统所需的动作过程(COA)进行的大量人工选择。这是与人工执行C OA中过程的方式相适应的。在未来空间站方式中将能 自动帮助宇航员选择适当的COA来匹配空间站的能力,我们称此为:“目标管理”(OM)。另外,我们提出了给空间站宇航员在执行所 选COA时将要提供的 自动援助和 过程解释 器,此过程解释器将包含一
14、个由航天飞机模式的完全人工执行过程到将来完全 自动化执行过程的各层次辅助功能频谱。下 一节将讨论一个空间站体系结构。我们相信,这种体系结构能完成上面 的 目标。2.4空 间站系统管理体系结构图5显示了所提出的 空间站系统管理体系结构,它是图l中OMS体系结构(严格说是目标管理、过程解释器、规划、资源管理和一体化状态评估处理过程) 的 功能子集,但它却提供了一 个更高级的集中处理功能,我们称其为“集成化系统管理”(I SM).注意 这个体系结构的分级形式。每一个空间站系统都有一个在集成化系统管理和 实 际系统之间的系统管理应用 (SM)。在I SM依次通过集成化显 示和控制功能与宇航员交互 工作
15、时,单独 系统管理 应 用也与I SM进行交 互处理。I SM的核心是集成化状 态评估(I SA)处理。IS A从每一个空 间站系统接收集中的系统状态信息,依据这些信息记录状态和操 作情况,进行正常的识 别和报告、故障的分析和诊断以及空间站能力评估等工 作。当I SA获取了空间站能力状态后,它将信息 送给目标管理处理。OM确定一个 目标配置以满足安全性和飞行任务目标的要求,并且进 一步确定哪一种预定 义过程必会影响那种目标配置。这些过程制定了称为“动作序列”的规划,这个规划需 要 同使用规划支持环境(PSE)进行处理的 空间站规划集成起来。PS E协调任务并安排包括宇航员、消耗品、电力、数据传
16、输等资源。动作序列一经确定,过程解释(Pl ) 处理 即去执行这些 过程。Pl对系统是闭环的,它可 通过 自动的或人工的执行过程来提供 协调 的指令。这 些概念将在3.0节 关 于早期样机的讨论中深入研究。一帕一宇航员接口二二二操作管理系统巨二二画硬通鱼二PSE解释器 !集成化显示与控创后援OMS集成化 状态评4占集成化 示与控严:酬r. .翌翌生 系统份理遥侧/指令/控翻系统管理自鲍应狗C了图5EP3憧一剪一空间站系 统管理体系 结构3.0集成化论证上 面的体系为自动化和人 工智能技术的应 用提供了机会,但操作管理 方 式马上不会发生根本的变化。没有长时间的试验,新技术也不 可能被接受,因此我们对上 面介绍的这种结构需要试制模型和 论证。试制样机和进行试验在地面环境要比飞行环境下容易。尽管有时情况不是这样( 如它应用的智能软件是十分有效的),但由于早期的I SM操作 能 力 适于地面 环境,所以我们还是选择在地面 环境下建立样机并进行测试。为了完善I SM体系概念,我们正在与飞行控制人员密切合作开发一个包括几个OMS处理的集成化论证模块。目前我们
