НОВОЕ: OS/2 GURU - Вопросы и ответы

TITLE: Тренажеры для профессиональной подготовки космонавтов

Вместо аннотации

"Центр тренажеростроения и подготовки персонала" (ЦТиПП) много лет занимается созданием тренажеров для обучения персонала управлению сложными объектами. Не единственный, но основной заказчик и потребитель наших изделий - Центр подготовки космонавтов. Более семи лет мы применяем в своих разработках операционную систему OS/2. На сегодняшний день она используется как основная инструментальная платформа для создания систем моделирования объектов, а также (в некоторых изделиях) - как конечная платформа пользователя для задач моделирования и графического интерфейса инструктора (преподавателя).

Автор данной статьи является разработчиком программной среды мягкого реального времени, под управлением которой работают прикладные части математического обеспечения тренажеров. Цель статьи - познакомить пользователей OS/2 с опытом ее применения в моделирующих системах.

Введение и терминология

Под тренажерами в узком смысле слова мы понимаем системы подготовки персонала, построенные вокруг физического макета моделируемого объекта. Часто в качестве такого макета используется экземпляр реального объекта, доработанный в тренажных целях. (Для примера на рисунке 1 представлено фото фрагмента комплексного тренажера международной космической станции - макет модуля "Звезда".)

Интерьер макета оснащается полным комплектом оборудования, с которым приходится работать космонавту. Часть этого оборудования - штатные блоки объекта, а часть - тренажные имитаторы, полностью повторяющие габариты, внешний вид, набор органов управления, а иногда и массовые характеристики штатного блока.

Для того чтобы "оживить" оборудование макета и предоставить возможность обучаемому работать с ним так же, как в условиях космического полета, создаются математические модели бортовых систем. Основное назначение модели - имитация логики работы реальной системы. Кроме того, модель выполняет ряд специфических учебных задач, таких как имитация отказов оборудования. Существуют также модели, предназначенные для расчетов параметров внутренней и внешней среды (параметров орбитального движения, параметров внутренней атмосферы отсеков и прочее). Эти модели необходимы для поддержки датчиковой аппаратуры, бортовых компьютеров, системы имитации визуальных сюжетов в средствах наблюдения.

Совокупность моделей образует систему математического моделирования объекта. Это сердце всякого тренажера, работающее в реальном времени и обеспечивающее расчетными параметрами его системы. (Для полноты картины следует сказать, что связь между оборудованием макета и системой математического моделирования осуществляется с помощью комплекса устройств сопряжения, разговор о котором выходит за рамки рассматриваемой темы. Укажем лишь, что в большинстве наших современных продуктов этот комплекс реализован на базе модульных компьютеров с шиной VME и процессорами Motorola и работает под управлением операционной системы реального времени OS9.)

Еще одна важная часть тренажера - система управления тренировкой. В ее состав, помимо рабочих мест обслуживающего персонала, входят рабочие места для инструкторов (рисунок 2). Дело в том, что в космических тренажерах преподаватели, как правило, не могут находиться рядом с обучаемыми в макетах. Вместе с тем они должны иметь полное представление о действиях экипажа и возможности для вмешательства в процесс тренировки. Эти функции обеспечиваются телевизионной системой наблюдения за экипажем, приборами-повторителями оборудования макета, и пользовательским интерфейсом к системе математического моделирования (так называемыми форматами).

В современных тренажерах форматы делаются как компоненты графического оконного интерфейса. Они могут отображать информацию о текущем состоянии моделей и предоставлять возможности по вводу управляющих воздействий. Чаще всего для каждой модели создается один или несколько форматов, но существуют и комплексные форматы, предоставляющие интерфейс сразу к нескольким тесно связанным моделям.

В последние годы реальные приборы-повторители оборудования макета также заменяются форматами - графическими изображениями реальных пультов объекта.

Типичная реализация системы управления тренировкой включает в себя два-три рабочих места для инструкторов, где могут динамически вызываться нужные в данный момент форматы.

Другие системы тренажеров, такие как имитация визуальной обстановки или имитация связи "Борт - Земля", мы здесь рассматривать не будем.

Помимо тренажеров мы создаем облегченные версии средств подготовки персонала, используемые в учебных классах или в целях самоподготовки. Обычно они включают в себя те же модели бортовых систем, что и тренажер, одно рабочее место преподавателя, и несколько компьютерных рабочих мест обучаемых. Главное отличие такого класса от тренажера - отсутствие макета реального объекта. Вместо него создается трехмерный виртуальный интерьер, с которым и работает обучаемый. Графические объекты виртуального интерьера также взаимодействуют с математическими моделями систем, как и реальные блоки макета в тренажере (но уже без комплекса устройств сопряжения). Виртуальный интерьер в таких классах функционирует либо на компьютерах SGI, либо на рабочих станциях с Windows NT, а вот система моделирования работает под управлением OS/2.

Тренажная распределенная исполнительная оболочка - ТРИО

Прикладные компоненты системы моделирования, то есть модели бортовых систем, легко сделать кроссплатформенными, не привязанными к особенностям операционной системы. Наилучшее использования возможностей операционной системы и компенсация ее недостатков - это задача общего программного обеспечения, в среде которого работают прикладные программы. В настоящее время стандартом предприятия для нас является комплекс ТРИО.

ТРИО - это созданная нами среда разработки и эксплуатации моделирующих систем. Ее главные составные части:

ТРИО является самостоятельным продуктом и не привязана к конкретному тренажеру. Исполнительная оболочка, копия которой размещается на каждом узле вычислительной системы тренажера, настраивается на структуру системы моделирования в процессе своей загрузки. Модели (и форматы) могут быть размещены как на одной машине, так и на разных узлах локальной вычислительной сети. При этом ТРИО обеспечивает доставку данных между прикладными модулями прозрачным для них способом. Иначе говоря, модели не требуется знать, где именно в сети находятся потребители ее расчетных параметров. Конфигурация вычислительной системы и размещение моделей по узлам могут быть изменены уже в процессе эксплуатации.

ТРИО поддерживает два способа обмена данными между прикладными модулями - переменные и команды. Переменные несут информацию о текущем состоянии модели. Команды являются результатом происходящих в системе событий. Для команд поддерживается буферизация, что позволяет исключить потерю информации о событиях и гарантировать доставку всей истории событий до потребителя. Команды могут нести информацию о времени их выполнения, что позволяет организовывать циклограммы и временные задержки. Модели могут работать в реальном или ускоренном масштабах времени.

Состояние моделирующей системы может быть сохранено в произвольный момент времени и восстановлено впоследствии. ТРИО имеет собственный программный интерфейс (API), который используется прикладными модулями для обращения за сервисами вычислительной системы. Минимальный такт вычислений определяется операционной системой. Для OS/2 минимальный такт составляет чуть меньше 8 мс.

Основу инструментария составляют средства ведения базы данных системы моделирования. База данных - это, по сути, электронная версия структурно-функциональной схемы системы моделирования: описание состава моделей и форматов, их структурных отношений, а так же данных, которыми обмениваются между собой модели и форматы. Кроме функции ведения базы данных, инструментарий ТРИО на основании информации, содержащейся в базе данных, строит каркасы исходных текстов моделей и форматов.

Каркасы - это программы, полностью готовые к компиляции и выполнению под управлением исполнительной оболочки. Они содержат описание всех протокольных точек входа, а так же входных и выходных данных. Каркас представляет собой точку отсчета, от которой начинается разработка модели или формата: наполнение "черного ящика" с заданными входами и выходами конкретными вычислениями, обеспечивающими требуемую реакцию на события и требуемые значения выходных данных. При этом от самой точки отсчета прикладной модуль может отлаживаться во взаимодействии с другими моделями и форматами, независимо от того, какова степень готовности каждого из них. После внесения изменений в базу данных каркасы перестраиваются, но операторы, вставленные в исходный текст программистом, сохраняются.

Исполнительная оболочка в ходе своей инициализации использует базу данных для настройки на конкретную систему моделирования: определяет, какие прикладные модули должны быть подгружены, и строит потоки данных между ними. Исполнительная оболочка состоит из ядра ТРИО и управляющей программы с интерфейсом пользователя. К одному и тому же ядру могут подключаться различные интерфейсы пользователя, в зависимости от назначения конкретного рабочего места.

Исполнительная оболочка реализована для трех операционных систем: OS/2, Windows NT и Irix (вариант UNIX от SGI). Благодаря этому в одной вычислительной системе тренажера могут совместно работать вычислительные средства разных платформ. Инструментарий реализован только на платформе OS/2. Кроме того, интерфейс исполнительной оболочки для OS/2 поддерживает некоторые возможности по отладке компонентов системы моделирования, в частности просмотр и изменение значений переменных в сети. Модели создаются и отлаживаются в операционной системе OS/2. Отлаженные модели в случае необходимости могут быть перенесены на UNIX в исходных текстах. При отлаженной технологии процесс переноса занимает не более нескольких часов.

Примеры применения OS/2 в моделирующих системах.

Как уже отмечалось выше, OS/2 в настоящее время является для нас основной инструментальной платформой, применяемой при создании и отладке моделирующих систем. Кроме того, в настоящее время нами создано шесть видов функционирующих тренажеров и учебных классов, в вычислительных системах которых OS/2 используется на этапе эксплуатации. Причем сюда входят как космические тренажеры, так и, например, тренажер легкового автомобиля. Ниже приводятся краткие характеристики трех моделирующих систем, в которых OS/2 используется не только разработчиками, но и эксплуатирующим персоналом. Цифры приведены для того, чтобы дать какое-то представление об объеме моделирования.

Пример 1. Комплексный тренажер Российского сегмента международной космической станции (МКС).

Это самый большой тренажер из существующих в Центре подготовки космонавтов. В настоящее время он обеспечивает подготовку космонавтов в интерьерах первых двух орбитальных модулей Российского сегмента международной космической станции: "Заря" и "Звезда". Предполагается, что объем моделирования будет наращиваться по мере сборки станции в космосе. Поэтому в качестве моделирующего компьютера в него заложен мощный многопроцессорный сервер серии Challenge от SGI. Моделирующая система разрабатывается и модифицируется в OS/2, но затем переносится в исходных текстах под операционную систему Irix. В процессе эксплуатации OS/2 используется наряду с Windows NT на рабочих местах системы управления тренировкой.

Общий вид экрана рабочего места инженера тренажера под OS/2 показан на рисунке 3. Скриншот включает в себя главное окно, с которого осуществляется управление тренажером, и примеры открытых в нем форматов, предоставляющих пользовательский интерфейс к моделям систем. На рисунке 4 показан формат, исполняющий роль виртуального прибора-повторителя для реального пульта в макете. Формат выполнен на основе оцифрованной фотографии реального пульта с отрисовкой активных элементов: тумблеров, галетника, светодиодов, предохранителей, крышки предохранителей. В обычном режиме состояние формата повторяет состояние пульта в макете. При работе без макета формат позволяет оператору управлять этими активными элементами с помощью мыши.

Вариант полностью рисованного виртуального прибора повторителя показан на рисунке 5. Формат изображает консоль одного из бортовых компьютеров, с органами управления и собственным текстовым дисплеем.

Пример 2. Учебный класс по программе международной космической станции (был одним из экспонатов авиасалона МАКС'99).

Учебный класс применяется для первоначальной подготовки космонавтов. Физические макеты объектов заменены здесь трехмерными виртуальными мирами, реализованными для Irix и Windows NT. Система моделирования класса полностью повторяет систему моделирования тренажера, описанного в первом примере, но моделирующий компьютер класса работает под управлением OS/2. Следует отметить, что OS/2 полностью справляется с объемом моделирования, для которого в тренажере предусмотрен UNIX-сервер.

Еще один интересный пример применения OS/2 в учебном классе - имитация Laptop космонавта. Штатный бортовой Laptop космонавта работает под управлением операционной системы Solaris. В состав компьютерного класса входит коммерческий Laptop, на котором установлена OS/2. Разработанный специально для этого Laptop пользовательский интерфейс (см. рисунок 6) имитирует оконный интерфейс Solaris, включая скользящий фокус, а также внешний вид и функционирование управляющих элементов окон.

Этот пример имеет целью разрушить, возможно, сложившееся у читателя впечатление, что наш опыт применения OS/2 и ТРИО ограничен задачами космических тренажеров. Кроме того, автомобильный тренажер, очевидно, предъявляет более высокие требования ко времени реакции системы, чем тренажеры сравнительно медленных в динамике космических объектов. Тренажер создан на базе доработанного кузова автомобиля. Из трех компьютеров роли распределены следующим образом:

Объем моделирования в этом тренажере не так велик, как в предыдущих примерах, но требования к времени реакции обусловили необходимость сократить такт моделирования до 32 мс. OS/2 с таким тактом моделирования справляется (Windows NT на той же машине (Pentium 166, ОЗУ 32М) - нет).

Вместо заключения.

Вычислительные системы многих созданных нами тренажеров смешанные, то есть различные вычислительные средства тренажера используют разные операционные системы. В одних случаях это обусловлено спецификой задачи, возложенной на конкретный узел сети, в других - просто предпочтениями эксплуатирующего персонала на конкретном рабочем месте. Так, в системах управления тренировкой для организации графического интерфейса пользователя с равным успехом используются OS/2 и Windows NT. Автор предпочитает воздержаться в статье от выяснения вопроса, какая операционная система лучше, поскольку ответы на подобные вопросы обычно субъективны. Единственный вывод, к которому хотелось подвести читателя, состоит в том, что OS/2 хорошо справляется как со сложными задачами моделирования в реальном времени, так и с построением удобных и презентабельных рабочих мест для эксплуатирующего персонала.

Нельзя не отметить, что в описанных в статье разработках участвовали более ста сотрудников Центра Тренажеростроения. Кроме того, работы не могли бы быть выполнены без финансовой и интелектуальной поддержки организаций-заказчиков.

Reviews / articles about OS/2

Ваше имя:

e-mail для связи:

Введите Anti-spam код

Какой товар вам нужен? (коротко)

Тренажеры для профессиональной подготовки космонавтов

Вместо аннотации

Введение и терминология

Тренажная распределенная исполнительная оболочка - ТРИО

Примеры применения OS/2 в моделирующих системах.

Вместо заключения.