Фото: Андрей Луфт / «Научная Россия»
Российское авиастроение – это стратегически важная для страны отрасль. Она имеет богатую историю и отвечает на технологические вызовы современности. А иногда и само российское авиастроение задает высокую планку для других стран, развивающих эту науку. Об этом мы поговорили с академиком РАН, заместителем генерального директора по науке Государственного научно-исследовательского института авиационных систем Сергеем Юрьевичем Желтовым.
– Самолет – удивительная разработка, которая вбирает достижения множества наук. Речь же не только об инженерии и вычислительной математике?
Да, конечно. Вообще эволюция авиастроения привела к тому, что современные самолеты – это в каком-то смысле «летающие компьютерные системы». Это очень сложное техническое устройство с очень сложным мотором, аэродинамикой. Сейчас набирают силу процессы интеллектуализации, когда традиционные функции пилотов переходят к автоматическим системам и искусственному интеллекту.
– То есть, внедрение искусственного интеллекта – это тенденция?
Я бы сказал осторожнее – технологии искусственного интеллекта. Я считаю, что такой интеллект, которым обладает реальный летчик, его достичь в принципе нельзя. Но очень многие функции, которые выполнял раньше пилот, теперь можно доверить машине. Именно над этим сейчас активно происходит работа.
– Какие функции возможно передать таким системам?
Это, например, и функции технического зрения, чтобы летчики имели более контрастное и яркое понимание ситуации, и подсказки в ситуациях, которые могут сложиться в случае отказа самолета, это и так называемая предиктивная диагностика. Последнюю можно сравнить с человеком, который просыпается утром, осматривает себя: ноги есть, руки есть. Хотелось бы передать такие функции самолету, чтобы он мог оценить, что у него на грани отказа, а что будет работать долго. Это называется обслуживание по состоянию.
Есть еще много аспектов, где можно было бы применить технологию искусственного интеллекта. Например, уменьшить количество летчиков в кабине.
Фото: Андрей Луфт / «Научная Россия»
– Среди перспективных направлений развития интеллектуализации – ситуационная осведомленность. Что это означает?
Каждый экипаж сталкивается с определенной ситуацией: на каких высотах летит и какие возможны угрозы. Еще сложнее военным: они должны понимать, кто атакует и откуда, как в целом летит самолет. Эти ситуации очень многообразны и важны и в гражданской, и в военной области. И поэтому летчик должен быстро соображать, что ему делать. Здесь можно улучшить такое предвидение для летчика: наглядно показать ему, где он находится и что его окружает. Можно сделать и так, чтобы система сообщила ему о каких-то угрозах: интеллект анализирует информацию с датчиков и передает пилоту самолета данные об угрозах.
Еще более высокий уровень развития ситуационной ознакомленности, когда система за счет заложенных в неё знаний предвидит эти ситуации. То есть, она может указать, что ситуация разворачивается в неблагоприятном направлении и посоветовать принять решение. Все это называется ситуационная ознакомленность. Ее нужно повышать, чтобы летчик максимально полно и наглядно обладал всей необходимой информацией. Ведь множество аварий связаны с тем, что люди не были осведомлены о той или иной ситуации, и отсюда аварии.
Простой пример: вы летите на горы, но не знаете об этом. А если система предупредит об этом, то аварии не случится.
– Может ли система сама построить маршрут, по которому будет двигаться самолет?
Теоретически – да. Но проблема в другом. Современный самолет – это не одиночка. Он летает в определенном воздушном пространстве в окружении огромного числа других самолетов. Если говорить о гражданской авиации, то мы имеем дело с дорогами, как на земле. Их практически не видно, но они имеют очень узкие коридоры. Самолеты летают по этим дорогам, чтобы избежать столкновения с другими самолетами, но такие проблемы называются проблемами, о которых вы сказали – свободного построения траектории, чтобы оптимизировать расход топлива по ветру и так далее. Как теоретическое достижение это возможно, но пока мало используется, потому что есть система управления воздушным движением.
– Как вообще работает система ситуационной осведомленности?
Перед пилотом имеется система компьютеров и экранов, на которые может выводиться разнообразная информация: по ходу полета, например. Если сложилась угрожающая ситуация, то как и на современном компьютере, где появляется уведомление о том, что заканчивается дисковое пространство, то и здесь – система предупредит: «Вы летите в опасную зону». То есть, это просто интерфейс между человеком и самолетом. Там появляются сообщения в виде текста и даже картинки и фильмы о том, что будет.
– Возможно ли полное отсутствие человека в кабине пилота в будущем?
Я сейчас скажу такую странную вещь – вы летаете в гражданских самолетах. А они практически беспилотные: процесс взлета, посадки и плавного полета можно организовать без участия человека. Человек же нужен как супервизор для опасных ситуаций. Но если я задам встречный вопрос о том, хотите ли вы летать на гражданских самолетах без участия человека, то ответ будет – нет. Человеческий интеллект полностью повторить мы не можем, а ситуации бывают разные. И для принятия решения в них нужен опытный летчик, конечно. Поэтому, я считаю, что замена второго пилота – актуальная задача, но полностью беспилотные самолеты на данном этапе развития науки – это пока не нужно.
– В будущем профессия не исчезнет?
Нет. Вообще летчик – это очень тонкая, сложная и технически напряженная профессия.
– Компьютерные системы освобождают от некоторых функций или требуют дополнительного контроля?
Идеально, конечно, чтобы освобождали. Но проблема в том, что есть так называемое понятие функции. Это не просто слово, а совокупность функциональных возможностей самолета. Например, у старых самолетов было мало функций, а с ростом потребностей они возрастают, и при чем нелинейно. В современном самолете вы можете заказать такси, связаться с интернетом или посмотреть фильм. Такие же задачи возникают перед военными самолетами: пускать ракеты последовательно, или вместе, или еще как-то. Такая функциональность растет и человек просто не справляется с ней. Часть из них берет на себя интеллект, который помогает человеку увеличить функциональность самолета.
– Какие задачи еще стоят перед наукой помимо передачи части полномочий компьютерным системам?
В авиации много задач, и сейчас существует национальный центр имени Жуковского, который их решает. Это и задачи в плане аэродинамики, чтобы меньше потреблять энергии и двигаться в большем диапазоне скоростей, и задачи по созданию моторов. Можем ли мы сделать полностью электрический самолет? Или самолет, который работает от водорода, чтобы быть экологически чистым.
Другой важный вопрос – материалы. Они нужны легкие и прочные. А в части того, что представляю я, это авиационное управление, хорошая навигация, хорошая помощь летчику.
Проблема в том, что сейчас очень усложняются требования к самолету в плане временных и точностных графиков полета. Диапазон между посадкой и взлетом в развитых странах может достигать 10-30 секунд, не более. Важно точно уложиться в это время, чтобы вы прилетели не раньше, не позже, а точно по времени. И это резко повышает требования к компьютерной базе самолета и его навигационным системам.
– Отличаются ли требования, предъявляемые к летательным аппаратам в гражданской и военной авиации?
Если брать верхние требования, то это безопасность и эффективность. Безопасность – это чтобы люди не погибли, а эффективность – чтобы он летал быстро, точно и с меньшим потреблением энергии. Если брать военную авиацию в глобальном плане, то там важнее эффективность. А для гражданской авиации – безопасность. Это главное отличие.
Они разные и по функциям: военный самолет выполняет нехарактерные для гражданского самолета функции: вооружение, разведка и так далее, а в оснащении гражданских самолетов очень много систем для безопасности и обслуживания пассажиров.
– Ученые ГосНИИАС разработали первую отечественную технологию улучшенного и синтезированного видения для пилотов гражданских самолетов и вертолетов. Расскажите об этом, пожалуйста, подробнее.
Эти разработки ведутся во всем мире, и всемирная организация ИКАО ставит задачи решения задач, связанных с тем, чтобы летчик не мог ошибиться при заходе на посадку. Это очень важные системы, потому что мы видим – последние катастрофы связаны с полетом в туманах. Или вертолет упал в Курильское озеро. Там очень туманно и очень легко ошибиться с выбором места для посадки. Эти системы технического зрения позволяют резко повысить контраст картинки, но это не все. Они помогают распознать элементы взлетной полосы, препятствия на ней и целую кучу алгоритмов, чтобы наглядно представить летчику, как он садится или взлетает, и резко понизить количество катастроф. Эти системы разрабатывают многие, но отечественные – мы одни из первых.
– Как меняется конфигурация кабины пилота в зависимости от таких нововведений?
Сначала были приборы, потом появляются экраны. А сейчас, если смотреть концепты современных кабин, то это сплошной «айпад»: уменьшается количество ручек и рычагов. Старые летчики жалуются, что не видят чем управлять. Концепция такая, что это мультифункциональные экраны и системы дополненной реальности.
Вообще вы затронули важный вопрос: человеко-машинного интерфейса. Каким он будет? Будут ли использованы звуки? Одно время даже хотели в спину летчику колоть иголки, чтобы подавать информацию. Сейчас перспективные интерфейсы связаны с адаптивной графикой, которая может меняться от ситуации к ситуации. Очень интересен и аудиоинтерфейс, когда летчику можно подавать объемные звуки.
Я сейчас вернулся с конференции, где презентовали технологию, которая практически с точностью может воспроизводить звуки виртуально: нигде динамики не стоят, а это просто в наушниках создается стереозвук, хорошо слышный на фоне шумов, которые есть в кабине. Поэтому они тоже повышают ситуационную ознакомленность.
Интерфейсы человек и машина – это очень развивающееся направление. Я предвижу, что будет кабина – сплошной айпад, какие-то источники звука. Наверное, останутся ручки, лучше, чтобы системы были задублированы.
– Что это значит?
Это значит, что если отказала какая-то одна система, то есть вторая, которая может прийти на помощь. И тогда такое дублирование позволяет еще раз повысить безопасность. Еще есть важная научная проблема – реконфигурация. Это когда вы имеете на современном самолете какой-то избыток: по системам управления или компьютерной базы. И допустим, отказал какой-то компьютер. И тогда вы сможете перераспределить задачи, которые решали все компьютеры, на оставшиеся. Это могут сделать только специальные программы с технологией искусственного интеллекта. Или как в фильме «Экипаж», когда попал камень, интеллект может перераспределить управление по рулевым поверхностям так, чтобы компенсировать отказавший руль.
– Часто ли пилотам приходится обучаться с учётом замены конфигурации кабины?
Не так часто, конечно. Если брать гражданскую авиацию, то процессы небыстро идут. Есть такая организация – ИКАО, где есть жесткие требования приема новых данных и новых устройств. Все проходит сертификацию. Процесс обучения идет, но это происходит не каждый месяц. Это может занять несколько лет.
– Летом этого года специалисты ГосНИИАС рассказали о платформе для создания и обучения алгоритмов на основе глубоких нейронных сетей на Форуме «Российский софт: эффективные решения». Проще говоря, одни нейросети будут обучать другие.
Это одна из задач, задача будущего. На самом деле, технологии искусственного интеллекта двинулись вперед за счет технологии глубоких нейронных сетей, когда много слоев. Это такая сеть, в которой есть коэффициенты, и они учатся на примерах, оптимизируются и получается такое решение. Высший пилотаж – это когда появятся сети, которые сами будут генерировать эти сети, но это пока только научное направление, в авиации пока до этого далеко.
А платформа – это довольно сложный инструмент, нужно обучать людей. Проблема еще в чем: мало отечественных фрейм-ворков, они, как правило, западные. Мы попытались создать отечественный фрейм-ворк для отечественных решений. Мы его сейчас будем распространять. Он уже частично стоит в «Технопарке ЭРА» и будет частичное распространение по учебным заведениям. Это платформа, чтобы именно генерировать и обучать технологии глубокого обучения.
Эта платформа очень гибкая, в ней есть люди, которые размечают данные или, если им не хочется разрабатывать сеть, а нужно готовое что-то брать, то это первый уровень, есть второй уровень и третий уровень – это когда разработчик может сам программировать эти сети. На все эти уровни предусмотрены средства обучения.
Фото: Андрей Луфт / «Научная Россия»
– То есть, происходит импортозамещение?
Да. Это и для науки важно, и для производственных процессов, чтобы у нас было больше фрейм-ворков. Я думаю, сейчас многие фирмы начали заниматься этим. Я знаю, что «Вега», например, делает. Но наша одна из первых, этим горжусь очень.
– Сейчас активно развивается направление «интегрированная модульная авионика». Расскажите об этом подробнее.
Направление развивается давно. Приведу пример по аналогии с компьютером. Допустим, вы хотите улучшить его, вынули из него плату на 32 Гб и поставили на 64. Идеально было бы сделать такое с самолетом. Сделать такую систему, где можно было бы модули менять и улучшать технические свойства самолета. Для этого нужно принять много новых стандартов, разработать технологии модуля, конструктивы этих модулей. Это все называется интегральная модульная авионика, когда происходит постепенное улучшение самолета, без полного изъятия всего, что внутри него. Если модуль однотипный, вы можете вставить плату и он функцию какую-то будет выполнять. Например, рассказывать сказки пассажирам или еще что-то.
Интегральная модульная авионика связана с разработкой программного обеспечения, потому что все эти модули требуют развития технологии искусственного интеллекта и это реализуется через программное обеспечение, которое, кстати, растет экспоненциально. Сейчас современные самолеты, я посмотрел, – это больше миллиона строк.
Другая часть авионики – переход на новые стандарты, прежде всего, международные, гармонизация со стандартами, чтобы мы делали это в соответствие с мировыми тенденциями. Но в основе интегральной модульной авионики модули, конструктивы, соответствующее программное обеспечение, операционные системы и так далее.
Еще одна важная проблема – операционные системы реального времени. Они обычно все заграничные.
– А что это такое?
Смотрите, вы работаете на компьютере с системой Windows и внезапно у вас зависает компьютер. Вы сразу думаете, что делать: нажать Ctrl+Del или что-то другое. На самолете такое недопустимо. Если на самолете операционная система «встанет», то самолет может упасть, поэтому делаются суперсистемы реального времени, которые работают как часы. Их невозможно замедлить и так далее.
Это очень сложные разработки. Например, Институт системного программирования РАН помогает нам в этом деле. Прообраз такой системы есть, она называется операционные системы реального времени.
– Такие системы создаются несколькими институтами?
Обычно да, их создают коллективы. Есть и американские, которыми мы пользовались до некоторого времени. Но сейчас из-за санкций есть опасность, что они перестанут обновляться. Поэтому нужно создавать свое. Это и с точки зрения прогресса хорошо.
– Под вашим руководством в ГосНИИАС была создана лаборатория технического зрения. Расскажите, какие проекты есть сейчас?
Техническое зрение везде нужно, мы занимались и медициной, и решали авиационные задачи. Еще это видеонаблюдение, биометрия и так далее.
– А какие проекты кроме авиационных удалось реализовать?
Я сам за жизнь много всего делал. Например, в медицинских приложениях работали, синуситы рассматривали. Есть задачи, связанные с разрастанием кожи для людей, пострадавших от ожогов. Там нужно провести точные измерения, посадить кожу на нужное место, чтобы она выросла. Были задачи, связанные с жировыми отложениями. В целом, связанные с измерением каких-то элементов.
Очень много мы занимались биометрией и идентификацией. Вообще авиация активно продвигает технологии идентификации на основе штрихового кодирования. Они оказались настолько хорошей придумкой, что это перешло в торговлю и в другие сферы.
Если рассмотреть паспорт, это так называемый «проход порта». Стандарты на паспорт задает ИКАО, где обязательно должны быть машиночитаемые строки: те же буквы, но в особых форматах, чтобы было удобно техническим зрением распознавать.
Есть и проекты, связанные с беспилотными аппаратами и роботизированными устройствами. Сейчас есть целое поколение сухопутных роботов, которые должны иметь глаза, уметь передвигаться и выбирать дорогу. Такие задачи тоже мы решаем.
– В этом году исполняется 75 лет со дня основания Института. Приходилось ли вам решать в Институте срочные задачи, которые диктовались политическими событиями в мире?
Приходилось, конечно. Понимаете, когда происходят военные конфликты, то возникает проблема – что-то не так работает. И если это связано с авиацией, то приходят в наш институт, и мы начинаем это исправлять в срочном порядке. Так было, когда был конфликт в Грузии, на юге.
Бывают и задачи, связанные с гражданскими самолетами: запрещают выбросы и нужно менять двигатель, или появляются новые требования к навигации. Одна из сложных задач, которая не получила решения – как сочетать полеты беспилотника с полетами гражданской авиации. Это очень опасная тема, и решения пока нет. Если примут закон, то нужно быть наготове.
– Какое решение здесь возможно?
Некоторые страны запрещают полеты беспилотников в окрестностях аэродромов, потому что это очень опасно. Есть много частных решений. В основном – это точность. Беспилотник не может подлетать на определенное расстояние – как он это измерит? Или нужно с кем-то связаться – где у него связь? Такие задачи могут обостряться.
– Какие моменты в истории Института вы считаете самыми важными, решающими?
Институт создавался как институт авиационного вооружения, гражданского ничего не было. Мы были созданы по приказу И. Сталина в 1946 году. Там так и было написано: создать институт для решения задач для бомбардировочной авиации. Поначалу военные задачи и решались. Важный момент был, когда Министерство авиации СССР постановило, что институт должен решать и вопросы гражданской авиации. Это был важный переход, потому что сейчас половина института занимается гражданской авиацией.
Важный переход был и к интегральной модульной авионике. Я бы назвал важным переход к системам информатизации и интеллектуализации самолетов. Это как раньше была дозвуковая авиация, а стала сверхзвуковая. Раньше авиация была нецифровая, а сейчас цифровая.
– Какое место ГосНИИАС занимает в авиационной промышленности сегодня?
Надеюсь, что большое. Промышленность – это одно, а наука – другое. Сейчас создан большой кластер, в который объединились институты, которые занимаются важными частными проблемами. Все, что касается управления и бортового оборудования – это важная тема, которая растет постоянно, этим занимается наш институт. Он занимается и проблемами управления воздушного движения, авиационного моделирования. Сейчас происходит виртуализация – прежде, чем создать самолет, делают его виртуальную модель. Все, что есть железное надо приспособить к нему. И этим тоже занимается институт. И многими разными другими задачами.
– Какие стратегические проблемы институт способен решать в будущем, в чем заключается его потенциал?
Россия немыслима без авиации даже по причине огромной территории, которые развивать при помощи дорог – сложно. Авиация – это всесильная технология, которая должна быть быстрой, удобной, как такси. В плане обеспечения систем управления наш институт должен быть первой скрипкой. Плюс военные задачи. Мы видим жесткое соперничество стран в этой области: создаются ракеты и вооружение. Говорят, что есть какие-то мозаичные войны, когда в едином информационном пространстве действуют все системы: и космические, и воздушные. Такие системы надо создавать. Авиации там отводится большая роль, за которой мы должны следить и всячески поддерживать.
Фото на странице и на главной странице сайта: Андрей Луфт / «Научная Россия»
