В статье авторы рассматривают промежуточные результаты проводимой научно-исследовательской работы направленной на разработку подхода и методов создания системы, позволяющей проектировать продукты нового поколения, например робототехнические комплексы различных типов в том числе позволяя взаимодействовать таковым автономно в группах. Особенностью разрабатываемой системы проектирования с интегрированной интеллектуальной системой управления является архитектура. Обосновывается один из методов построения архитектуры данной системы, через программный компонент — модуль формирования виртуальной трёхмерной среды максимально приближенной к реальной физической, отвечающий за проведение комплексных численных расчетов создаваемых изделий, на примере проектирования робототехнических комплексов различных типов. Приводится эксперимент с  постанализом, показывающий достижение результатов при выполнении задач: проектирование объекта со свойством адаптивности к среде локализации; разработка головного алгоритма; выпуск робототехнических комплексов различных типов. Данный метод может иметь многие сферы применения, но  в рамках статьи авторы подразумевают робототехнические комплексы различных типов. В  качестве экспериментальной проверки возможности достижения положительных результатов проектирования системы выбраны робототехнические комплексы воздушного назначения. Выбор данных робототехнических комплексов основывается на  существующем научно-техническом заделе организаций, представляемых авторами.

В первой части материала рассмотрены предварительные разработки на примере модуля формирования виртуальной трёхмерной среды максимально приближенной к реальной физической. В последующих частях будут рассматриваться гипотезы, архитектура, уточняться подходы, методы и решения, публиковаться проработанные и подтверждённые решения архитектуры системы проектирования для робототехнических комплексов с интегрированной интеллектуальной системой управления последними.

Современное развитие человеческого общества повышает требования к разрабатываемым объектам, например, робототехническим комплексам (РТК), выполняющим задачи как самостоятельный объект, так и  в группах. Набор параметров РТК, к  которым у  человека начинает складываться наиболее требовательное отношение, являются: габариты, функционал, материал, энергообеспечение, комбинаторика, автономность и эргономика. Именно данные параметры становятся определяющими при эксплуатации, а  равно базовыми при разработке РТК. Соответствие данным параметрам уже на  этапе проектирования РТК, усложняет процесс R&D, верификации и валидации, но позволяет создать новый, адаптивный и  экономически эффективный продукт, отвечающий параметрам среды локализации, восприятию человека и решаемым задачам, в том числе и в перспективе

Увеличивает актуальность создания РТК нового поколения, в которых ключевыми средствами исполнения могут быть РТК и объём спектра комплексных технических задач, таких, например, как:

• выполнение действий и работ в опасных для человека средах и  условиях (космическая среда, глубоководная среда, зоны радиоактивного загрязнения);

• выполнение действий, связанных с  неприемлемыми рисками (поиск и уничтожение мин);

• функционирование во время длительных миссий.

Необходимо отметить, что одним из ключевых этапов проектирования РТК является этап испытаний, которые, основываясь на  рассматриваемой технологии, изменятся после включения в себя гибридного применения в  трёхмерной среде следующих средств: математического моделирования, репликацию потенциальных сред локализации, машинного обучения. В свою очередь построение процессов, в  том числе испытаний, основанных на  рассматриваемом подходе и  методах, является одной из задач, решаемых авторами

Проводимый в работе авторами данной статьи анализ, подтверждает актуальность и  своевременность ведущихся авторами разработок по созданию модуля формирования виртуальной трёхмерной среды максимально приближенной к реальной физической для проведения отладки, испытаний и обучения модели системы управления для РТК. Разработка данного модуля обусловлена потребностью в  предоставлении инструмента тестирования, например, при создании алгоритмов управления и  взаимодействия групп РТК. Основываясь на  виртуализации физических сред, данный комплекс предусматривает моделирование в трёхмерных средах РТК, групп РТК, моделей поведения и взаимодействия РТК, статические и динамические объекты взаимодействия с ними, гидрометеорологических условий, различных времен года и времени суток

Выводы, полученные авторами, также показывают, что результаты исследований могут быть распространены на  смежные предметные области. В  числе выводов отмечается, что моделирование отдельно взятых элементов в пределах ограниченных этапов переходит в необходимый процесс моделирования целых технологий и  полного цикла процесса проектирования, например, РТК. Развитие алгоритмов визуализации, программного
обеспечения для моделирования трёхмерных объектов, программирования их полимодального поведения, а также появление новых устройств обратной связи позволяют создавать системы, имитирующие физическую реальность, концепции эргономики иммерсивных сред, инженерную психологию. Вышеуказанные технологии являются базовыми предпосылками создания архитектуры рассматриваемой системы, основанной на «Layered cake» подходе, выраженной в аппаратно-программной платформе, управляемой master algorithm, посредством оркестрирования, ансамблирования и комплексирования моделями машинного обучения. Методология разработки основана на проектирование систем и подсистем выполняющих задачи в режиме реального, благодаря методу - дерево решений, внедрению асинхронности и параллелизма процессов на  этапе R&D, например, выбор и проверка материала узла создаваемого объекта в CAD, параллельная проверка функционирования и геометрии узла в трёхмерном пространстве. При этом разработка данного метода сопряжена с набором требующих решения вопросов, например, бесшовный обмен данными, выбор решения, поведение в реальных условиях. Разрабатываемый подход и набор компонентов создаваемой системы реализуется в проекте по разработке беспилотного летательного аппарата «Исследователь» (прим.: №  RU2022623464), ведущийся инженерами компании Мэтисон, которая испытывается посредством CAD и трёхмерных сред. Процессом проведения испытаний управляет коммуникативная распределённая интеллектуальная система. Система передаёт данные о  состоянии БПЛА при выполнении сценариев и  испытаниях в созданную инженерами виртуализированную среду на основе программных компонентов SolidWorks и Maya. Данный проект подтверждает жизнеспособность и  возможность создания технологии цифровой двойник

В отличие от классического способа решения задачи, когда проводится комбинаторный поиск вариантов решения по детерминированному алгоритму в методах, построенных на дереве решений и мультиагентах решения задач, происходит посредством самоорганизации множества программных агентов, способных к конкуренции и имеющих собственные критерии, предпочтения и ограничения. Использование данных методов подразумевает, что решение считается найденным, когда в ходе недетерминированных взаимодействий агенты достигают неулучшаемого консенсуса (прим.: временного равновесия, баланса интересов по Теории Игр), который и принимается за решение задачи. Решение задачи, в такого рода системах всегда рассматривается как временное «равновесие», получаемое как динамическая остановка системы в случае, когда ни один из агентов более не может улучшить свое состояние. Методы машинного обучения и  глубокое обучение заложенные в ансамбле модели обучения системы управления определяют параметры оркестрации вложенными алгоритмами и порядок комплексирования при построении поведенческих моделей

Процесс моделирования РТК осуществляется с  использованием графических элементов, применяемых для генерации описания системы с использованием соответствующих нотаций, которая выстраивает определённые правила описания и  использования различных категорий моделируемой системы, например, узлов, процессов, взаимосвязей. Формализованные графические модели РТК, используются для анализа и оптимизации конструктивных, функциональных и алгоритмических параметров проектируемого робота. В разрабатываемом программном модуле формирования виртуальной трёхмерной среды используется и структурное моделирование с целью исследования возможных перспектив создания следующего от разрабатываемого поколения РТК. С помощью структурного моделирования master algorithm выстраивает РТК в виртуальной среде в определённой семантической сети — элементы, оборудования, подсистем, связи с  внешней средой, объекты взаимодействия и  отношений между ними, что позволяет посредством например, матрицы требований и параметров проверить, достигает ли созданная сеть, а по сути робот закладываемых характеристик уже на R&D.

Моделирование поведения РТК в виртуальных трёхмерных средах максимально приближенных к реальной, физической с интегрированной в таковую обучаемой модели для системы управления, позволяет принять решение не только о конструктивных и функциональных особенностях разрабатываемого робота, но и об оптимальности применения алгоритмов управления на всех стадиях жизненного цикла. Следует отметить, что отдельной задачей является отработка моделей автономного поведения РТК в группе, поскольку применение групп даёт принципиально важные дополнительные возможности при решении задач. РТК создаются в разрабатываемой системе с моделированием процессов и событий внешних сред: воздушной (прим.: земная атмосфера); земной поверхности; водной и подводной. Для каждой среды существуют присущие ей характерные свойства, факторы, параметры, которые укладываются в алгоритмическую последовательность вложенных алгоритмов модуля отвечающего за формирование виртуальной трёхмерной среды максимально приближенной к реальной, физической и оркестрируются master algorithm разрабатываемой системы.

Формирование непосредственно физических сред локализации РТК максимально приближенных к реальным с интегрированной в таковую обучаемой моделью для системы управления, будет рассматриваться с позиции архитектуры, программирования и воспроизведения метеорологических и геофизических процессов и событий в последующих статьях.

Разрабатываемая авторами архитектура системы основана на  структуре «Layered cake», которая позволяет создать комплекс обеспечивающий единое информационное пространство, на основе которого формируется виртуальная трёхмерная, отладочно-имитационная среда, максимально приближенная к реальной, физической позволяющая проводить исследование и  отладку головных алгоритмов моделей управления, систем, подсистем конфигурации объектов в  режиме реального времени. Важно отметить, что ключевым преимуществом разрабатываемой архитектуры, отличающим данную разрабатываемую систему от уже существующих PLM, PDM систем с функциональной точки зрения, является как пример, создание единого информационного пространства для разработки новых продуктов, например РТК. Единое информационное пространство позволяет создать методы представления знаний и формирования поведенческих моделей РТК различных типов в том числе автономного существования робота в группах.

Создание модуля формирования виртуальной трёхмерной среды максимально приближенной к реальной физической при проектировании новых изделий, на примере РТК, показывает сокращение издержек при тестировании, отладке и внесении конструктивных изменений, сместив вектор разработки на этап R&D, а также производить валидацию и верификацию РТК на каждой стадии жизненного цикла разработки и существования РТК. Последнее обеспечивает разрабатываемая система проектирования новых изделий, рассматриваемая в данной статье на примере проектирования робототехнических комплексов поскольку включает подход и метод формирующий единое информационное пространство.

Экспериментальная отработка возможностей создаваемой системы и архитектуры модуля формирования виртуальной трёхмерной среды максимально приближенной к реальной физической, проводится на динамических объектах воздушного назначения. В качестве воздушного динамического объекта был выбран малый автономный, беспилотный летательный аппарат Исследователь. Полученные в ходе экспериментов результаты, позволили авторам например, оценить поведения геометрии дизайна — рамы Исследователя (прим.: Патент на  промышленный образец №135705) при полёте на высоте 2 км; со скоростью полёта V = 80 км/ч; полной аэродинамической силы Ra = 7.459 Н в сложных экстремальных условиях на момент выполнения задачи - сопровождение объекта

Эксперимент осуществляется с подключением к виртуальной, трёхмерной среде формирующей максимально реальную физическую, реального малого автономного, беспилотного летательного аппарата. В момент нахождения Исследователя в надводном положении в среде master algorithm сформировал виртуальный участок района Выборга, Выборгская бухта для проведении эксперимента. Отладочно-моделирующий модуль (прим.: рассматриваемый в данной статье) посредством комплексирования моделей проверял параллельно с выполнением реальным аппаратом - Исследователем задачи по сопровождению динамического объекта, устойчивость рамы при воздействии условий среды локализации, учитывая, ветер и температуру. В процессе проверки master algorithm моделирует различные сценарии воздействия, опираясь на реальные, получаемые и исторические показатели. Результат эксперимента показывает, что рама Y6 БПЛА Исследователь с соосными двигателями для эксплуатации в надводных средах, решение оптимальные и выбрано верно. Данное решение обеспечивает наибольшую манёвренность, устойчивость и надёжность

Методы проектирования, позволяющие создавать новые изделия, изделия нового поколения, например автономные РТК с системой, наделяемой искусственным интеллектом, особенно востребованы в ситуациях, когда РТК самостоятельно решает оперативную задачу, используя нечёткую логику и мягкие знания. Полученные авторами выводы по результатам проведённых экспериментов, позволяют утверждать, что создаваемая архитектура системы, разработанная с применением подхода «Layered cake», позволила создать набор технологий выраженных, например в модуле формирования виртуальной трёхмерной среды максимально приближенной к реальной, физической.

Промежуточные результаты проводимой научно-исследовательской работы показывают, что в настоящий момент времени развитие науки и технологий являются достаточным для возможности создания полноценной копии реального объекта — продукта со смещением вектора в процессе разработки такового на этап R&D. Создание такого изделия, объекта основывается на подходе приоритезаций и комплексирования технологий в t момент времени и методов: системной инженерии; семействе мультидисциплинарных математических моделей; орестировании ансамблями обучаемых моделей для системы управления погружаемые в трёхмерное пространство - среду. В полученном анализе авторы подтверждают готовность состояния промышленности, в том числе и ключевых научно-исследовательских организаций, к созданию аппаратно-программных платформ и сред, отвечающих концепции представленного в данной статье подхода и методов образующих единое информационное пространство, выражаемое в цифровом двойнике.

Необходимо отметить, что предприятиям промышленности для достижения создания продуктов нового поколения, персонализированной выпускаемой конвейерной продукции ещё требуется доработка промышленных мощностей, смена вектора инженерной мысли, повсеместной интеграции методов системной инженерии, но на данный момент возможность реализации, представленной выше концепции в среднесрочной перспективе возможна.

Основные выводы, полученные по результатам промежуточных исследований, авторы формируют следующим образом - непосредственно модуль формирования виртуальной трёхмерной среды максимально приближенной к реальной, физической позволит изучать, исследовать и отлаживать конструктивные, функциональные, алгоритмические сценарии поведения и технологические операции методами представленными авторами в настоящей статье, посредством построения в трёхмерных сред максимально приближенных к реальным, физическим, обеспечивающим проработку влияния на проектируемый, например РТК нового поколения внешних процессов и событий среды. На примере проектирования РТК нового поколения представленный в данной статье программный модуль, позволяет реализовать следующий набор возможностей:

• формировать научные, проектные, инженерно-технические, эргономические решения для всех стадий создания РТК различных типов и последующих этапов жизненного цикла;

• на стадиях формирования ТТЗ, авантпроектов, предэскизного и эскизного проектирования проводить функциональное и поведенческое моделирование прототипов РТК различных типов в том числе автономно в группах для выбора вариантов дальнейшей разработки;

• на стадиях технического проектирования развивать выбранный вариант прототипа РТК различных типов моделированием его компонентов (сенсоров, исполнительных механизмов и  специальных устройств, энергетики, средств передвижения
  и других компонентов);

• произвести построения моделей внешних сред, со статическими и  динамическими объектами взаимодействия с РТК различных типов, при различных гидро-, аэро- и метеорологических условиях, временах года и времени суток;

• проводить функциональное и  поведенческое моделирование прототипов РТК различных типов совместно с моделями внешних сред и пространств функционирования;

• разрабатывать алгоритмическое обеспечение для всех уровней и стадий создания систем управления РТК различных типов в том числе повышающих автономность выполнения сценариев в группах и при создании алгоритмического обеспечения РТК различных типов для слабо структурированной предметной области в  условиях нечёткой и  неполной исходной информации;

• проводить научно-технические разработки технологий построения и применения баз знаний для систем управления РТК различных типов;

• проводить прикладные разработки систем с наделяемым искусственным интеллектом (прим.: представление знаний, распознавания образов, принятия решений) на основе комплексного моделирования предметных областей функционирования РТК различных типов;

• произвести планирование и оптимизировать производственные процессы на реальных платформах с  целью снижения затрат и  качественного управления ресурсами;

• исследовать алгоритмы движения, выполнения технологических операций и систем управления робототехнических средств;

• снизить затраты на испытания новой техники за счет системы моделирования виртуального трёхмерного окружения максимально приближенных к реальному физическому.

Проведённые авторами исследования определили основные подходы, методы разработки архитектуры, создания master algorithm системы включающей программный модуль формирования виртуальной трёхмерной среды максимально приближенной к реальной физичексой, реализующей способ проектирования изделий нового поколения на примере РТК различных типов, отвечающий современному уровню развития экосистемы человека. Проведены эксперименты по оптимизации инженернотехнических, эргономических решений РТК воздушного вида. Результаты экспериментов, подтвердили жизнеспособность выбранных методов и методологии создания системы для  проектирования РТК различных типов. Анализ полученных результатов подтвердил возможность тестирования, отладки и внесения конструктивных, функциональных и алгоритмических изменений на стадии R&D в том числе с учётом параллельно выполняющихся процессов, задач реальным изделием, например РТК в физической среде локализации.