Моделирование бортовых информационно-измерительных систем с использованием сетей Петри-Маркова

Актуальность темы

.

В задачу информационно-измерительного комплекса летательного аппарата, называемого ниже авионикой, входит сбор данных с датчиков сенсорной системы о состоянии контролируемых бортовых узлов и блоков, предварительная обработка поступающей информации бортовым вычислителем и выдача информации операторам для принятия решений по управлению бортовым оборудованием [68].

Современный этап развития технических средств управления пилотируемыми летательными аппаратами характеризуется, во-первых, существенным ростом объемов данных, получаемых от объекта с помощью сенсоров, во-вторых, стремлением извлечь из полученных данных максимум информации, используемой для принятия решений, а в третьих, стремлением переложить на ЭВМ выработку рекомендаций по принятию управленческих решений.

С другой стороны, рыночные отношения предопределяют жесткую конкуренцию, как на рынке авиационной техники, так и на рынке вспомогательных средств, что приводит к необходимости существенного сокращения сроков обновления технических средств и программного обеспечения. В настоящее время это возможно только с использованием таких методологий, которые обеспечивали бы сквозной процесс проектирования от общего облика системы до отдельных конструктивов и программных продуктов [74].

Важными характеристиками функционирования систем исследуемого класса являются 1) информативность сообщений (генерируемых датчиком, поступающих на вход бортовой ЭВМ для обработки, предъявляемых оператору для принятия решения, передаваемых по каналам связи и т. п.) и 2) скорость обработки и/или передачи сообщений. Данные характеристики определяют эффективность применения технических средств в процессе выполнения полетов, а в ряде случаев, например в форс-мажорных ситуациях, — работоспособность и даже жизнеспособность летательного аппарата.

Типичным примером влияния времени решения задачи на работоспособность комплекса является применение авионики в качестве звена, реализующего обратную связь. Специфика информационных процессов приводит к тому, что в обратную связь вводится звено с запаздыванием, равным суммарному времени генерации информации датчиками, преобразования и передачи ее на бортовую ЭВМ, расчету управляющего воздействия и передачи к исполнительному механизму. Наличие же звена с запаздыванием в контуре управления приводит к опасности потери устойчивости системы в целом, что, в свою очередь, вызывает либо потребность в усложнении законов управления объектом с неизменным увеличением времени запаздывания, либо в ускорении информационного процесса.

Известно, что в любой области техники повышение технических характеристик объектов, в том числе и производительности, может быть достигнуто, как за счет совершенствования их элементной базы (отдельных узлов и блоков), так и за счет более эффективного использования имеющихся технических средств. Общепринятым методом решения проблемы ускорения информационных процессов является применение быстродействующих каналов передачи данных и процессоров с повышенной производительностью (на текущий момент в системах авионики в качестве базовых используются процессоры с количеством 25 млн. регистровых операций в секунду [68]). Однако применение более совершенных технических средств хотя и приводит к удорожанию аппаратуры, зачастую не дает желаемого результата без организационно-технических мероприятий по их использованию.

Другим методом решения задачи являются анализ информационной стороны процесса и генерация на каждом этапе преобразования информации таких сообщений, которые способствовали бы ускорению процессов передачи и обработки. Как правило, состав аппаратных средств систем авионики определяются нормативными документами и редко подвергается изменениям. Вследствие этого параметры информационных процессов являются едва ли не единственными варьируемыми параметрами для оптимизации времени информационных процессов.

В силу сложности информационных процессов и широкой номенклатуры технических средств, решающих в авионике сходные задачи с различными ресурсными затратами, проектирование систем указанного класса с последующей постановкой экспериментов на реальном объектевесьма длительный и дорогостоящий процесс, в результате которого не обязательно получается оптимальный результат. Поэтому сокращение сроков создания и освоения новых технических решений целесообразно проводить с предварительным моделированием и расчетом параметров систем, что в настоящее время затруднительно вследствие отсутствия методологии проектирования систем.

Все вышеперечисленное, а именно потребности в создании авионики и отсутствие общей теории ее анализа и расчета, позволяющей осуществить оптимальное распределение информационных функций между компонентами в пространстве-времени в системах с заданной структурой, объясняет необходимость и актуальность исследований, проведенных в диссертации.

Объектом исследования является бортовой информационно-измерительный комплекс, ниже называемый авионикой, который состоит из взаимодействующих систем, таких как сенсорная система, преобразователи информации, бортовой вычислитель, средства передачи и отображения данных.

При проектировании комплекса учитываются две характеристики: объем информации, передаваемой на всех этапах ее получения и преобразования, и скорость обновления и обработки информации.

Взаимодействие систем авионики во времени, их влияние на потери информации и на сбои в системе, а также наличие человеческого фактора обуславливают необходимость разработки комплексного подхода к проектированию подобных систем. Это в свою очередь обусловило выбор предмета исследования — временные характеристики взаимодействия компонентов авионики между собой.

Цель диссертации — разработка методов анализа бортовых информационно-измерительных комплексов на основе моделирования временных характеристик узлов и блоков.

В соответствии с поставленной целью автором решены следующие задачи:

1. На основании анализа особенностей функционирования информационно-измерительного комплекса авионики показана адекватность сетей Петри-Маркова информационным процессам, протекающим в компонентах авионики, в частности сенсорной системе и бортовом вычислителе.

2. Разработана методика анализа сетей Петри-Маркова на основании табличного преобразования логических условий переходов.

3. Построена модель согласования информационных характеристик сенсорной системы с бортовой ЭВМ и системой обмена данными.

4. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение для генерации сетей Петри-Маркова в интерактивном режиме.

Методы исследотнш.

Проведенные исследования основаны на методах информатики, теории алгоритмов, теории вероятности, теории случайных процессов. Перечисленным выше аналитическим методам исследования посвящены работы отечественных ученых: В. М. Глушкова, В. Е. Котова, А. А. Маркова, Д. С. Сильвестрова, B.C. Королюка, А. Ф. Турбина и др., а также зарубежных специалистов: Д. Кокса, Дж. Питерсона, Д. Феррари, С. А. Петри и др.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Показана возможность применения аппарата сетей Петри для анализа временных характеристик взаимодействия систем авионики между собой.

2. Разработана методика преобразования сетей Петри с целью анализа временных характеристик взаимодействия систем авионики.

3. Разработана методика анализа сетей Петри-Маркова на основании табличного преобразования логических условий переходов, представляющая собой математический аппарат расчета временных характеристик.

4. Сформированы модели частных случаев взаимодействия систем авионики, в том числе системы конвейерного типа, системы обмена данными с предварительной обработкой информации, системы доступа к данным при циклической и приоритетной дисциплинах работы диспетчера.

5. На основании сформированных моделей разработана методика расчетов потребных ресурсов бортовых ЭВМ летательных аппаратов, которая позволяет сократить сроки разработки отказоустойчивых бортовых локальных вычислительных сетей.

Птктическт ценность ршёоты заключается в разработке алгоритмического и программного обеспечения для генерации сетей Петри-Маркова в интерактивном режиме, которое позволяет оценивать следующие свойства моделируемых систем: ограниченность, живость, достижимость какого-либо состояния, временные характеристики (время цикла (периода) работы системы, время работы и простоя элементов системы, степень влияния быстродействия отдельных элементов на быстродействие в целом).

Реализация результатов диссертационной работы. Прикладные результаты диссертационной работы были внедрены в производство ФГУП «Санкт-Петербургское ОКБ «Электроавтоматика» в качестве «Методики расчетов потребных ресурсов бортовых ЭВМ летательных аппаратов». Методика предусматривает расчет потребной производительности бортовой ЭВМ и объемов запоминающих устройств на этапе системного проектирования средств интегрированной модульной авионики. Внедрение методики дает технический эффект, заключающийся в сокращении сроков разработки отказоустойчивых бортовых локальных вычислительных сетей для интеграции перспективных навигационно-пилотажных комплексов самолетов гражданской авиации, удовлетворяющих современным и перспективным требованиям безопасности и точности полетов.

Теоретические результаты работы внедрены в учебный процесс в рамках учебных курсов «Дискретная математика» и «Системы автоматизации и управления» на кафедре «Робототехника и автоматизация производства» Тульского государственного университета.

Лтобття работы. Основные положения диссертационной работы до-кладывались на следующих конференциях и семинарах:

1. Системы управления электротехническими объектами. Всероссийская научно-практическая конференция. (Тула, ТулГУ, 2000).

2. XVIII научная сессия, посвященная Дню радио и 75-летию завода «Октава» (Тула, ТулГУ, 2001).

3. Проблемы специального машиностроения. Международная научно-техническая конференция. (Тула, ТулГУ, 2001 и 2002 г. г.).

4. Проблемы управления электротехническими объектами. Научно-практическая конференция (Тула, ТулГУ, 2002).

5. Проблемы специального машиностроения. Всероссийская научно-техническая конференция. (Тула, ТулГУ, 2002).

6. XIX научная сессия, посвященная Дню радио и 75-летию завода «Октава» (Тула, ТулГУ, 2002).

7. Ежегодная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава кафедры (Тула, ТулГУ, 2001, 2002, 2003 г. г.).

Полученные в ходе исследований результаты использованы при работе над грантами:

1. Грант Губернатора Тульской области № 21−2000 «Исследование процесса разрушения информации на магнитных носителях» .

2. Грант Министерства образования Российской Федерации 2001;2002 г. г. «Математическое моделирование параллельных процессов в мехатрон-ных системах» .

Публмттм. По результатам исследований опубликовано 16 работ, в том числе 6 статей, 10 тезисов докладов.

Хтактетсгжт работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения, содержит 29 рисунков, 5 таблиц, список использованной литературы из 100 наименований и 4 приложения. Объем основного текста диссертации — 135 страницы.

4.6. Выводы.

1. В результате проделанной работы, было разработано программное обеспечение (ПО), позволяющее в интерактивном режиме моделировать временные характеристики дискретных систем, с помощью сетей ПетриМаркова.

2. ПО позволяет оценивать следующие свойства моделируемых систем: ограниченность, живость, достижимость какого-либо состояния, временные характеристики (время цикла (периода) работы системы, время работы и простоя элементов системы, степень влияния быстродействия отдельных элементов на быстродействие в целом).

3. ПО выполнено для работы в ОС Windows 95 и выше.

4. Разработаны требования к аппаратному и программному обеспечению для системы самолетовождения и индикации ССИ-80 для самолета С-80ГП с использованием математического аппарата сетей Петри-Маркова.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. На основании анализа структуры типового бортового информационно-измерительного комплекса и выполняемых им функций показано, что модель должна обеспечивать согласование во временной области работу отдельных компонентов и обладать следующими свойствами:

— разбиение общего процесса на подпроцессы, в свою очередь разбиваемые на последовательности шагов;

— учет квазислучайности времени выполнения шагов подпроцессов и квазистохастичности процедуры выбора направления продолжения процесса;

— наличие средств для выделения подпроцессов, которые могут быть выполнены соответствующими компонентами системы параллельно;

— возможностью указания точек на модели, в которых происходит или может быть произведено увеличение и уменьшение количества параллельных подпроцессов;

— наличие средств, определяющих текущее состояние каждого подпроцесса;

— возможностью выделения специальных состояний подпроцессов, для выхода из которых необходимо выполнение определенных логических условий.

2. На основании анализа работ отечественных и зарубежных авторов, посвященных аналитическим методам исследования, выявлено, что наиболее полно учет таких свойств, как случайность времени выполнения и возможность одновременного выполнения заданий, а также стохастический характер переходов при принятии решений, может быть осуществлен в моделях, в которых на структуры с параллелизмом накладываются стохастико — временные параметры и логические условия, называемые сетями Петри-Маркова (СПМ).

3. Разработана общая методика моделирования взаимодействий систем авионики, которая включает следующие этапы:

1. Составление первичной СПМ.

2. Сведение СПМ к полумарковскому процессу.

3. Уничтожение примитивных переходов — сведение сети к упрощенной, а затем к идеальной упрощенной.

4. Сведение к двухпереходной сети.

4. Разработаны модели для расчета времени задержки вывода результатов обработки исходных данных и общего времени обработки данных для систем конвейерного типа в зависимости от метода синхронизации процесса обработки.

5. Разработаны модели для расчета временных характеристик процесса обработки данных системы обмена данными с предварительной обработкой информации на примере схемы аналогового уплотнения сигнала для передачи по каналу связи и схемы аналого-цифрового преобразования с аналоговым уплотнением сигнала. Получены зависимости для определения общего времени решения задачи в системе при наличии ограничений на общее количество одновременно запущенных процессов (последовательная обработка данных) и без них (параллельная обработка данных). Получены зависимости для определения выигрыша во времени для параллельной системы по сравнению с последовательной, а также выигрыша для параллельной системы с прерываниями по сравнению с системой без прерываний.

6. Разработаны модели для оценки времени доступа к данным при циклической и приоритетной дисциплинах работы диспетчера, в частности суммарного времени, затраченного на обработку данных и скорости обработки информации.

7. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение для генерации сетей Петри-Маркова в интерактивном режиме, которое позволяет оценивать следующие свойства моделируемых систем: ограниченность, живость, достижимость какого-либо состояния, временные характеристики (время цикла (периода) работы системы, время работы и простоя элементов системы, степень влияния быстродействия отдельных элементов на быстродействие в целом).

8. Прикладные результаты диссертационной работы были внедрены в производство ФГУП «Санкт-Петербургское ОКБ «Электроавтоматика» в качестве «Методики расчетов потребных ресурсов бортовых ЭВМ летательных аппаратов». Внедрение методики дает технический эффект, заключающийся в сокращении сроков разработки отказоустойчивых бортовых локальных вычислительных сетей для интеграции перспективных навигационно-пилотажных комплексов самолетов гражданской авиации, удовлетворяющих современным и перспективным требованиям безопасности и точности полетов.

Теоретические результаты работы внедрены в учебный процесс в рамках учебных курсов «Дискретная математика» и «Системы автоматизации и управления» на кафедре «Робототехника и автоматизация производства» Тульского государственного университета.