Методы и средства совместной оптимизации структуры и состава аппаратуры бортовой телеметрической системы

Бортовая телеметрическая система — совокупность распределенных по изделию средств сбора и преобразования информации. В ее состав входят: различные датчики и другие источники данных, коммутаторы, запоминающие устройства, формирователи и радиопередатчики сигналов.

Современный этап развития бортовых телеметрических систем (БТМС) характеризуется, во-первых, существенным ростом объемов данных, получаемых от датчиковой аппаратуры и иных видов источников информации, во-вторых, стремлением максимально использовать выделенную информативность, в-третьих, желанием существенно сократить сроки разработки БТМС, исключая ошибки по ограничениям работы приборов и всей телеметрической системы в целом и, в-четвертых, стремлением переложить большую часть работы на ЭВМ с выдачей соответствующих рекомендаций по принятию решений.

Задача синтеза БТМС из имеющихся стандартных конструктивных блоков по исходным данным потребителя, представленным программой измерений, ограничениями радиолиний, а также массогабаритными ограничениями, в настоящий момент не формализована и решается традиционными неавтоматизированными средствами, что не исключает появления ошибок, которые могут приводить к необходимости повторного выполнения всей работы.

Решение задачи синтеза БТМС представляет собой чередование процедур проектирования БТМС и ее анализа, выполняемых в итерационном режиме до тех пор, пока не будет получено решение, приемлемое в условиях заданных ограничений и удовлетворяющее требованиям заказчика с достаточной степенью рациональности.

Многообразие задач, решаемых БТМС, делает затруднительным выбор структуры БТМС. В связи с этим встает задача синтеза БТМС. Основным документом, на основании которого проводится определение состава и программы работы БТМС, является программа измерений заказчика.

В ней задаётся полный перечень датчиков, установленных на испытываемом изделии, их типы и места расположения в изделии, желательные частоты опросов и многое другое.

В итоге, на основании проведённого проектирования получают: полный перечень коммутаторов бортовой системы и их компоновку в модули, а также информацию об используемых режимах их работыдля каждого коммутатора и для каждого канала в коммутаторе свой адрес в телеметрическом потоке системыпрограмму опроса коммутаторов и других приборов системы.

Сложность данного проектирования требует создания автоматизированного программного комплекса, решающего следующие задачи на основании исходной программы измерений заказчика: определение состава бортовой системы и её информативности;

— распределение опросов датчиков по потоку телеметрической информации (ТМИ) и определение их адресов;

— получение программы опросов в виде, готовом для программирования.

ППЗУ центрального формирователя телеметрического сигналаt.

— выдача рекомендаций по режимам работы коммутаторов, входящих в бортовую систему;

— согласование требований программы измерений потребителя с уже имеющейся у потребителя ранее изготовленной бортовой системой и, возможно, ряд других задач.

Автоматизация процесса синтеза системы и разработка программно-математического комплекса, решающего основные задачи синтеза бортовой системы, на базе программы измерений заказчика является актуальной на сегодняшний день. Это позволяет исключить ошибки проектирования, сократить временные и финансовые затраты на проектирование системы. Кроме этого появляется возможность автоматизированного изменения программы измерений на уже эксплуатирующейся бортовой телеметрической системе силами потребителя без привлечения разработчиков системы.

Главной проблемой синтеза БТМС является как большое количество исходных данных, так и ограничений при построении самой системы, что в свою очередь требует наличия высококвалифицированных инженеров, которые также не могут гарантировать при построении систем вручную отсутствия ошибок.

Объектом исследования является БТМС, построенная на базе аппаратуры «Орбита-1УМО». Комплект аппаратуры содержит набор приборов, конструктивно выполненных в виде типовых рамок, допускающих компоновку в блоки (модули). Конструкция модуля предоставляет потребителю возможность в широких пределах видоизменять комплектность и структуру построения конкретной системы измерений «Орбита-1УМО». Аппаратура «Орбита-ГУМО» является многоканальной высокоинформативной системой сбора, преобразования и передачи сигналов от датчиковой аппаратуры (датчиков), устанавливаемой на испытуемом изделии. Количество и типы датчиков определяются требованиями программы измерений изделия и характеристиками измеряемых параметров.

Исходными данными для проектирования бортовой телеметрической системы на основе программы измерений заказчика являются: полный перечень датчиков, установленных на испытываемом изделии, их типы и места расположения в изделии, желательные частоты опросов, режимы передачи информации на хранение и воспроизведение, структура информации поступающей по интерфейсу RS-232 (длина и частота следования пачек), а также количество и содержание программ опроса.

Проектирование БТМС — есть выбор единственного проектного решения из множества возможных вариантов. Анализ технологий создания БТМС показал, что решение задачи проектирования стандартным методом в виде оптимизационной задачи невозможно, так как многообразие критериев функционирования БТМС не позволяет в явном виде записать целевую функцию. В этом случае вводится система ограничений, накладываемых на проектное решение, описывающее БТМС, которая позволяет сократить множество возможных вариантов до области допустимых решений. Система ограничений неявно описывает критерии качества проектирования. Например, ограничения по выбору коммутатора при распределении датчиков по входам системы является условием оптимальной прокладки кабельной сети, которая в свою очередь влияет на энергоемкость и массу изделия.

Под предметной областью понимается та часть реального мира, отображение которой обеспечивает исследователя данными для решения поставленной задачи. К предметной области в данной работе относятся сама БТМС, датчики, коммутаторы и другие блоки БТМС.

Цель исследования заключается в разработке новых методов распределения информации и синтеза БТМС в заданной аппаратной базе.

Задача исследования состоит в разработке и создании специализированного программного обеспечения для указанной цели.

Для решения данной задачи необходимо:

— составить перечень типов сигналов, поступающих с датчиков;

— исследовать аппаратный состав БТМС и составить базу данных коммутаторов с их конструктивными ограничениямиформализовать принципы построения БТМСвыявить взаимосвязи между элементами системы и разработать методы, решающие поставленные задачи с учетом всех ограничений БТМС;

— построить программно-математическую модель для решения поставленной задачи;

— разработать, отладить и ввести в эксплуатацию программный комплекс по управлению составом и функционированием БТМС.

— экспериментально проверить работоспособность программного комплекса на примере построения нескольких систем.

Научная новизна работы заключается в разработке теоретических основ и построении модели автоматизированного синтеза БТМС, разработке новых методов и алгоритмов распределения информации, а именно:

— метода распределения датчиков по приборам БТМС с учетом конструктивных ограничений;

— алгоритм распределения асинхронной информации НАЛ;

— метода распределения абонентов по потоку ТМИ с учетом ограничений как приборов, так и всей системы в целом;

— алгоритм определения октавных адресов абонентов;

— алгоритм формирования файла задания для программы опросов. Практическая значимость работы заключается в разработке программного комплекса, который предоставляет потребителям БТМС следующие возможности:

— самостоятельно проводить предварительный анализ задачи построения системы измерений и синтез необходимой для её решения бортовой телеметрической системыиспользовать заложенные в бортовую телеметрическую систему конструктивные возможности опроса источников информации с максимальной эффективностьюпо результатам анализа системы принимать обоснованные решения об изменении состава БТМС при наличии свободных каналов у коммутаторов, а также при наличии свободных адресов в потоке ТМИснизить требования к квалификации разработчиков, исключить грубые ошибки проектирования, значительно сократить временные и финансовые затраты на проектирование системыавтоматизированного изменения программы измерений (порядок и частота опроса датчиков) на уже эксплуатирующейся бортовой телеметрической системе в пределах возможностей существующей системы силами потребителя без привлечения разработчиков системыпредложить новые методики определения состава систем при проектировании и отладке БТМС.

Структура диссертационной работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка сокращений, библиографического списка из 96 наименований, и 11 приложений. Также диссертационная работа содержит 11 таблиц и 21 рисунок.

4.4 Выводы.

В данной главе приведена структура, назначение и состав программного комплекса, использующего все методы, алгоритмы и структуры, разработанные в данной диссертационной работе. Рассмотрен сам алгоритм работы программного комплекса и приведен пример решения рассмотренных задач синтеза системы.

Для двух бортовых систем представлены расчеты оценки эффективности разработанного метода определения состава бортовой телеметрической системы и эффективности работы всего программного комплекса в целом. Анализ количественных показателей для построения различных систем показал существенное уменьшение набора приборов, необходимых для создания систем, а также значительное уменьшение времени и персонала, необходимого для синтеза и отладки бортовых телеметрических систем.

Заключение

.

В данной работе рассмотрена структура и принципы функционирования бортовой телеметрической системы. Описаны основные проблемы синтеза БТМС как на программе измерений заказчика, так и на базе существующей системы. Представлены некоторые известные методы решения частных случаев задач синтеза БТМС. Обзор рассмотренных задач показал, что решение задачи проектирования стандартным методом в виде оптимизационной задачи с учетом всех ограничений невозможно и требуется разработка новых методов решения.

Для реализации системы синтеза рассмотрен основной состав бортовой аппаратуры «Орбита-1УМО» на базе которой был произведен синтез. Представлена структура и функционирование БТМС, построенной на базе данной аппаратуры. Выделены этапы синтеза БТМС с учетом конструктивных ограничений данной системы. В связи с большим набором разнообразных коммутаторов, входящих в состав рассматриваемой бортовой аппаратуры, созданы базы данных коммутаторов и адресов коммутаторов, включающих в себя все параметры, необходимые при синтезе систем. Также данные базы данных предоставляют возможность ввода информации о новых коммутаторах для синтеза систем с новыми возможностями.

Разработаны и реализованы методы и алгоритмы решения следующих задач: задача определения состава бортовой телеметрической системы и её информативности на основе программы измерений заказчика, включающая в себя полный перечень датчиков с необходимыми параметрами.

— задача распределения абонентов системы по потоку ТМИ с определением их адресов с учетом ограничений, указанных в базе данных приборов и внутренних ограничений БТМС;

— задача формирования файла задания для программы опросов в виде, готовом для программирования ППЗУ центрального формирователя.

На основе диссертационного исследования разработан программный комплекс, позволяющий решать все задачи, рассмотренные в диссертации. Данный комплекс предоставляет потребителям ИТС следующие возможности:

— проводить предварительный анализ задачи построения системы измерений и синтез необходимой для её решения бортовой телеметрической системы;

— использовать заложенные в бортовую телеметрическую систему конструктивные возможности опроса источников информации с максимальной эффективностью;

— по результатам анализа системы принимать обоснованные решения об изменении состава БТМС, наличия или отсутствия свободных каналов и групп у приборов, а также об адресах неиспользуемой информативности;

— снизить требования к квалификации разработчиков, исключить грубые ошибки проектирования, значительно сократить временные и финансовые затраты на проектирование системыдополнено существующее специализированное программное обеспечение ИТС «Орбита-1УМО» и предложены новые методы определения состава систем при проведении экспериментов по проектированию и отладке БТМС.

Данная работа является большим шагом вперед для создания универсального автоматизированного комплекса, выполняющего не только синтез систем, а также решающего и многие вопросы, связанные с созданием и функционированием бортовых систем. В процессе проведения диссертационного исследования были замечены новые возможности разработанного программного комплекса. Основываясь на структуре выходных данных комплекса, можно обеспечить решения следующих задач: формирования файла, управляющего работой запоминающих устройствопределения режимов работы блока выработки временных командформирования задания для программы автоматического построения чертежей модулей БТМСсоздания файла задания на проведение испытаний БТМС.

Также необходимо создание универсальной базы данных, в состав которой будут входить не только коммутаторы, а также программируемые и другие блоки бортовой системы со всеми своими ограничениями и особенностями по работе. Данную информацию можно будет использовать для создания новых, как программных, так и конструкторских комплексов.