В настоящее время одним из основных требований, предъявляемых к большинству создаваемых технических объектов, является надежное ib (отказоустойчивость), т. е. способность объекта сохраняв свою функциональность под влиянием широкого спектра воздействий на протяжении заданного временного интервала. Удовлетворить эгому требованию невозможно без проведения масштабных функциональных и метрологических проверок. Испытания (тестирование и диагнос1ика) являются неотъемлемым этапом в развитии любой созданной человеком системы [1]. С ростом сложности самих систем растут также и расходы па их тестирование. В результате эти расходы могут даже превышать все остальные производственные затраты. Наличие контрольно-проверочных комплексов (КПК) или испытательных стендов — необходимое условие для успешного ввода в эксплуатацию сложных технических объектов, имеющих большое количество критичных параметров. К таким техническим объемам можно отнести многие современные средства вооружений, аэрокосмическую технику, объекты ядерной энергетики и химического производства. КГ1К для таких объектов контроля обычно проектируются и создаются параллельно разработке самих объектов. Также КПК в том или ином виде использую 1ся на многих этапах разработки новых систем, в том числе при проведении автономных испытаний, приемо-сдаточных испытаний, испытаний входпо! о контроля и комплексных испытаний.
Современные КПК сложных технических объектов включают в себя большое количество разнообразной измерительной annapaiypbi, управляющие ЭВМ, средства коммуникации с объекюм кошроля, специализированные программные средства. При создании таких KIIK возникает множество проблем, в числе которых согласование большою количества разнообразных аппаратных и программных протоколов, по которым осуществляется взаимодействие между подсистемами внуфи комплекса. Одним из способов снижения затрат на испьпания в эюм случае является создание и использование испытательной базы общего назначения, включающей в себя как аппаратные, так и программные средства поддержки испытателя.
Контроль и диагностика в настоящее время превратились в одну из важнейших задач, возникающих при создании сложных объектов. Во всех технически развитых странах предпринимаются попытки унифицирован^ процессы разработки и эксплуатации сложных КПК, повысив козффициеш повторно используемых аппаратных и программных элементов, создать технологию разработки надежных, открытых к расширению испыта1ельных стендов. Создание и применение подобных технологий обещает повысшь общую эффективность высокотехнологичных отраслей, расширить сферы применения сложной техники. Более того, очевидно, что дальнейший прогресс в данных областях невозможен без широкого применения средс1 В автоматизации при подготовке и проведении испытаний.
Основные проблемы, возникающие при разработке сложных испытательных стендов.
Базовым источником исходных данных для проектирования и создания КПК является перечень сигналов (контролируемых парамефов и стимулирующих воздействий), характерных для заданного объекта контроля [2,3]. Для многих современных средств вооружений и аэрокосмической техники подобные перечни могут содержать coihh и тысячи сигналов различной природы (аналоговых и цифровых) [4]. Выбор аппаратных средств, на которые будут возложены задачи обрабо1КИ входных/выходных сигналов объекта контроля, диктуется 1ем обстоятельством, что для создания автоматических и автоматизированных испытательных стендов необходимым условием является применение аппаратных средств с программным управлением. Недостатка в контрольно-измерительных приборах, обеспечивающих измерение или кошроль необходимых физических (логических) параметров и управляемых программно через специализированные интерфейсы, не ощущается. Подобная аппаратура производится и в России, и за рубежом. Основная сложность здесь — отсутствие как аппаратной, так и программной унификации измерительных средств различных производителей между собой.
Рис. 1. При разработке КПК традиционными методами каждый раз приходится создавать программное обеспечение для стыковки различных подсистем комплекса.
Вследствие этого разработчик КПК должен самостоятельно решать проблемы аппаратной и программной стыковки измерительных приборов в рамках системы (рис. 1). В такой ситуации разработчик КПК вынужден разрабатывать весь спектр программного обеспечения (ПО) — от уровня отдельных приборов до уровня приложений, исполняющих программы испытаний. В результате получается узкоспециализированная система, возможности модернизации и расширения которой сильно ограничены.
Еще более сложная ситуация возникает при участии в создании испытательного стенда нескольких коллективов разработчиков. Подобная ситуация встречается достаточно часто, так как в состав объектов кон троля могут входить разнородные подсистемы, проектирование и разработку контрольно-проверочной аппаратуры (КПА) для которых целесообразно поручить организациям, специализирующимся в соответствующих областях.
Серьезные трудности возникают уже на этапе разработки технических заданий для разработчиков КПА. Если для интеграции различных приборов в рамках КПА достаточно определиться с приборными интерфейсами, представленными на рынке, то для интеграции нескольких КПА в единый КПК необходимо для каждой подсистемы разработать, согласован? и реализовать протокол взаимодействия. Если протокол для каждой КПА уникален, то значительно увеличиваются трудозатраты и снижайся надежность системы в целом, поскольку увеличивается вероятность допущения ошибок в самих протоколах и реализациях алгоритмов ПО, работающего на их основе.
Одним из распространенных способов решения описанных проблем является использование в рамках КПК аппаратных и про1раммных решений одного производителя (зарубежного или отечественного). Такой подход «привязывает» разработчиков объекта контроля и соответствующею К11К к конкретному производителю контрольно-измерительной аппаратуры, чю имеет множество негативных последствий. Более комплексным решением является разработка, стандартизация и использование единой про1раммной модели контрольно-измерительных подсистем в составе тестовых и диагностических комплексов.
По оценкам одной из ведущих компаний в области разрабо1Ки аппаратного и программного обеспечения для проведения испьпаний National Instruments [5], при создании программно-аппаратных комплексов для тестирования и диагностики 30% затрат ресурсов составляет разрабо1ка программного обеспечения комплекса и 27% - системная интеграция. Таким образом, одними из наиболее приоритетных задач являются задачи создания ПО общего назначения для облегчения разработки новых КПК, программных средств для упрощения интеграции существующих тестовых и диагностических средств в рамках одного КПК, а также создание методик и соответствующего программного обеспечения для автоматизации процессов проектирования и разработки сложных контрольно-проверочных комплексов.
В связи с этим, целью диссертационной работы является разрабо1ка улучшенной, по сравнению с существующими, модели контрольно-измерительных подсистем контрольно-проверочных комплексов, а ткже архитектуры, объединяющей данные подсистемы в единый комплекс. Разрабатываемые модель и системная архитектура должны обеспечивав интеграцию в единый контрольно-проверочный комплекс как существующих программно-аппаратных средств, так и вновь создаваемых. Должны бьпь разработаны методика создания, интеграции унифицированных контрольно-измерительных подсистем и специализированные программные средс1ва для автоматизации этапов проектирования и разработки контрольно-проверочных комплексов.
Актуальность темы
Использование автоматизированных контрольно-проверочных комплексов позволяет значительно ynpocmib тестирование и диагностику сложных технических систем в ходе разработки и эксилуатции последних. Автоматизация процедур разработки и интеграции подсистем в составе КПК позволяет, в свою очередь, существенно снизить зафаш на создание этих КПК за счет возможности использования при создании КПА широкого спектра аппаратных и программных средств различных производителей. Это особенно важно в современных условиях, коида стоимость создания КПК может превышать остальные производственные расходы по созданию объекта контроля.
Научная новизна. На основе анализа существующих моделей тестовых и диагностических систем и проблем, возникающих при их реализации, предложена модифицированная сигнал-ориентированная модель проведения испытаний, согласно которой все взаимодействия между КПК и объекюм контроля представляются в виде измерения параметров и выдачи управляющих команд на объект контроля, т. е. в виде передачи сш налов между КПК и объектом. В рамках данной сигнал-ориентированной модели предложена архитектура для построения контрольно-измерительных подсистем КПК, основанная на концепции контрольно-измершельных трактов (КИ-трактов) — программных модулей, абстрагирующих программное обеспечение КПК от низкоуровневых операций с той или иной КПА за счет использования сигнал-ориентированного интерфейса. Научная новизна состоит в следующих результатах:
— в отличие от исходных моделей, ориентированных на описание и управление измерительной аппаратурой, разработнная сш нал-ориентированная модель имеет более высокий уровень абстракции и предназначена для описания контрольно-измерительных тракюв в терминах сигналов, подаваемых на входы и измеряемых с выходов объекта контроля с помощью данных трактов;
— разработана методика создания контрольно-измерительных тракюв, включающая моделирование КИ-трактов, автоматическое создание начального исходного кода КИ-трактов на основе модели, а ткже верификацию готовых трактов на соответствие первоначальной модели;
— создана библиотека программных средс1 В для авюмашзации всех этапов разработки контрольно-измерительных трактов в соотваавии с предложенной методикой.
Практическая ценность. Предложенные методика и библио1ека поддержки позволяют строить тестовые комплексы различных уровней сложности: от простых испытательных стендов до тестовых сиаем промышленного назначения. Для этого, в частности, разработаны среда ва, облегчающие масштабирование и увеличение производительности сиаемы в целом за счет размещения отдельных компонентов системы на нескольких компьютерах. Использование разработанных средств позволяют сократи п> затраты на создание сложных КПК.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались: на Первой научно-технической конференции.
Метрологическое обеспечение испытаний вооружения и военной техники" (Москва, февраль 2002 г.), на Всероссийской научно-технической конференции «Информационные системы и технологии» (Н. Новюрод, апрель 2002 г. и апрель 2003 г.), на конференциях «Метроло1ическое обеспечение обороны и безопасности в РФ» (Москва, ноябрь 2002 i. и сентябрь 2004 г.), на Международном симпозиуме «Аэрокосмические приборные технологии», (Санкт-Петербург, сентябрь 2002 г.). Резулыаш работы использовались при разработке в НИФТИ ННГУ тесювых комплексов по следующим хоздоговорам и грантам:
1. Хоздоговор с ФГУП НПО «Орион» на разработку, изготовление и ввод в эксплуатацию контрольно-проверочного комплекса (КПК) аппаратуры 14Р511. Разработанный КПК успешно прошел приемосдаточные испытания и введен в эксплуатацию. Резулыаш рабош внедрены и использовались в НПО «Орион» на стадиях отладки, комплексных и приемо-сдаточных испытаний аппаратуры 14Р511.
2. Хоздоговор с ФГУП КБ «Арсенал» на разработку, изготовление и ввод в эксплуатацию АПК-АКПА «Лиана» .
3. Грант Рособразования по программе «Развитие научного по1еициала высшей школы», подпрограмма «Прикладные исследования и разработки по приоритетным направлениям науки и техники». Задание — «Аппаратно-программный комплекс для стендовых испьпаний бортовых систем космических аппаратов» .
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Модифицированная сигнал-ориентированная модель и соответствующий программный интерфейс для унификации взаимодействия с контрольно-измерительными подсистемами.
2. Архитектура для построения сложных многомодульных контрольно-проверочных комплексов с использованием предлагаемой сш нал-ориентированной модели.
3. Программные средства для автоматизации разработки конфолыю-измерительных трактов.
4. Методика разработки контрольно-измерительных трактов.
Содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5.
Основные результаты, полученные в данной работе, заключаются в следующем.
1. Разработана сигнал-ориентированная модель контрольно-измерительных подсистем и соответствующий ей сш нал-ориентированный интерфейс для упрощения интеграции аппаратуры различных производителей и взаимодействия с ней программною обеспечения, содержащего логику проведения испытаний. Модель позволяет проводить тестирование сложных технических объекюв независимо от их области применения и функциональности, а также не содержит абстракций, не относящихся к терминам тестирования и диагностики, что облегчает взаимодействие между проектировщиками тестовых комплексов и разработчиками отдельных кошрольно-измерительных трактов в их составе.
2. Разработана основанная на предложенной модели архитектура для построения контрольно-проверочных комплексов на базе контрольно-проверочной аппаратуры различных производителей.
3. Предложенная архитектура имеет возможность масштабирования и наращивания вычислительных и аппаратных мощностей с иомощыо размещения компонентов системы на нескольких компьютерах. Такая архитектура позволяет создавать как небольшие испытательные стенды, так и сложные тестовые комплексы промышленною и военного назначения.
4. Разработана методика создания сложных контрольно-измерительных трактов, включающая этапы моделирования, генерации исходного кода трактов, а также верификацию готовых трактов на coofbcicibhc исходной модели.
5. Реализована библиотека программных средств для автоматизации всех этапов разработки контрольно-измерительных трактов в соотве! С1вии с предложенной методикой. Библиотека создана с учетом возможности оптимизации разработки сложных трактов за счет ведения параллельной разработки и последующей интеграции программною кода сигналов в состав тракта. Входящие в библиотеку инструмешы позволяют автоматизировать наиболее трудоемкие операции при создании КИ-трактов.
6. Предложенные архитектура, сигнал-ориентированный интерфейс, средства автоматизации и методика были успешно использованы при создании КПК для проведения проверок аппаратуры 14Р511 на этапах автономных испытаний, приемо-сдаточных испытаний, испьпаний входного контроля и комплексных испытаний. Применение данных разработок позволило значительно сократить сроки создания комплекса.
Заключение
.
Проведение испытаний современных технических сис1ем являе1ся сложной задачей. Основной проблемой при этом является большое число контролируемых параметров, различающихся как по номенклатуре, так и по диапазонам проводимых измерений. Из этого следует необходимое ib введения в состав контрольно-проверочных комплексов болыпо! о количества разнообразной контрольно-измерительной и управляющей аппаратуры, а так же программного обеспечения для автоматизации процесса проведения испытаний. Создание таких сложных контрольно-проверочных комплексов затруднительно без использования соответствующих средс i в для автоматизации проектирования и разработки.
В обзорной части работы показано, что недостатка в щхмраммно-управляемой контрольно-измерительной аппаратуре в настоящее время практически нет — существует большое количество как зарубежных, так и отечественных производителей, поставляющих разнообразные аппаратные решения для различных областей применения. Интеграция этих решений в системы и комплексы упрощается также наличием широко распространенных и хорошо зарекомендовавших себя стандартов на создание модульной аппаратуры, таких как VXI, PXI и т. п. С другой стороны, показано, что существующие модели контрольно-измерительных подсис! ем и программные средства для создания контрольно-проверочных комплексов имеют ряд недостатков, значительно усложняющих их использование при создании КПК с большим количеством и разнообразием контролируемых параметров.
В работе предложена сигнал-ориентированная модель программно-аппаратных контрольно-измерительных подсистем КПК (контрольно-измерительных трактов), а также архитектура построения КПК на основе соответствующего предложенной модели сигнал-ориентированного интерфейса для разделения программного кода логики процедур проведения испытаний и программного обеспечения сбора/обработки данных и управления контрольно-измерительной аппаратурой. Абстракции, используемые в модели, не зависят от конкретной предметной обласш проведения испытаний, что открывает путь к ее широкому применению при создании контрольно-проверочных комплексов. Основной обласшо применения представленных в работе архитектуры и средств рафабо1ки является построение автоматических и автоматизированных КПК.
На основе предложенной модели разработан набор программных средс i в для автоматизации процесса разработки сложных контрольно-проверочных комплексов, а также предложена методика проведения таких разработок.
Успешная апробация и внедрение описанных модели, методики и средств разработки при создании реального контрольно-проверочно! о комплекса для технического объекта промышленного уровня сложное i и позволяет сделать вывод о перспективности концепций, положенных в основу данной работы. Опыт, полученный при внедрении резулыаюв работы на предприятиях космической отрасли и интерес, проявленный производителями сложных технических систем к средствам автоматизации испытаний, открывают возможности для дальнейшего развития предложенных концепций и совершенствованию разработанною программного обеспечения.