Средства структурно-параметрического синтеза систем обработки информации тренажеров операторов энергосистем

Актуальность темы

.

В настоящее время происходит все большее усложнение технологических процессов. Для обеспечения их успешного, безаварийного протекания необходимы системы управления, которые, в подавляющем большинстве, являются автоматизированными. Современное состояние развития данных систем не позволяет отказаться от использования в контуре управления человека. Для человеко-машинных (эргатических) систем характерны высокая функциональная гибкость и адаптируемость к возникающим в процессе управления ситуациям. Вместе с тем, присутствие человека в контуре управления вносит субъективизм в оценку состояния объекта. Это может привести к выработке ошибочного управляющего воздействия либо к запоздалому формированию требуемого воздействия, которое становится равносильно ошибочному. Такое развитие событий может способствовать переходу объекта управления в нештатные режимы и выходу его из-под контроля. В особенности это актуально для таких удаленных объектов управления как космические аппараты вследствие невозможности обеспечения доступа к ним для устранения сбоев. При этом увеличивается опасность потери контроля над данными объектами, что влечет за собой крупные экономические убытки.

Бортовая система энергопитания космического аппарата является одной из ключевых подсистем обеспечения его живучести и выполнения целевой задачи. В управлении бортовой системой энергопитания участвуют бортовой и наземный комплексы управления. Бортовой комплекс осуществляет управление системой энергопитания в штатных режимах эксплуатации. Наземный комплекс, производит непрерывный контроль состояния системы энергопитания и, обладая большими интеллектуальными и вычислительными ресурсами, принимает участие в прогнозировании и 7 выводе системы из предаварийных и аварийных ситуаций. Отмеченные задачи обуславливают необходимость тщательной подготовки наземных комплексов управления к выполнению возложенных на них задач. В структуру наземных комплексов включаются информационно-измерительные системы и центры управления полетами, обслуживаемые оперативным персоналом. Операторы осуществляют непрерывный дублирующий контроль состояния определенных подсистем космического аппарата.

Эффективность и качество управления бортовыми системами энергопитания в значительной степени определяются квалификацией операторов. В связи с этим необходимо обеспечить требуемый уровень их подготовки. В настоящее время в деле подготовки операторов значительное внимание уделяется их обучению на тренажерных комплексах. Современные тренажеры позволяют осуществить подготовку операторов с отработкой их действий в штатных и нештатных ситуациях. Наиболее результативно обучение проходит при использовании полномасштабных тренажеров, так как в них повторяются конфигурации реальных пультов управления [55,56]. В ходе тренировок операторы анализируют поступающую к ним информацию, соответствующую реальной.

Особую актуальность данная задача приобретает при обучении операторов и переводе наземных комплексов на управление новыми типами космических аппаратов. Значительный объем данных мероприятий проводится до ввода космического аппарата в эксплуатацию, поскольку системы управления должны быть обучены управлению новым объектом.

Вследствие сложности космического аппарата традиционно при подготовке операторов и создании программного обеспечения наземных комплексов управления используется большое количество стендовых испытаний, натурных и полунатурных экспериментов. В процессе их проведения космический аппарат или его подсистемы вводятся в определенные режимы, в ходе которых оценивается управляемость подсистемами и возможность 8 выполнения аппаратом целевой задачи. Существенные различия физических условий реальной эксплуатации космического аппарата и условий наземных стендовых испытаний не позволяют провести полномасштабное обучение операторов и верификацию алгоритмов работы наземных комплексов управления. Поэтому в процессе тренажирования и, особенно на данном этапе, широко используются средства математического моделирования и имитации функционирования подсистем космического аппарата.

Основными компонентами полномасштабного тренажера являются вычислительный комплекс, осуществляющий имитацию функционирования подсистем космического аппарата, и наземный управляющий комплекс, включающий пульты управления, полностью соответствующие рабочим местам оперативного персонала.

Поскольку необходима поверка всего тракта обработки отчетной информации о состоянии подсистем космического аппарата и комплексная верификация алгоритмического обеспечения наземных комплексов управления, то возникает задача преобразования модельной информации в телеметрический сигнал, по форме и параметрам полностью соответствующий реальному. Требование обеспечения возможности разноформатности и многорежимности трансляции телеметрической информации обуславливает необходимость создания специальных средств обработки модельной информации и сопряжения моделирующего вычислительного комплекса с аппаратурой наземных комплексов управления полетом.

При реализации средств подобного рода широко используется микропроцессорная техника. Внедрение микропроцессорных устройств в состав систем обработки информации, контроля и управления расширяет функциональные возможности данных систем.

Усложнение задач тренажирования и увеличение объема обрабатываемой тренажером информации приводит к тому, что микропроцессорные устройства сопряжения сами становятся сложными 9 системами. Традиционный процесс синтеза микропроцессорных систем (МПС) основывается преимущественно на опыте проектанта, поэтому велико количество решений, принимаемых на интуитивном уровне. Зачастую сложно произвести сравнительный анализ альтернативных вариантов проектируемой системы.

Корректность реализации функций, возложенных на микропроцессорную систему обработки информации, зависит от структуры ее аппаратной и программной конфигурации, причем характерной чертой ' всех МПС является тесная взаимозависимость аппаратного и программного обеспечений. Значительные трудности вызывает процесс взаимной отладки аппаратного и программного обеспечения данных систем. Для оценки динамической картины 4 функционирования микропроцессорных систем и полноты реализуемых ими функций традиционно используется большое количество натурных и полунатурных экспериментов, в ходе которых не всегда удается обеспечить полноценную отработку всех возможных ситуаций поведения системы, в особенности в аварийных и нештатных ситуациях. Кроме того, достаточно сложны процедуры диагностики ошибок, поскольку процессы протекают в реальном времени.

Существенно облегчает и ускоряет процесс создания МПС применение различных систем автоматизированного проектирования [43,46,80,81,86,91], однако они не позволяют в полной мере оценить работоспособность составляющих МПС обеспечений и связать их воедино. В системах эмуляции, предназначенных для отладки программного обеспечения, априори предполагается, что в конфигурации аппаратного обеспечения системы нет ошибок [40]. В этой ситуации осуществить комплексный процесс проектирования, тестирования и отладки возможно только с применением специальных средств математического моделирования. Применение моделирования значительно снижает материальные и временные затраты при синтезе и отладке систем, позволяя оценить адекватность проектных решений до их реализации.

Данные обстоятельства являются предпосылкой создания специализированных методов и средств модельного описания и исследования МПС. Существующие средства, моделирования МПС не позволяют в полной мере проводить совместную комплексную верификацию их аппаратного и программного обеспечений. Способ решения данной задачи представлен в настоящей диссертационной работе.

В настоящее время доказана высокая эффективность исследования сложных систем при помощи средств имитационного моделирования [90]. В силу специфики структурной организации и принципов функционирования, МПС хорошо описываются сетевыми аппаратами имитационного моделирования. Разработан ряд таких аппаратов [47,75], каждый из которых ориентирован на решение широкого круга задач. В силу их избыточности для решения определенных специфических задач были разработаны различные расширения [11,12,51,108,111,112,113,114,118,119]. Среди наиболее удобных математических аппаратов, используемых для моделирования процессов, протекающих в вычислительных системах, являются аппаратные сети Петри (APN) и Е-сети (EN). Они позволяют:

— описывать разнородные процессы;

— отражать их временные характеристики;

— описывать параллелизм протекания событий.

В то же время данные формальные аппараты обладают рядом ограничений, которые усложняют модельное описание и затрудняют адекватное отображение процесса функционирования вычислительных систем. В частности, это характерно для описания процессов хранения, чтения и перезаписи информации в данных системах. Процедура чтения информации из некоторого ресурса МПС организуется по способу копирования, т. е. исходная информация из ресурса-источника не удаляется.

Однако, в APN и EN перенос информации из одного ресурса системы в другой моделируется движением фишек по сети, при этом из источника информация изымается. Для обеспечения возможности многократного извлечения информации необходимо организовать тракты восстановления информации в ресурсе-источнике. Аналогичные трудности возникают и при моделировании процессов перезаписи информации, поскольку перед записью новой информации в ресурс необходимо изъять из него предыдущую информацию. В реальных же системах запись новой информации происходит с замещением прежней.

Для устранения присущих APN и EN ограничений в работе предложено новое расширение математического аппарата Е-сетевого имитационного моделирования — аппаратные Е-сети (АЕ-сети), — которые являются развитием данных аппаратов. Возможности предложенного математического аппарата в полной мере позволяет раскрыть представленный в данной диссертационной работе метод АЕ-сетевого моделирования МПС.

Цель диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является разработка средств структурно-параметрического синтеза систем обработки информации, позволяющих на модельном уровне непротиворечиво описывать структуру и функциональные характеристики аппаратного и программного обеспечения данных систем, с учетом длительности протекания и динамики развития внутрисистемных процессов и в рамках единой модели производить комплексное исследование их функционирования. В работе требовалось решить следующие задачи: разработать средства структурно-параметрического синтеза систем обработки информации тренажеров операторов энергосистемвыбрать математический аппарат имитационного моделирования для описания аппаратной структуры микропроцессорных систем и протекающих в них процессов обработки информации. разработать метод моделирования микропроцессорных систем, позволяющий представлять, с требуемым уровнем детализации, конфигурацию аппаратного обеспечения данных систем, осуществлять исполнение модели под управлением целевого программного обеспечения и проводить верификацию аппаратного и программного обеспечения. произвести апробацию возможности использования предложенного метода в качестве способа реализации структурно-параметрического синтеза системы обработки информации, входящей в состав тренажера операторов энергосистем.

Методы исследований.

Для решения поставленных задач в диссертационной работе применены методы сетевого имитационного моделирования, теории аппаратных сетей Петри, Е-сетей, АЕ-сетей, использованы положения теории планирования экспериментов, теории систем, структурного программирования. Проверка предложенных в работе теоретических положений и метода проводилась экспериментально.

Научная новизна работы.

1. Разработано новое расширение формального аппарата Е-сетевого имитационного моделирования — АЕ-сети, позволяющие непротиворечиво представлять структуру микропроцессорных систем и отражать протекающие в них процессы передачи и обработки информации.

2. Разработан метод АЕ-сетевого моделирования МПС, позволяющий представлять, с требуемым уровнем детализации, конфигурацию аппаратного обеспечения данных систем и в рамках единой модели описывать его взаимодействие с программным обеспечением, организовать выполнение модели под управлением целевых программ и выявлять ошибки в аппаратном и программном обеспечении.

3. Показана возможность сопряжения модели МПС с программным обеспечением, а также доказана возможность выполнения программ моделью. Разработаны принципы данного сопряжения.

4. Разработана методика создания > АЕ-сетевых моделей компонентов микропроцессорных систем.

5. Предложено, для организации структурно-параметрического синтеза систем обработки информации, использовать математический аппарат АЕ-сетей и метод АЕ-сетевого моделирования МПС, позволяющие выбрать требуемую конфигурацию аппаратного и программного обеспечений.

Положения, представляемые к защите.

1. Формальный аппарат АЕ-сетевого имитационного моделирования, структурные и функциональные возможности которого позволяют описывать компоненты микропроцессорных систем, а также отражать происходящие в них процессы передачи и обработки информации.

2. Метод АЕ-сетевого моделирования МПС позволяющий в рамках единой модели, с учетом временных характеристик событий, описывать взаимодействие и проводить верификацию аппаратного и программного обеспечения данных систем.

3. Методика создания АЕ-сетевых моделей компонентов МПС, учитывающая характерные особенности цифровых и микропроцессорных устройств.

Практическая ценность работы.

1. Разработанный аппарат АЕ-сетевого имитационного моделирования позволяет создавать менее избыточные модели вычислительных систем, по сравнению с моделями, представленными Е-сетями.

2. Разработанный метод АЕ-сетевого моделирования МПС позволяет производить структурный и параметрический синтез аппаратного и программного обеспечения МПС, осуществляя на модельном уровне их стыковку и взаимную отладку.

3. Создана библиотека АЕ-сетевых моделей компонентов микропроцессорных систем, включающая модели микропроцессоров, программируемых интерфейсных контроллеров и схем малой степени интеграции, используемых при создании АЕ-сетевых моделей проектируемых микропроцессорных устройств.

Реализация результатов работы.

Разработанный математический аппарат АЕ-сетевого имитационного моделирования и предложенный метод АЕ-сетевого моделирования МПС использованы в Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно-производственный центр „Полюс“» (г. Томск) в процессе создания системы обработки отчетной информации. Кроме того, математический аппарат и метод используется в учебном процессе в Сургутском государственном университете, при проведении лабораторного практикума и курсового проектирования по дисциплине «Моделирование систем». Акты о внедрении результатов кандидатской диссертационной работы приведены в Приложении 1.

Апробация результатов диссертационной работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

— Всероссийской научной конференции «Северный регион: экономика и социокультурная динамика» (Сургут, 2000),.

— Третьей окружной конференции молодых ученых ХМАО (Сургут, 2002),.

— Девятой международной открытой научной конференции (Воронеж, 2004),.

— Научных семинарах кафедры Автоматики и компьютерных систем Сургутского государственного университета.

Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 7 статей [13,32,33,35,36,37,96] и тезисы 3-х докладов [34,38,39].

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 157 страницах машинописного текста, включает 22. рисунка, 5 таблиц, а также содержит список использованной литературы, включающий 119 наименований и 21 приложение. Общий объем работы -192 страницы.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

1. Предложено использовать в качестве объекта исследований для апробации метода моделирования микропроцессорных систем в задачах структурно-параметрического синтеза систем обработки информации тренажеров операторов энергосистем микропроцессорный телеметрический адаптер, предназначенный для сопряжения вычислительного комплекса моделирования и имитации с пультами операторов, управляющих бортовыми системами энергопитания космических аппаратов.

2. Предложено 6 вариантов организации исследуемой системы обработки информации с целью выбора варианта, обладающего наибольшим быстродействием и вносящего минимальную дополнительную задержку в суммарную величину времени распространения отклика тренажера на управляющие воздействия оператора.

3. Выявлено, в результате сравнительного анализа отчетной информации, полученной в ходе модельных экспериментов, что наиболее полно удовлетворяет требованиям, предъявленным к исследуемой системе, вариант ее организации с двухбанковым оперативным запоминающим устройством межпроцессорного обмена, емкостью по одному кадру отчетной информации.

4. Показано, что метод АЕ-сетевого моделирования микропроцессорных систем может быть использован для модельной верификации аппаратного и программного обеспечения микропроцессорных систем и предложена методика ее проведения.

5. Доказано, что возможности математического аппарата АЕ-сетей и метода АЕ-сетевого моделирования микропроцессорных систем позволяют осуществить структурно-параметрический синтез и модельную верификацию аппаратного и программного обеспечения систем данного класса с единых методологических позиций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе для решения задач структурно-параметрического синтеза микропроцессорных систем обработки информации, входящих в состав тренажеров операторов энергосистем предложены: формальный аппарат АЕ-сетевого имитационного моделирования и метод АЕ-сетевого моделирования микропроцессорных систем. При этом получены следующие основные научные и практические результаты работы.:

1. На основании анализа тенденций развития тренажеров операторов бортовых систем энергопитания и причин возникновения внештатных и аварийных ситуаций определена актуальность задачи создания и развития полномасштабных тренажеров, и обоснована необходимость внедрения в их состав микропроцессорных систем обработки информации.

2. Определены роль и место МПС в архитектуре средств сопряжения вычислительного ядра полномасштабных тренажеров с аппаратурой пультов управления и сформулирована задача моделирования структуры и верификации программно-алгоритмического обеспечения микропроцессорных систем обработки информации.

3. Для адекватного модельного представления микропроцессорных систем, с учетом особенностей режимов обработки и передачи информации впервые предложен математический аппарат АЕ-сетей, являющийся новым расширением Е-сетей, разработан базовый набор элементарных АЕ-сетей и определены правила их выполнения.

4. Разработана методика создания моделей компонентов аппаратного обеспечения микропроцессорных систем, в соответствии с которой созданы более 100 АЕ-сетевых моделей интегральных микросхем различной степени интеграции, в том числе и модели микропроцессоров.

5. Разработан новый метод АЕ-сетевого моделирования МПС, который позволяет создавать модели микропроцессорных систем с необходимым уровнем детализации, ввести в них механизмы поиска ошибок, осуществить сопряжение модели с целевым программным обеспечением и организовать выполнение модели под управлением данного ПО, провести верификацию аппаратного и программного обеспечений системы.

6. Метод обеспечивает организацию структурно-параметрического синтеза микропроцессорных систем и отладку их целевого программного обеспечения на модели аппаратного обеспечения, а так же обладает возможностью мониторинга конфликтных и аварийных ситуаций в моделируемой системе.

7. Предложены принципы и структура организации автоматизированной среды моделирования микропроцессорных систем.

8. Проведена апробация метода АЕ-сетевого моделирования микропроцессорных систем на примере создания и исследования модели телеметрического адаптера, представляющего собой специализированное устройство сопряжения вычислительного ядра тренажера с пультами операторов, в ходе которой подтверждена достоверность научных положений предложенного аппарата АЕ-сетей и разработанного метода.

Результаты диссертационной работы внедрены в Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно-производственный центр „Полюс“» (г. Томск) в процессе создания системы обработки отчетной информации и в учебный процесс в Сургутском государственном университете, при проведении лабораторного практикума и курсового проектирования по дисциплине «Моделирование систем», что подтверждено актами внедрения. Предложенный математический аппарат и метод исследования носят принципиально новый характер, отражают особенности функционирования микропроцессорных систем и позволяют отладить целевое программное обеспечение на модели аппаратного обеспечения, сокращая при этом временные и материальные затраты на их создание. Для реализации всех преимуществ математического аппарата АЕ-сетей требуется дальнейшая работа по созданию системы АЕ-сетевого имитационного моделирования, а так же автоматизированной среды моделирования микропроцессорных систем, принципы и структура организации которой описана в данной диссертационной работе.

Результаты диссертации могут быть использованы при проектировании и анализе, как микропроцессорных систем, так и любых других устройств цифровой техники. Предложенный метод может быть внедрен в процесс профессионального обучения специалистов соответствующего профиля.