автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Алгоритмы контроля вычислительной системы интегрированной модульной авионики и ее функциональных элементов

0 1 5-5/538 На правах рукописи

Л;

Книга Екатерина Викторовна

АЛГОРИТМЫ КОНТРОЛЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ИНТЕГРИРОВАННОЙ МОДУЛЬНОЙ АВИОНИКИ И ЕЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Специальность 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2015

Рабата выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент

Жаринов Игорь Олегович

Официальные оппоненты: Бундин Герман Георгиевич

доктор технических наук, профессор ОАО "НПП Радар ммс", старший научный сотрудник отдела аспирантуры

Володягнн Андрей Валерьевич

кандидат технических наук, АО "Заслон",

зам. главного конструктора РЛС-Х

Ведущая организация: ОАО «ВНИИРА»

Защита состоится «24» сентября 2015 г. в 16-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.227.03 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49., ауд. 285.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49 и на сайте fopo.ifttio.ru .

Автореферат разослан « ^ » и Ю/1 ¡Л, 2015 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Дударенко Наталия Александровна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность темы и степень ее разработанности. На современном этапе развития отечественная авиационная промышленность подходит к созданию летательного аппарата (ЛА) нового поколения. Ключевая роль в создании ЛА нового поколения отводится созданию новой универсальной вычислительной системы (ВС). Универсальная ВС входит в состав ряда авиационных комплексов (пилотажный, навигационный и пр.), управляющих движением ЛА в полете, и разрабатывается согласно концепции, получившей название «интегрированная модульная авионика» (ИМА), подробно изложенной в группе стандартов АЫЫС 651-655.

Стандарты АЯ1ЫС 651-655 регламентируют порядок разработки компонентов аппаратного и программного обеспечения ВС, из которых в последующем строится универсальная ВС для авиационного применения. Реализация предложенных в стандартах идей предполагает придание ВС ИМА:

- качественно новых эксплуатационных свойств;

- повышенных значений технико-экономических показателей по сравнению с существующими сегодня вычислительными системами (ВС четвертого поколения), находящимися в эксплуатации.

Практический опыт разработки ВС четвертого поколения и перспективных ВС ИМА показал существенные отличия в принципах их структурной организации и выявил объективную потребность современного производства в создании новых методов и средств автоматического и автоматизированного контроля, специализированных под вычислительные системы ИМА и обеспечивающих свойство реконфигурации ВС при возникновении отказов в полете.

Принятые в ВС четвертого поколения технические решения в области организации средств контроля оказываются неприменимыми для создания средств контроля перспективных ВС, в связи с чем актуальной является задача создания и исследования методов и средств контроля ВС, специализированных под ВС ИМА.

Объектом исследования диссертационной работы является бортовая цифровая вычислительная система, разрабатываемая согласно концепции ИМА.

Предметом исследовании диссертационной работы являются методы и средства контроля ВС ИМА, применяемые во время полета ЛА и во время производства ВС и сс функциональных элементов на заводе-изготовителе.

Цель диссертационной работы заключается в разработке средств контроля ВС ИМА, обеспечивающих проверку вычислительной системы и входящих в нее функциональных элементов (модулей) в процессе полета ЛА и в процессе производства ВС на заводе-изготовителе.

Задачи диссертационного исследования:

1. Анализ принципов построения ВС ИМА и ее функциональных элементов (модулей).

2. Анализ существующих методов и средств контроля вычислительных систем ИМА.

3. Выбор технических решений, положенных в основу создания алгоритмов контроля ВС ИМА.

4. Разработка схемы унифицированного автоматизированного рабочего места (АРМ) проверки, используемого для контроля функциональных элементов ВС ИМА на заводе-изготовителе.

5. Разработка алгоритмов контроля ВС ИМА во время полета ЛА.

6. Разработка алгоритмов контроля функциональных элементов ВС ИМА в составе унифицированного рабочего места проверки.

7. Разработка программного обеспечения (ПО), реализующего алгоритмы контроля функциональных элементов ВС ИМА на заводе-изготовителе.

8. Апробация алгоритмов контроля ВС ИМА в составе реальной вычислительной системы.

Научная новизна результатов диссертационной работы. В процессе выполнения комплексных теоретических и экспериментальных исследований и внедрения результатов диссертационной работы в авиационную промышленность решена актуальная научно-техническая задача, заключающаяся в разработке алгоритмического и программного обеспечения средств автоматического и автоматизированного контроля перспективных ВС ИМА и ее функциональных компонентов. Научной новизной обладают следующие результаты:

1. Алгоритм контроля ВС ИМА в полете Л А, отличающийся от известных: параллельным принципом организации контроля всех функциональных элементов; введением процедуры многократного перекрестного контроля каждого функционального элемента; введением процедуры мажорирования результатов контроля каждого функционального элемента ВС, повышающих в совокупности достоверность контроля ВС ИМА.

2. Алгоритмы и комплекс программ для контроля функциональных элементов ВС ИМА, применяемые в составе унифицированного АРМ на заводе-изготовителе, отличающиеся от известных модульным принципом построения структуры тестов с разделением модулей тестов по функциональной принадлежности каждого тестируемого компонента.

3. Математические модели оценки вероятности безотказной работы ВС ИМА , учитывающие различные актуальные для авиационной промышленности способы резервирования функциональных элементов (модулей) ВС: резервирование на уровне подсистем, резервирование на уровне однотипных функциональных модулей и скользящее резервирование на уровне идентичных функциональных модулей.

4. Аппаратно-программный комплекс для контроля и диагностики функциональных элементов ВС ИМА, функционирующих в нормальных и специальных условиях эксплуатации, включающий программное обеспечение, информационно-измерительное обеспечение, алгоритмическое обеспечение.

Теоретическая значимость работы состоит в разработке новых средств автоматического и автоматизированного контроля ВС ИМА и ее функциональных элементов.

Практическая значимость результатов диссертационной работы заклю-

чается в том, что в процессе диссертационного исследования созданы:

1. Комплекс программ для контроля ВС ИМА и ее функциональных элементов в составе предложенного АРМ. Программное обеспечение контроля внедрено в производственный процесс изготовления конструктивно-функциональных модулей, входящих в состав изделия СБВС-011 разработки ФГУП «Санкт-Петербургское ОКБ «Электроавтоматика» им. П.А. Ефимова».

2. Комплекс математических моделей оценки вероятности безотказной работы вычислительной системы, включенный в программу обеспечения надежности ВС, создаваемых на этапе изготовления и испытаний опытных образцов изделий вычислительной техники авиационного применения.

Методы исследований. Результаты, полученные в диссертационной работе, основаны на использовании методов теории систем, методов системного анализа и синтеза, методов математического моделирования, методов теории надежности, методов теории вероятностей и математической статистики.

Положения, выносимые на защиту:

1. Алгоритм контроля бортовой цифровой вычислительной системы ИМА, функционирующей в процессе полета ЛА.

2. Алгоритмы и комплекс программ контроля функциональных модулей вычислительной системы ИМА, используемые в составе унифицированного автоматизированного рабочего места на заводе-изготовителе.

3. Математические модели оценки вероятности безотказной работы вычислительной системы ИМА и ее функциональных элементов.

4. Аппаратно-программный комплекс для контроля функциональных элементов вычислительной системы ИМА на заводе-изготовителе.

Степень достоверности. Достоверность полученных результатов диссертационного исследования подтверждается успешным применением предложенных математических моделей, алгоритмов и программ в процессе решения пракгических задач по разработке средств автоматического и автоматизированного контроля вычислительных систем ИМА для перспективных ЛА.

Апробация результатов работы. Основные научные положения и практические результаты диссертационной работы были представлены и обсуждены на следующих научно-технических конференциях и семинарах: ХЫ1 научная и учебно-методическая конференция, Университет ИТМО, 29.01.201.3 01.02.2013, Санкт-Петербург, Россия; XV Конференция молодых ученых "Навигация и управление движением", ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор", 12.03.2013 - 15.03.2013, Санкт-Петербург, Россия; ХЫП научная и учебно-методическая конференция, Университет ИТМО, 28-31 января 2014, Санкт-Петербург, Россия; XVI Конференция молодых ученых "Навигация и управление движением", ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор", 11-14 марта 2014, Санкт-Петербург, Россия; XVIII Всероссийская научно-практическая конференция «Научное творчество молодежи. Математика. Информатика», Кемеровский государственный университет, 24-25 апреля 2014, г. Анжеро-Судженск, Россия; XX международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», Нацио-

нальный исследовательский Томский политехнический университет, 14-18 апреля 2014, г. Томск, Россия; International Conference of Young Scientists Automation & Control, Санкт-Петербургский Политехнический университет, 21-22 ноября 2013, Санкт-Петербург, Россия; XII международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии», Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 12-14 ноября 2014, г. Томск, Россия; XIII Международная научно-практическая конференция им. А.Ф. Терпугова «Информационные технологии и математическое моделирование», Кемеровский государственный университет, 20-22 ноября 2014, г. Анжеро-Судженск, Россия; XLIV научная и учебно-методическая конференция, Университет ИТ-МО, 03.02.2015 - 06.02.2015, Санкт-Петербург, Россия; ХУЛ Конференция молодых ученых "Навигация и управление движением", ОАО "Концерн "ЦНИИ "Электроприбор", 17-20 марта 2015, Санкт-Петербург, Россия.

Внедрение результатов диссертационной работы:

1. Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс кафедры Машинного проектирования бортовой электронно-вычислительной аппаратуры Университета ИТМО при чтении лекций по курсу «Автоматизация проектирования аппаратных и программных компонентов аналого-цифровых вычислительных комплексов» и «Аналого-цифровые вычислительные комплексы на базе ЭВМ и оптико-электронных систем». В частности, внедрены:

- Алгоритм контроля бортовой цифровой вычислительной системы класса интегрированной модульной авионики.

- Алгоритмы и комплекс программ для контроля функциональных элементов (модулей) цифровой вычислительной системы класса интегрированной модульной авионики в составе унифицированного АРМ.

2. Результаты диссертационной работы внедрены в производственный процесс и разработки ФГУП «Санкт-Петербургское ОКБ «Электроавтоматика» им. П. А. Ефимова» при проектировании средств контроля и диагностики бортовых цифровых вычислительных систем. В частности, при создании изделия СБВС-011 внедрены:

-Математические модели оценки вероятности безотказной работы ВС ИМА, учитывающие различные способы резервирования функциональных компонентов (модулей): резервирование на уровне подсистем, резервирование на уровне однотипных функциональных модулей и скользящее резервирование на уровне идентичных функциональных модулей.

- Аппаратно-программный комплекс для контроля и диагностики функциональных элементов ВС ИМА, функционирующих в нормальных и специальных условиях эксплуатации, включающий программное обеспечение, информационно-измерительное обеспечение и алгоритмическое обеспечение.

3. Результаты диссертационной работы внедрены в следующих научно-исследовательских и опытно-конструкторских работах:

- НИОКР «Создание образцов комплекса унифицированных базовых элементов бортового оборудования открытой архитектуры на основе интегриро-

ванной модульной авионики. Создание образцов вычислительных и интерфейсных средств: бортовой системы специального назначения общих вычислительных ресурсов с типоразмером модулей 6U» (заказчик - ОАО «Авиаприбор-холдинг», 2013-2014 гг.);

- НИР «Исследования по созданию конкурентоспособного на мировом рынке отечественного бортового оборудования на основе разработки новых функций КБО, платформы интегрированной ависники 2-го поколения и функционального программного обеспечения, создания прототипов инновационных распределенных общесамолетных систем и высокоинтегрированных многофункциональных систем КБО с минимальной номенклатурой стандартных унифицированных модулей на базе перспективной технологии проектирования» (заказчик - ФГУП «ГосНИИАС», 2011 -2015 гг.);

- ОКР «Разработка изделия 57 для объекта ПС111» (заказчик - ОАО «Компания «Сухой» «ОКБ Сухого», 2013-2014 гг.);

- ОКР «Разработка аппаратно-программных средств радиационно-стойкого контура бортовой вычислительной системы для объектов 45.03М и 70М» (заказчик - ОАО «Туполев», 2014-2016 гг.);

- НИР «Проектирование и разработка методов создания безопасных информационных и технологических систем» (заказчик - Университет ИТМО, НИР №610479,2012-2015гг.).

4. Исследования по теме диссертационной работы поддержаны грантом «Исследование принципов тестирования бортовых цифровых вычислительных систем перспективных летательных аппаратов», диплом ПСП №14223, в рамках Конкурса грантов 2014 года для студентов вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга.

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 26 печатных работ, из них 6 статей опубликовано в рецензируемых научных журналах, в том числе 5 статей из перечня ВАК РФ и 1 статья - в издании из базы цитирования Scopus, 19 статей опубликованы в сборниках грудов международных и региональных конференций, 1 учебное пособие.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения и списка литературы. Материал изложен на 145 страницах машинописного текста, включает 37 рисунков и 7 таблиц. Акты внедрения и дипломы приведены в приложении диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой научно-технической задачи, сформулированы цель и задачи диссертационного исследования, показана новизна результатов исследования и приведены научные положения, выносимые на защиту. Приведены сведения о научной и практической значимости результатов диссертационной работы, об апробации результатов работы, о структуре и объеме рукописи диссертации.

В первой главе рассмотрены основы построения архитектуры перспективных ВС ИМ А, приведена сравнительная характеристика принципов построения архитектуры ВС различных изготовителей, рассмотрена сетевая организация межмодульного внутреннего интерфейса.

Показано, что прогресс в развитии ВС авиационного применения с начала 2000-х годов начал развиваться в направлении внедрения в процесс проектирования ВС концепции ИМА. Для ВС ИМА характерно выделение логических групп физических компонентов, которые могут располагаться как в одном физическом вычислительном модуле, так и в нескольких. Все вычислительные модули, соединенные посредством высокоскоростных бортовых интерфейсов, являются высокоинтегрированными устройствами с общим программным уровнем управления, типичным для спецификации ARINC 653 APEX.

В главе приведены примеры известных сегодня ВС ИМА разработки: ЗАО НПП «Авиационная и Морская Электроника»; ОАО «Научно-конструкторское бюро вычислительных систем»; ОАО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро»; ФГУП «Санкт-Петербургское ОКБ «Электроавтоматика» им. П.А. Ефимова»).

Показано, что внутренняя организация изделий, обеспечивающая свойство реконфтурации вычислительных структур, основана на внедрении следующих сетевых организаций: «линия», «общая шина», «двойная звезда», комбинационные схемы на основе «полносвязной сети» и «двойной звезды». Показано, что наиболее перспективной сетевой организацией для внедрения в ВС ИМА является комбинационная схема.

Показано, что функциональными элементами ВС ИМА являются конструктивно-функциональные модули (КФМ): модуль вычислительный (MB); модуль графический (МГ); модуль ввода-вывода (MBB); модуль постоянной памяти (МПП); модуль-коммутатор (МК); модуль напряжений (МН).

Показано, что научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по проектированию КФМ для ВС ИМА в настоящее время ведутся по двум различным направлениям. Первое направление предполагает, что структура КФМ состоит из набора цифровых ПЛИС, которые выполняют функциональные задачи ВС. Второе направление предполагает реализацию функциональных задач ВС процессорным элементов. Основной задачей, общей для обоих направлений, является задача разработки средств автоматического и автоматизированного контроля ВС ИМА и ее функциональных элементов.

Во второй главе представлена функциональная схема базового КФМ для ВС ИМА, которая включает: узел поддержки модуля (УПМ); интеллектуальный узел электропитания (ИУЭП); узел связи межмодульного интерфейса (УМИ); узел функций модуля (УФМ); узел контроля и диагностики (УКД); узел связи с внешними интерфейсами (УВИ); узел связи с мезонинами (УСМ).

На рис.1 представлены функциональная схема базового модуля ИМА и функциональные схемы модулей ИМА, синтезированных на основе базового модуля. На рис.2 показаны схемы ВС, полученных на основе модулей ИМА.

а)

1 _ "¿Г^"' 1 1« ! , 1 1

мкм » -------------- | ! мпмрфмчм 1 гас Г* И«ИО

1 *си ! ,1 =1, 1

1 1 1 1

, —1---- 1 1 | |» >я —. 1—| ив.»¿за : 1 ■ V к: ...

— ---I------

! "" *...... ■«! 0»Ъ 1ТМ 1 г— А* К-«« I "1 1...... -Н

г""

Фтичссьий ючсрфоН и

в)

б)

г)

Д) е)

Рисунок I - Функциональные схемы модулей ИМА: а) базовый модуль, б) вычислительный модуль, в) модуль ввода-вывода, г) модуль постоянной памяти, д) модуль графический, е) модуль-коммутатор.

МВБ

мпп

-3 6*

Рисунок 2 - Семейство вычислительных систем ИМА.

-1 »> -в»)

■Н

6и

1_________

•1 ■2»;

+27В 5расе>У|гс

, 27в 5раоЛУ|гс

Показано, что на основе структуры базового модуля ИМА можно синтезировать заданный тип КФМ ИМА: 1) путем добавления специализированных узлов; 2) путем расширения узла функций модуля; 3) путем введения в сосгав базового модуля специализированных плат-мезонинов, реализующих требуемые функции авионики (реализация специализированных бортовых интерфейсов, реализация дополнительного объема памяти и пр.).

Представленная в главе номенклатура КФМ является достаточной для создания семейства вычислителей ИМА, покрывающих потребности авиационной промышленности в создании перспективных вычислительных систем. Показано, что внутренняя структура модулей ИМА влияет на принцип организации их тестирования и определяет содержание тестов, реализуемых программно в составе автоматизированного рабочего места на заводе-изготовителе.

В третьей главе рассмотрены принципы организации межмодульного информационного обмена в ВС ИМА и предложены: алгоритм организации контроля вычислительной системы в процессе полета и алгоритмы контроля КФМ на заводе-изготовителе. Рассмотрены следующие режимы работы ВС ИМА: статический режим, соответствующий начальному моменту включения вычислителя; динамический режим, соответствующий рабочему состоянию вычислителя в составе авиационного комплекса; тестовый режим, соответствующий режиму контроля вычислителя на функционирование.

Алгоритм работы ВС ИМА в полете представлен на рис. 3. После подачи питающих напряжений проводится тест начального включения каждого КФМ обеих подсистем. Результат о прохождении теста выдается в МПП, где записывается в электронный журнал. При успешном прохождении теста устанавливается сигнал исправности и из МПП начинается занесение функционального ПО в каждый исправный КФМ в ВС.

Структура вычислительной системы (рис.4, а), основанная на комбинационной схеме сетевых топологий «полносвязная сеть» и «двойная звезда», позволяет организовать инициирование внешнего функционального контроля ВС и отказаться от проведения внутреннего контроля каждого модуля по отдельности как это принято в ВС 4-го поколения. Внешний вид ВС ИМА приведен на рис.4, б. Каждый КФМ инициирует процедуру тестирования для трех других модулей ВС. Три КФМ передают проверяемому КФМ тестовые данные, которые модуль обрабатывает, получает результат проверки для каждого из предъявленных тестов и возвращает результат проверки тому модулю, который инициировал тест. Алгоритм прохождения такой схемы контроля одним функциональным модулем (ФМ) представлен на рис.4, в.

Модуль-арбитр, роль которого в ВС выполняет МПП, получает все результаты прохождения всеми ФМ тестов, МПП анализирует эти результаты и, либо формирует интегральный сигнал исправности БЦВС, либо (при обнаружении отказавшего модуля) запускает процедуру реконфигурации вычислительной системы. Алгоритм анализа модулем-арбитром результатов выполнения тестов для одного функционального модуля представлен на рис.5.

В процессе производства КФМ изготовители сталкиваются с проблемой контроля качества выпускаемой продукции. Контроль качества продукции на авиаприборостроительном предприятии осуществляется посредством проверки каждого КФМ в составе АРМ. АРМ по проверке КФМ обеспечивает: имитацию процессов информационного обмена по интерфейсам; контроль процесса тестирования; загрузку тестового ПО, тестирование и формирование файлов отчета с результатами тестирования каждого КФМ.

^ Качало ^

..... - ,

; Подачл питающих ; ' напряжений БЦВС \

*——ИЗ-

[Тест начального) I Тес г начального I включая ия ФМ11 ^включения ФМ2 {

рпсо:

I «МЗ...ФМ6 I Г

Г"

Тест начального оключвнкл ФМ71

Тест начального < ьключвния ФМ8|

^ Конан ^

Рисунок 3 - Обобщенный алгоритм работы ВС ИМА во время полета ЛА (реализуется функциональное и тестовое ПО).

ФМ1 проходит тест, инициированный ФМЗ ФМ1 передает результат гесте ФМЗ

__П_

ФМ1 инициирует тест для ФМЗ ФМ1 получает результат ст теста ФМз Сравнизает результат с эталонным Передает результат арбитру

ФМ1 проходит тест, инициированный ФМ4 ФМ1 передает результат теста ФМ4

ФМ1 инициирует тест для ФМ4 ФМ1 получает результат от теста ФМ4 Сравнивает результат с эталонным Передает результат арбитру

X

^ Конец )

^^ В)

б)

Рисунок 4 - Вычислительная система ИМА: а) структурная схема ВС; б) внешний вид ВС; в) алгоритм работы ФМ в режиме контроля (для одного ФМ).

ФМ1 проходит тест, инициированный ФМ2 ФМ1 передает результат теста ФМ2

ФМ1 инициирует тест для ФМ2 ФМ1 получает результат от тосте ФМ2 Сравнивает результат с эталонным Передает результат арбитру

да

ФМ1 испрао«н

( Моиец )

Рисупок 5 - Алгоритм анализа результатов контроля для одного ФМ модулем-арбитром (МПП).

Функциональная схема предложенного АРМ представлена на рис.6. АРМ но проверке КФМ ИМА содержит: инструментальную ЭВМ (ЙЭВМ), технологическое оборудование; ПО для контроля КФМ, принтер для документирования результатов, источник питания и комплект эксплуатационной документации.

Инструментальная программа контроля КФМ обеспечивает занесение в КФМ тестового ПО по технологическому каналу обмена и обмен информацией между ИЭВМ и КФМ. Внешний вид рабочего окна программ САПР по проверке КФМ представлены на рис.7.

Тест устройств и каналов ввода-вывода

Унифшмроыина» равочав ивсю

Источники питания'

Тост системы прерываний CPU

Тест системы команд CPU

1___________

I Ттноилпмвом модули

Визуашэатор ARINC81B « DVI

i.

Принтер

ра

Технологический модуль ПК, РК. МКИО w PCI

............ ,......

j Технологический модуль SpaceWua - PCI

Рисунок 6 - Функциональная схема унифицированного АРМ для контроля КФМ на заводе-изготовителе (DVI - Digital Visual Interface).

1 >S" " ; p?"

Рисунок 7 - Рабочее окно ПО контроля КФМ ИМА типа MB.

В четвертой главе приведена математическая модель оценки надежности ВС ИМА, учитывающая различные способы резервирования КФМ; описаны результаты экспериментов по апробации предложенных алгоритмов контроля ВС в составе реальной бортовой цифровой картографической станции БЦКС — вычислительной системы ИМА, входящей я навигационный комплекс ЛА для формирования летному составу картографических изображений.

В главе показано, что надежность ВС ИМА существенно зависит от принятой разработчиками ВС схемы резервирования КФМ. Рассмотрены три актуальных для авиационной промышленности конфигурации ВС ИМА.

На рис.8 представлены схемы внутренней связи ФМ в ВС и эквивалентные схемы надежности. ВС ИМА на рис.8, а реализует резервирование на уровне подсистем: если хотя бы один из ФМ в подсистеме отказал, подсистема считается отказавшей, и приступает к работе вторая подсистема.

X

X

X

X

ФМ

ом

ФМ

6)

Рисунок 8 - ВС ИМА с реализацией

резервирования на уровне: а) подсистем ВС, б) однотипных ФМ, в) идентичных ФМ.

На рис.8, б представлена ВС ИМА с реализацией резервирования на уровне однотипных модулей. При отказе ФМ приступает к работе второй ФМ того же назначения. Для того, чтобы ВС считалась отказавшей необходимо, чтобы отказало два однотипных модуля. На рис.8, в представлена ВС ИМА с реализацией скользящего резервирования на уровне идентичных ФМ. Бели в такой ВС для работы необходимо четыре функциональных модуля, то для того, чтобы система считалась отказавшей, необходимо, чтобы отказало пять идентичных функциональных модулей.

Если принять, что вероятности безотказной работы всех модулей примерно одинаковы, т.е. в состав каждого ФМ входит примерно одно и то же число радиоэлементов со сравнимыми показателями ^.-надежности, то вероятности безотказной работы для ВС, представленных на рис.8, будут определяться по формулам:

рМ=1-(1-1»(/)У (1)

(2)

(3)

р,(,)=['-о-^му]- На • /"« о - кг ] -'»«

) Г вычислительных систе ормуле:

Т = \Р(1)Л, (4)

Средняя наработка на отказ Т вычислительных систем для рассматриваемых случаев рассчитывается по формуле:

где / - время работы ВС.

Результаты расчетов, полученные по формулам (1) - (4), следующие: 7",=6000 ч (для рис.8, а), Т7=1012.7 ч (для рис.8, б), Г3=14444 ч (для рис.8, в).

Эксперименты по апробации предложенных алгоритмов контроля описаны в главе на примере работы ВС ИМА, решающей на борту ДА в составе навигационного комплекса задачу синтеза картографического изображения. Представлены временные оценки цикла выполнения вычислительной системой бортовой задачи авионики для различных схем связи, реализованных в ВС ИМА. Также в главе приведены результаты испытаний ВС на исследование по-мехоэмиссии с внедренным в ВС программным обеспечением контроля.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационного исследования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

На основе выполненных исследований были предложены и реализованы новые средства контроля ВС ИМА и ее функциональных элементов:

1. Проведен анализ существующих методов и алгоритмов контроля ВС перспективного ЛА. Установлено, что для вычислительных систем 4-ого поколения использовался последовательный принцип построения алгоритма контроля. Показано, что для перспективных ВС целесообразно использовать параллельный принцип контроля.

2. Предложен алгоритм контроля ВС ИМА во время полета. Установлено, что для перспективных ВС следует использовать режим «внешнего» инициирования контроля с внедрением принципа мажорирования результатов контроля функциональных элементов

3. Предложено унифицированное АРМ, используемое для контроля КФМ ВС ИМА на заводе-изготовителе. Показано, что описанной в главе 2 номенклатуры функциональных модулей ИМА возможно использовать одно унифици-

рованное АРМ с применением необходимых технологических модулей.

4. Разработано программное обеспечение, используемое для контроля КФМ ВС ИМА на заводе-изготовителе. Показано, что, имея базовый набор программных тестов, можно задавать автоматизированным способом требуемый уровень контроля для каждого тестируемого функционального модуля.

5. Проведена серия экспериментов по контролю модулей и ВС ИМА с использованием предложенных алгоритмов с оценкой временных характеристик работы ВС.

6. Проведена оценка вероятности безотказной работы для трех способов организации внутренней структуры ВС ИМА, актуальных для авиационной промышленности.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Книга, Е.В. Принципы организации архитектуры перспективных бортовых цифровых вычислительных систем в авионике [Текст] / Е.В. Книга, И.О. Жаринов, А.В. Богданов [и др.] // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2013. - №2, - С. 163-165. - 0,125/0,032. п.л.

2. Книга, Е.В. Принципы построения комбинированной топологии сети для перспективных бортовых вычислительных систем [Текст] / Е.В. Книга, И.О. Жаринов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2013. - №6. - С.92-98. - 0,375/0,2 п.л.

3. Книга, Е.В. Алгоритмы и программные средства тестирования бортовых цифровых вычислительных систем интегрированной модульной авионики [Текст] / О.Л. Захарова, Ю.А. Кирсанов, Е.В. Книга [и др.] // Информационно-управляющие системы. - 2014. - №3. - С.19-29. - 0,625/0,16 п.л.

4. Книга, Е.В. Средства автоматизированного контроля мультипроцессорных многомодульных бортовых вычислительных систем [Текст] / Е.В. Книга, И.О. Жаринов // Вестник Череповецкого государственного университета. -2014. - №6. - С. 10-16. - 0,42/0,21 п.л.

5. Книга, Е.В. Принципы построения вычислительных компонентов систем интегрированной модульной авионики [Текст] / А.В. Шукалов, П.П. Парамонов, Е.В. Книга [и др.] // Информационно-управляющие системы. 2014. Л"5. - С.64-71 0,5/0,125 п.л.

6. Kniga, Е. Organization of onboard digital computer system with reconfiguration [Текст] / E. Kniga, A. Shukalov, P. Paramonov // Communications in Computer and Information Science. - 2014. - Vol. 487. - P.197-204. DOI: 10.1007/978-3-319-13671-4_24. - 0,47/0,16 п.л.

Прочие публикации:

7. Книга, Е.В. Топология внутренней электрической сети Spacewire для перспективных типов бортовых цифровых вычислительных систем авионики

[Текст] / Е.В. Книга, И.О. Жаринов // Сборник трудов молодых ученых, аспирантов и студентов научно-педагогической школы кафедры ПБКС «Информационная безопасность, проектирование и технология элементов и узлов компьютерных систем» / Под ред. Ю.А. Гатчина - СПб: НИУ ИТМО, 2013. - Выпуск

1. - С. 122-126. -0,25/0,125 п.л.

8. Книга, Е.В. Организация внутренней структуры модулей перспективных бортовых цифровых вычислительных систем авионики [Текст] / Е.В. Книга, И.О. Жаринов // Сборник трудов молодых ученых, аспирантов и студентов научно-педагогической школы кафедры ПБКС «Информационная безопасность, проектирование и технология элементов и узлов компьютерных систем» / Под ред. Ю.А. Гатчина - СПб: НИУ ИТМО, 2013. - Выпуск 1. - С.127-131. -0,25/0,125 п.л.

9. Книга, Е.В. Принципы организации вычислительных систем перспективных летательных аппаратов (материалы конференции) [Текст] // Материалы XVI конференции молодых ученых "Навигация и управление движением" / Гироскопия и навигация. - 2013. - №2. - С.156. — 0,02 п.л.

10. Kniga, E.V. Analysis and algorithms of the control in advanced digital avionics systems [Текст] / E.V. Kniga, I.O. Zharinov // Automation & Control: Proceedings of the International Conference of Young Scientists «ISCAC-2013». - Saint-Petersburg: Polytechnic University. - 2013. - P. 28-32. - 0,25/0,125 пл.

11. Книга, Е.В. Особенности унификации и стандартизации проектных решений при конструировании крейтов интегрированной модульной авионики [Текст] / Е.В Книга., И.О. Жаринов // Сборник трудов молодых ученых, аспирантов и студентов научно-педагогической школы кафедры ПБКС «Информационная безопасность, проектирование и технология элементов и узлов компьютерных систем» / Под ред. Ю.А. Гатчина - СПб: НИУ ИТМО, 2013. - Выпуск

2. - С.85-90. - 0,19/0,09 пл.

12. Книга, Е.В. Принципы организации межмодульного информационного обмена в бортовых цифровых вычислительных системах интегрированной модульной авионики [Текст] / Е.В Книга., И.О. Жаринов II Сборник трудов молодых ученых, аспирантов и студентов научно-педагогической школы кафедры ПБКС «Информационная безопасность, проектирование и технология элементов и узлов компьютерных систем» / Под ред. Ю.А. Гатчина - СПб: НИУ ИТ-МО, 2013. - Выпуск 2. - С.91-95. - 0,25/0,125 п.л.

13. Книга, Е.В. Построение вычислительных систем перспективных летательных аппаратов на основе интерфейса SpaceWire [Текст] // Материалы XV конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» -- СПб: ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ Электроприбор», 2013. - С.303-309. - 0,375 п.л.

14. Книга, Е.В. Базовые сгруктуры модулей и вычислительных систем интегрированной модульной авионики [Текст] / Е.В. Книга, И.О. Жаринов, М.О. Костишин // Сборник трудов XVIII Всероссийской научно-практической конференции «Научное творчество молодежи. Математика. Информатика» -Томск: Изд-во Томского университета. 2014. - Часть 1. - С. 137-144. - 0,313/0,11 п.л.

15. Книга, E.B. Опыт применения мультипроцессора для формирования видеопотока изображения геоинформационных данных в авионике [Текст] / МО. Костишин, И.О. Жаринов, Е.В. Книга [и др.] II Сборник трудов XVIII Всероссийской научно-практической конференции «Научное творчество молодежи. Математика. Ин(}юрматика» - Томск: Изд-во Томского университета, 2014.

- Часть 1. - С. 147-152. - 0,313/0,052 п.л.

16. Книга, Е.В. Организация информационного взаимодействия авиационных средств формирования и отображения reo информационных данных [Текст] / П.П. Парамонов, И.О. Жаринов, Е.В. Книга [и др.] // Сборник трудов ХУ1П Всероссийской научно-нрактической конференции «Научное творчество молодежи. Математика. Информатика» - Томск: Изд-во Томского университета, 2014. - Часть 1. - С.159-164. - 0,313/0,052 п.л.

17. Книга, Е.В. Исследование эргономических свойств бортовых средств отображения пилотажно-навигационных параметров и геоинформационных данных в авионике [Текст] / М.О. Костишин, И.О. Жаринов, Е.В. Книга // Сборник докладов XX Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014. - Том 1.

- С. 109-110. - 0,125/0,042 п.л.

18. Книга, Е.В. Оценка параметров помехоэмиссии бортовой цифровой вычислительной машины в цепях электропитания [Текст] / Е.В. Книга, И.О. Жаринов, М.О. Костишин // Сборник докладов XX Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014. - Том 1. - С. 103-104. -0,125/0,042 пл.

19. Книга, Е.В. Классификация и структура конструктивно-функциональных модулей бортовых цифровых вычислительных систем интегрированной модульной авионики [Текст] / Е.В. Книга, И.О. Жаринов // Сборник докладов XX Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» -Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014. - Том 2. -С. 189-190. - 0,125/0,0625 п.л.

20. Книга, Е.В. Алгоритм тестирования мультипроцессорных многомодульных бортовых цифровых вычислительных систем интегрированной модульной авионики [Текст] / Е.В. Книга, И.О. Жаринов // Вестник науки Сибири.

- 2014. - №2 (12). - С. 107-114. - 0,5/0,25 пл.

21. Книга, Е.В. Особенности построения внутренней структуры модулей вычислительных систем класса интегрированной модульной авионики [Текст] // Материалы XVI конференции молодых ученых "Навигация и управление движением" / Гироскопия и навигация. - 2014. - №2. - С. 136. -0,02 п.л.

15--86 ]Т

22. Книга, E.B. Вычислительные структуры компонентов интегрированной модульной авионики [Текст] // Материалы XVI конференции молодых ученых «Навигация и управление движением» - СПб: ГНЦ РФ ОАО «(Концерн «ЦНИИ Электроприбор», 2014. - С.365-Э70. - 0,375 п.л.

23. Книга, Е.В. Средства автоматизированного контроля функциональных компонентов интегрированной модульной авионики [Текст] / Е.В. Книга, И.О. Жаринов // Сборник трудов XII международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии» - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014. -- Том 1. - С.422-423. - 0,125/0,0625 п.л.

24. Книга, Е.В. Оценка вероятности безотказной работы вычислительных структур интегрированной модульной авионики для различных конфигураций аппаратных средств [Текст] / Е.В. Книга, И.О. Жаринов, Д.А. Закоддасв [и др.] // Сборник трудов XII международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии» - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2014. Том 1. — С.416-4] 7. - 0,125/0,03125 п.л.

25. Книга, Е.В. Организация работы бортовой цифровой вычислительной системы с поддержкой функции реконфигурадои [Текст] / Е.В. Книга, Г1.П. Парамонов, A.B. Шукалов [и др.] // Сборник трудов XIII Международной научно-практической конференции им. А.Ф. Тернугова «Информационные технологии и математическое моделирование» - Томск: Изд-во Томского политехнического унивсрситега, 2014. - Часть 1 -С.90-95.- 0,125/0.03125 п.л.

26. Книга, Е.В. Принципы построения средств контроля интегрированных многомодульных вычислительных систем авионики [Текст] : учеб. пособие / Е.В. Книга, A.B. Шукалов, Г1.П. Парамонов - СПб: Университет ИТМО, 2014. -72 с.-4.5/0.5 п.л.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении

"Университетские телекоммуникации"

197101,Санкт-Петербург, Саблинская ул. 14

Тел. (812) 233 46 69

Объем 1,0 у.п. л. Тираж 100 экз

2015674865

2015674865