автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Исследование модифицированных кодов с суммированием в системах технической диагностики и обработки информации в устройствах железнодорожной автоматики и телемеханики

005537446

На правах рукописи

БЛЮДОВ Антон Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ КОДОВ С СУММИРОВАНИЕМ В СИСТЕМАХ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В УСТРОЙСТВАХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (транспорт).

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

7 НОЯ 2013

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2013

005537446

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения»

(ФГБОУ ВПО ПГУПС) на кафедре «Автоматика и телемеханика на железных дорогах»

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Сапожников Валерий Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения», заведующий кафедрой «Информационные и вычислительные системы»

Хомоненко Анатолий Дмитриевич

кандидат технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова»

Попов Борис Николаевич

Ведущее предприятие: Открытое акционерное общество «Научно-

исследовательский и проектно-конструкторский институт информатизации, автоматизации и связи на железнодорожном транспорте» (ОАО «НИИАС»)

Защита состоится 27 ноября 2013 г. в 13 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 218.008.02 на базе Петербургского государственного университета путей сообщения по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9, ауд. 7-320.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения».

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью, просим направлять в адрес ученого совета университета.

Автореферат разослан 25 октября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

Алексей Михайлович Горбачев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Современные системы управления представляют собой аппаратно-программные средства, построенные на микроэлектронной и микропроцессорной основе. Сложность их технической реализации с каждым годом возрастает. Таким образом, возрастает и риск возникновения отказов.

Задача обеспечения правильности функционирования систем управления и обработки информации на железнодорожном транспорте является особенно актуальной, т.к. в них дефект элементов внутренней структуры не должен приводить к возникновению опасных последствий для движения поездов.

Для поддержания высокого уровня надежности и безопасности функционирования современных компьютерных систем управления используются следующие методы: резервирование на аппаратном и программном уровнях, внутренний межпроцессорный контроль, применение элементной базы с низкими интенсивностями потоков отказов, тестовый и функциональный контроль. Именно последнему направлению и посвящена диссертационная работа. Рассматривается задача обеспечения функционального контроля логических устройств без памяти, входящих в любые системы управления и обработки информации.

Степень разработанности проблемы.

В области теории синтеза систем функционального (рабочего) контроля дискретных устройств (concurrent error detection), а также приложения теории кодирования для построения самопроверяемых логических схем и их тестирования большое число исследований принадлежит

B. Bose, D. Das, S. S. Gorshe, M. Gôessel, N. К. Jha, X. Kavousianos,

D. J. Lin, P. K. Lala, S. Mitra, E. J. McCluskey, D. Nikolos, N.A. Touba, S. J. Piestrak, D.K. Pradhan, N. R. Saxena, C. Zeng, A. Ю. Матросовой,

C. В. Микони, П. П. Пархоменко, В. В. Сапожникову, Вл. В. Сапожникову,

E. С. Согомоняну и др. Ключевые вопросы функционального контроля связаны с применением равномерных кодов для синтеза схем: большинство работ посвящено свойствам схем, построенных на базе равновесных кодов и кодов с суммированием.

Цели и задачи исследования. Основной целью диссертационной работы является определение свойств кодов с суммированием единичных разрядов, используемых в практике синтеза контролепригодных дискретных устройств, разработка методов повышения эффективности используемых кодов, а также приложение полученных результатов в системе управления движением поездов на станциях МПЦ-МПК (производитель: ЦКЖТ, ПГУПС).

В соответствии с указанной целью в диссертации поставлены следующие задачи:

1. Разработка модифицированного кода с суммированием с повышенной эффективностью обнаружения искажений в информационных векторах, обладающего таким же числом контрольных разрядов, как и классический код Бергера.

2. Определение свойств новых модифицированных кодов по обнаружению искажений в информационных векторах при различной длине последних.

3. Исследование свойств кодов с суммированием с минимальным числом контрольных разрядов - модульных кодов с суммированием.

4. Разработка модульно-модифицированных кодов с суммированием с повышенной эффективностью.

5. Разработка классификации кодов с суммированием единичных разрядов.

6. Разработка методов синтеза тестеров модульных и модульно-модифицированных кодов с суммированием единичных разрядов.

7. Повышение надежности работы датчиков положения стрелок в системе МПЦ-МПК за счет использования при обработке информации модифицированных кодов с суммированием.

Предмет и объект исследования. Объектом исследования являются схемы функционального контроля логических устройств, построенные с использованием свойств кодов с суммированием. Предмет исследования -способности кодов с суммированием к обнаружению ошибок в информационных векторах кодов.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследования. Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались методы теории дискретных устройств, технической диагностики, теории надежности, алгебры логики, комбинаторного и математического анализа, теории вероятностей.

Достоверность научных положений обоснована теоретическими исследованиями, экспериментальным моделированием и подтверждена практическими результатами испытаний объектных контроллеров системы управления движением поездов на железнодорожных станциях МПЦ-МПК.

Научные результаты, выносимые на защиту.

1. Метод модификации классического кода с суммированием, повышающий возможности кодов по обнаружению ошибок в информационных векторах при сохранении ключевых свойств классических кодов.

2. Результаты анализа свойств модифицированных кодов по обнаружению искажений в информационных разрядах.

3. Установленные свойства модульных и модульно-модифицированных кодов с суммированием, имеющих фиксированное

значение контрольных разрядов в зависимости от выбранного модуля счета.

4. Классификация кодов с суммированием единичных разрядов в схемах функционального контроля.

5. Методы синтеза контрольного оборудования в схемах функционального контроля по новым кодам.

Научная новизна результатов исследования состоит в следующем:

1. Предложен метод модификации кодов Бергера, позволяющий сохранять основную особенность в обнаружении ошибок классическими кодами — обнаружение всех ошибок нечетных кратностей, и снижающий число необнаруживаемых ошибок четных кратностей.

2. Установлены свойства модифицированных и модульно-модифицированных кодов с суммированием по обнаружению ошибок в системах функционального контроля.

3. Получены каталоги кодов с суммированием единичных разрядов с указанием свойств кодов по обнаружению искажений в информационных разрядах.

4. Составлена полная классификация кодов с суммированием единичных разрядов, дающая разработчику систем функционального контроля возможность выбора наилучшего варианта кодирования на этапе проектирования системы контроля.

5. Предложен способ построения генераторов тестеров модульных и модульно модифицированных кодов с суммированием, основанный на каскадном соединении сумматоров, полусумматоров и элементов сложения по модулю два.

Теоретическая и практическая значимость работы. Результат диссертационного исследования расширяет теорию функционального контроля и может эффективно использоваться в практике синтеза контролепри-годных логических схем. Установленные свойства кодов с суммированием единичных разрядов позволяют с учетом свойств контролируемых объектов правильно выбирать вариант кодирования при организации системы диагностирования. Кроме того, новые коды с суммированием могут быть эффективно применены в асимметричных каналах передачи данных.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Диссертация соответствует паспорту научной специальности 05.13.06 «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (на транспорте)», а именно, затрагивает теоретические основы, методы и алгоритмы диагностирования (определения работоспособности, поиска неисправностей, прогнозирования и пр.).

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 10th IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS'2012), Kharkov, Ukraine, September 14-17; I МНПК

«ИнтеллектТранс-2011»; на I МНПК «Информационные технологии в управлении» (ИТУ-2012), 9-11 октября 2012 г., ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор»; Юбилейной ХП1 Санкт-Петербургской международной конференции «Региональная информатика» (РИ-2012), Санкт-Петербург, 24-26 октября 2012 г.; III МНПК «ИнтеллектТранс-2013»; 11th IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS'2013), Rostov-on-Don, Russia, September 27-30; на семинарах по автоматике и дискретной математике и на заседании кафедры «Автоматика и телемеханика на железных дорогах» ПТУ ПС (Санкт-Петербург, 2013).

Реализация результатов работы. Предложенные в диссертационном исследовании коды используются в системе управления движением поездов МПЦ-МПК на железных дорогах РФ в составе датчика положения железнодорожной стрелки. Установленные в работе новые свойства известных кодов, а также предложенных кодов используются в учебном процессе при преподавании дисциплин «Основы технической диагностики» и «Основы теории надежности» в ФГБОУ ВПО ПТУ ПС.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 17 работ, в числе которых 7 статей в изданиях из Перечня ВАК РФ, 3 работы в академических изданиях РФ и Украины.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка использованных источников и приложений. Работа содержит 178 страниц основного текста, 59 рисунков, 45 таблиц, а также 4 приложения. Библиография включает 124 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, определены направления и задачи исследования.

В первом разделе диссертации проведен анализ используемых методов построения контролепригодных логических устройств и подходов к организации их диагностирования. Описываются принципы построения систем функционального контроля (рис. 1), рассматриваются вопросы применения избыточных кодов, имеющих приложение в практике синтеза контролепригодных логических схем, дается сравнение свойств по обнаружению ошибок в кодах с позиции их применения в системах функционального контроля, определяются цели и задачи диссертационного исследования.

Рис. 1. Система функционального контроля

Второй раздел диссертации посвящен исследованию возможностей по обнаружению ошибок предложенного модифицированного кода с суммированием (кода Бергера, S(n,m)-Kода) в схемах функционального контроля (рис. 1).

Контролю подлежит блок основной логики fix), который вычисляет систему булевых функций fi(x),f2(x), ..., f„,(x). Этой системе функций соответствует информационный вектор кода с суммированием, формируемый на параллельных выходах блока основной логики. Его длина — т. Для контроля правильности вычислений рабочих функций в схеме функционального контроля предусматривается блок дополнительной логики g(x), вычисляющий по правилам заранее выбранного кода контрольные функции gi{x), g2(x), ..., gh{x). Это есть контрольный вектор длины к. Таким образом, на выходах обоих блоков формируется вектор кода с суммированием. Факт правильности образуемого в произвольный момент времени на выходах обоих блоков кода фиксируется самопроверяемой схемой тестера (СПТ).

Все ошибки в векторе <gi g> ... gk> обнаруживаются, т.к. нарушается соответствие в контрольной части кода. Существенное число ошибок информационного вектора <fifi ... ,/м> обнаруживается схемой тестера, однако, существуют необнаруживаемые искажения. Они полностью определяются свойствами применяемого кода. В диссертации рассматривается случай потенциального возникновения искажений только в информационных разрядах кодовых векторов при безошибочности контрольных векторов. Из правил построения кодов с суммированием ясно, что ошибка в информационном векторе будет необнаруживаема тогда и только тогда, когда она не нарушает соответствия между информационными и контрольными разрядами.

На основе анализа таблиц распределения информационных векторов на группы контрольных векторов в диссертации предложена следующая формула подсчета числа необнаруживаемых ошибок в информационных разрядах S(n,m)-кода:

(1)

peQ.

где p = Crm, г е {l,2,..., /и-l}, е = {с'

Например, для 5'(9,6)-кода имеем:

Q = \CI,Cl,Cl,С', ,C6S}= {6,15.20,15,6}, N, = 2(c62 + C25 + C22„ + C2 + C2) = 860.

Известно, что код Бергера имеет достаточно большое количество необнаруживаемых искажений в информационных разрядах. Возможности по обнаружению ошибок в кодах с суммированием описываются коэффициентом у, представляющим собой отношение числа необнаруживаемых ошибок информационных разрядов к общему числу ошибок информационных разрядов:

Г = Щ-. (2)

N

В диссертации показано, что большое число необнаруживаемых ошибок в классических кодах с суммированием связано с неравномерностью распределения информационных векторов на группы контрольных векторов, а также доказана теорема об оптимальном коде с суммированием:

Теорема. Минимальное общее число необнаруживаемых ошибок информационных разрядов содержит код с суммированием 8т1п(п,т), у которого все информационные векторы распределены равномерно по 2 контрольным группам.

В оптимальном коде число необнаруживаемых ошибок информационных векторов можно подсчитать по формуле:

(3)

Введен коэффициент эффективности кода, равный отношению необнаруживаемых ошибок в данном коде с суммированием к числу ошибок в оптимальном коде при фиксированном к:

4 =

N.....

(4)

Чем ближе значение коэффициента \ к единице, тем ближе код с суммированием к оптимальному коду. В табл. 1 даны коэффициенты эффективности классических и модифицированных кодов Бергера.

Таблица 1

т Жи,и) ШЦгип,1)

3 2 0,66667 1

4 3 0.2963 0,66667

5 3 0,43636 0,85714

6 3 0,52093 0,93333

7 3 0,58111 0,96774

8 4 0,30442 0,61776

9 4 0,32992 0,66443

10 4 0,35112 0,70366

11 4 0,36978 0,7379

12 4 0,38685 0,76849

13 4 0,4028 0,796

14 4 0,41797 0,82078

15 4 0,43251 0,84303

16 5 0,22321 0,44646

17 5 0,23002 0,46006

18 5 0,23661 0,47323

19 5 0,24302 0,48604

20 5 0,24926 0,49851

В данном разделе приводятся правила получения кода с суммированием. обладающего повышенным значением коэффициента 2, по сравнению с кодом Бергера:

1. Подсчитывается вес информационного вектора г.

2. Выбирается модуль Л/=2А; 6 = ]1од7(т +1^-1 •

3. Вес г берется по выбранному модулю 1¥=(г)то(1М.

4. Подсчитывается поправочный коэффициент а как сумма по модулю два заранее выбранных информационных разрядов.

5. Подсчитывается результирующий вес информационного слова Г=Ж+аМ.

Например, в табл. 2 приведены некоторые векторы нового модифицированного кода с суммированием (/?5'(и, т, /)-кода, где М— модуль подсчета, / - число информационных разрядов в а) для т=6 при а = / ®/2 © /3.

_Таблица 2

Информационный вектор №=(г)тосі4 а V Контрольный вектор

/< Л ,Гз А /5 и К/ К2 »

0 0 0 і 1 1 3 0 3 0 1 . 1

1 1 1 0 0 0 3 1 7 ] 1 1

0 I 0 0 1 0 2 1 6 1 1 0

1 0 1 1 0 0 3 0 3 0 1 1

Л5(и,»2,/)-коды обладают улучшенными характеристиками по обнаружению искажений в информационных векторах в сравнении с Б(п,т)-кодами при том же числе контрольных разрядов к, что иллюстрируется табл. 1 и рис. 2.

В диссертации установлено, что для кодов с постоянным значением числа контрольных разрядов к происходит увеличение коэффициента эффективности от кода с числом информационных разрядов т=2*_/ к коду с числом информационных разрядов т=2к—1.

Также определено, что в зависимости от правила подсчета коэффициента а получаются различные распределения информационных векторов

на контрольные группы. Всего существует = 2™ -2 вариантов подсчета

коэффициента а. Например, можно построить 62 различных &?(9,6)-кодов.

В диссертации установлены свойства повых модифицированных кодов с суммированием:

- распределения необнаруживаемых ошибок в кодах К5(п,т) являются одинаковыми при одинаковом числе информационных разрядов в линейной сумме коэффициента а;

т

т

- всего существует

целое снизу от у) вариантов по-

строения Я8М(п,т,1)-кодов, каждый из которых имеет уникальное распределение необнаруживаемых ошибок по кратности;

- при малых т в />кодах доминируют необнаруживаемые ошибки малых кратностей, с увеличением т последовательно приоритет по количеству необнаруживаемых ошибок переходит к ошибкам больших кратностей;

- коды Щп,т/) и /?5'(«,/и,от-/) имеют одно и то же распределение необнаруживаемых ошибок;

- для кодов с т < 8 общее количество необнаруживаемых ошибок не зависит от способа определения а;

- для кодов с т > 8 минимальным общим количеством необнаруживаемых ошибок обладает код, в котором для определения а использовалась

сумма

информационных разрядов.

)-код имеет минимальное число необнаруживаемых

ошибок минимальной кратности Л= 2.

Третий раздел диссертации посвящен вопросам изучения свойств кодов с суммированием с минимальным числом контрольных разрядов - модульных кодов с суммированием.

Модульный код с суммированием содержит в контрольной части двоичное число, равное весу г информационного вектора, взятому по выбранному модулю М, Обозначим данный класс кодов как 8М(п,т)-коды.

На страницах третьего раздела приводятся формулы расчета числа необнаруживаемых ошибок в информационных векторах модульных кодов с суммированием. Например, для модульных кодов с модулем счета М= 4 число необнаруживаемых ошибок данной кратности й можно подсчитать по формулам:

л *1 J

т-2— )<■—

Nd = N, (í (и>и)) + i' (5)

1=0 J=0

если mod4(d)=O,

^ d d m—2— j<—

N, = N, (S(n,m)) + 2C:¿Crt::/; (6)

/ -.'i y=()

если mod4(d)= 2,

где Nj(s(n,m)) — число необнаруживаемых ошибок в классическом

коде Бергера S(n,m), d > 4 - кратность необнаруживаемых ошибок (число необнаруживаемых ошибок кратности d= 2 равно числу необнаруживаемых ошибок кратности d= 2 в коде S(n,m)).

Из формул (5) и (6), в частности, видно, что модульные коды с суммированием хуже обнаруживают ошибки в информационных векторах, нежели коды Бергера при одинаковых значениях т.

Экспериментально показано, что ряд SM(n,m)-кодов удовлетворяет следующему положению: доля необнаруживаемых ошибок информационных разрядов кратности d от общего числа ошибок информационных разрядов данной кратности не зависит от числа информационных разрядов и является постоянной величиной ¡ic)-const.

В табл. 3 приводятся величины [3,/ для некоторых 5М(и,от)-кодов.

_ Таблица 3

Код Величины в зависимости от кратности ошибки d, %

2 4 б 8 10 12 14 16

S(n,m) 50 37,5 31,25 27,34 24,61 22,56 20,95 19,638

S2(n,m) 100 100 100 100 100 100 100 100

S4(n,m) 50 50 50 50 50 50 50 50

SSfil.m) 50 37,5 31,25 28,13 26.56 25,78 25,39 25,2

S16(n.m) 50 37,5 31,25 27,34 24.61 22,56 20,95 19,641

Кроме того, в диссертации установлены следующие новые свойства модульных кодов с суммированием:

- в модульных кодах обнаруживаются все ошибки информационных разрядов нечетной кратности, но могут не обнаруживаться ошибки четной кратности;

- любой 52(«,/я)-код (код паритета) не обнаруживает 100% ошибок информационных разрядов любых четных кратностей;

- любой 54(и,/я)-код не обнаруживает 50% ошибок информационных разрядов любых четных кратностей;

- код БМ{п,т) имеет такое же число необнаруживаемых ошибок кратности d<M, что и Б(п,т)-код;

- любой 5М(и,1я)-код со значениями М > 4 не обнаруживает 50% ошибок информационных разрядов кратности 2;

- код £М(и,т) со значением М > 8 имеет необнаруживаемых ошибок кратности сі > М больше, чем 5(и,т)-код;

- код БМ(п,т) для каждого с? имеет значение характеристики Д/ равное или меньшее такой характеристики для кода БМ'(п,т) (М' >М).

По аналогии с (')-кодами в диссертации были исследованы

свойства модульно-модифицированных кодов, обладающих таким же как БМ(п,т)-коды числом контрольных разрядов к. С целью сохранения числа контрольных разрядов при повышенных возможностях обнаружения ошибок в информационных векторах кода предложено выбирать модуль подсчета из множества А/є 2\2\...ЛШт',Ьі вариантов.

В табл. 4 рассчитаны коэффициенты эффективности % рассмотренных в диссертации кодов с суммированием единичных разрядов.

_Таблица 4

т 5(п,т) 31(п,т) Щп,т) ¿•8(и,ш) 8Щп,т) Л52(и,т)

3 0,66667 1 - - - 1 - - -

4 0,2963 1 0,85714 - - 1 0,66667 - -

5 0,43636 1 0,93333 - - 1 0,85714 - -

б 0,52093 1 0,96774 - - 1 0,93333 - -

7 0,58111 1 0,98413 - - 1 0,96774 - -

$ 0,30442 1 0,99213 0,62904 - 1 0,98413 0,61776 -

9 0,32992 1 0,99608 0,66999 - 1 0,99213 0,66443 -

10 0,35112 1 0,99804 0,70635 - 1 0,99608 0,70366 -

11 0,36978 1 0,99902 0,73923 - 1 0,99804 0,7379 -

12 0,38685 1 0,99951 0,76913 - 1 0,99902 0,76849 -

13 0,4028 1 0,99976 0,79632 - 1 0,99951 0,796 -

14 0,41797 1 0,99988 0,82093 - 1 0,99976 0,82078 -

15 0,43251 1 0,99994 0,8431 - 1 0,99988 0,84303 -

16 0,22321 1 0,99997 0,86296 0,44653 1 0,99994 0,86292 0,44646

17 0,23002 1 0,99998 0,88065 0,46009 1 0,99997 0,88063 0,46006

18 0,23661 1 0,99999 0,89632 0,47325 1 0,99998 0,89631 0,47323

19 0,24302 1 1 0,91014 0,48605 1 0,99999 0,91014 0,48604

20 0,24926 1 1 0,92228 0,49852 1 1 0,92228 0,49851

В диссертационной работе также определены свойства модульно-модифицированных кодов (данные коды сохраняют первые четыре свойства модифицированных кодов Бергера):

- в Л52(«,/и,/') и .К54(и,от,г) кодах в независимости от длины информационного вектора и способа определения коэффициента а общее число необнаруживаемых ошибок постоянно;

- код Л$4(и,т,г) не обнаруживает ровно вдвое меньше ошибок информационных разрядов, нежели код /У>2(и,7я,г);

пользовалась сумма

валась сумма

- для Л5М(гг,т,і)-коц,ов с М > 8 минимальным общим количеством необнаруживаемых ошибок обладает код, в котором для определения а ис-

■у информационных разрядов;

- минимум необнаруживаемых искажений кратности с1=2 имеет модульный модифицированный код, для определения а в котором использо-

у информационных разрядов;

- ІІБМ(п,т,і)-кощл с модулем М > 4 имеют одинаковое число двукратных необнаруживаемых ошибок информационных разрядов при одинаковом значении і.

Из сравнения кодов с суммированием с одинаковыми длинами информационных и контрольных векторов вытекают следующие положения:

- 52(н,/и)-код (код паритета) и Л52(и,т)-код являются оптимальными в своих классах;

- среди кодов 5М(и,то) и Я8М*{п,т) (М* - предыдущий к М модуль), также сравнимых по количеству контрольных разрядов, более эффективными являются /ЬХЛ/*(и,т)-коды,-

В четвертом разделе диссертации приводится классификация кодов с суммированием единичных разрядов (рис. 3). Определена мощность множества кодов с суммированием единичных разрядов ( ), а также мощность множества кодов, обладающих уникальными распределениями необнаруживаемых искажений по кратностям сі ( Л'",,^):

^{„,=(А:-іХ2"-і)+І. (7)

N"

1 S{r,m)

т т

— —

.2. J .2.

(8)

Примеры подсчетов по формулам (7) и (8) приводятся на страницах диссертационной работы, результаты расчетов сведены в табл. 5.

В четвертой главе также рассматривается методика выбора оптимального варианта кодирования на этапе проектирования системы функционального контроля. В ее основу положен эксперимент с исходным логическим устройством fix). Примерами подобного рода экспериментов могут служить исследования свойств стандартных контрольных схем MCNC Benchmark Circuits, специально разработанных для проверки эффективности различных способов построения надежных логических устройств. При этом необходимо .моделировать все неисправности внутренней структуры блока fix) и фиксировать реакцию выходов схемы fi(x),/2(x), ...,fm(x), после чего определять оптимальный вариант кодирования для заданной комбинационной схемы.

Коды с суммированием единичных разрядов

______1_______

Не модифицированные коды

Модифицированные коды

т) Коды Бергера

Б2 (и, от)

¿■4 (п,т)

£2 т)

і = )ог2(т + іХ

>1

I

дмси./я)

(и,/я) /й'

"1 ЛЯ,

и, т)

-

- /?іт„

"ЛЛ""

------V

/Годы Бергера

Модульные коды

Рис. 3. Классификация кодов с суммированием единичных разрядов

_ Табтща 5

т к N "Лпл) м" 4<п,т) А'1' N.. *'5(11 л.)

3 2 8 3 0.375

4 3 31 7 0,22581

5 3 63 7 0,11111

6 3 127 9 0,07087

7 3 255 9 0,03529

8 4 766 16 0,02089

9 4 1534 16 0,01043

10 4 3070 19 0,00619

20 5 4194301 45 1,1-10"5

50 6 5,6295-1015 131 2,3-10-14

100 7 7,6059-103" 307 4-Ю'29

Пятый раздел диссертации посвящен вопросам практического приложения полученных теоретических результатов.

Для классических и модифицированных модульных кодов с суммированием приводятся методы синтеза генераторов тестеров. Тестеры строятся по классической структуре «генератор+компаратор» (рис. 4). По значениям информационных разрядов генератор формирует контрольные разряды, а компаратор осуществляет их сравнение с аналогичными сигналами, сформированными блоком дополнительной логики £(х). Вопросы синтеза компараторов изучены достаточно хорошо, в диссертации приводятся новые методы синтеза генераторов модульных и модульно-модифицированных кодов с суммированием.

Для 5М(и,от>кодов предложены структуры генераторов с оптимальными показателями сложности технической реализации. Например, для 54(я,от)-кодов генераторы строятся по структуре, изображенной на рис. 5.

Рис. 5. Структура генераторов 54(и,»?)-кодов

Были рассмотрены все возможные структуры генераторов с различными значениями чисел От/ и т2. Структуры с наименьшей сложностью технической реализации приводятся в диссертации, там же приводятся формулы расчета сложности для оптимальных структур. Для генераторов (рис. 5) было получено важное свойство: для любого значения от существует структура генератора, соответствующая формуле (от-2)+1+1, которая имеет наименьшую сложность. На рис. 6, для примера, изображена структура генератора ^(от—>2) с наименьшей сложностью для четных значений от.

Рис. 6. Простейшая структура для генераторов ¿'4(п,те)-кодов с четными значениями т

В стандартную структуру входят только два элемента: полусумматор НА (или полный сумматор FА) и сумматор £(М4) для сложения одного двухразрядного и двух одноразрядных двоичных чисел.

В диссертации приводится метод синтеза генераторов RSM(n,m,i)-кодов (рис. 7). Выделяется блок В/ счетчика числа единиц в информационном векторе по заданному модулю М. На выходах блока В/ формируется вектор ... Ъ2 bi>, соответствующий весу информационного слова, взятому по модулю М. Реализация линейной функции а осуществляется за счет последовательного соединения сумматоров по модулю два (суммируемые разряды выбираются заранее). Блок В2 осуществляет сложение двоичных чисел <b k-i •■• i>2 bi> и <С£ Ci_/ ... с2 с,>, причем на входах Ck-j ... c2ci подается постоянный сигнал 0. На выходах блока В2 формируется контрольный вектор RSM(n,m,i)-Kojxa.

В соответствии с выбранным способом определения а если значение а=0, то <скс^!... c2ci>= <0 0 ... 0 0 > и на выходах gk, ..., g2, gi формируется то же двоичное число, что и на выходах блока 5/. В противном случае <ск Ck-i ... с2 с{> = <10... 0 0 > и к контрольному вектору прибавляется значение модуля в соответствии с 5 пунктом алгоритма построения RSM(n,от,/)-кодов (см. раздел 2 автореферата).

Компаратор представляет собой каскадное соединение самопроверяемых модулей сравнения (two-rail checkers) и строится по известной методике. При этом структура тестера является самопроверяемой.

Рис. 7. Структура генераторов кодов с суммированием

На рис. 8 для примера приводится структура генератора для модифицированного кода /£$(9,6,3). Примеры других генераторов можно найти на

Рис, 8. Структура генератора для кода Л?(9,6,3)

Сложность технической реализации генераторов кодов /?,$(«,ш) сравнима со сложностью технической реализации генераторов кодов Бергера (под сложностью понимается число входов логических элементов). С увеличением значения т будет возрастать выигрыш в сложности у генераторов кодов /?5(л,/и) за счет исключения значительного числа элементов, реализующих старшие разряды выходных кодовых векторов у генераторов кодов Бергера (табл. 6).

Таблица 6

Код Число информационных разрядов т

4 | 5 | 6 | 7

Сложность генератора

16 25 27 32

К3(п,т) 14 20 25 33

В пятом разделе также описывается использование результатов проведенных исследований при разработке и модернизации программного обеспечения стрелочного датчика ДСТ, применяемого в системе МПЦ-МПК для определения положения стрелки. Упрощенная схема подключения ДСТ показана на рис. 9.____________

УВК мпц

Вычислительные средства УВК МПЦ

Основной комплект

Канал А

Канал Б

Резервный комплект

Канал А

Канал Б

1*8-485 (канал А)

1*8-485 (канал Б)

КБСО-СТ КБСО-СТ КБСО-СТ КБСО-СТ

ДСТ плюсового положения

■ 31

■ I ■ 32

5 о I) 35

6 О |о 36

дст

минусового положения

[СЭП стр. 1 '

Рис. 9. Подключение ДСТ

На каждую стрелку устанавливаются два ДСТ, имеющие разное программное обеспечение. ДСТ связаны общей линией связи со стрелочным контроллером КБСО-СТ, расположенным на посту электрической центра-

лизации (ЭЦ). При этом один из датчиков подключается к линии связи плюсовыми контрольными контактами автопереключателя, а другой -контактами минусового положения. Каждые 50 мс, составляющих цикл работы системы МПЦ-МГЖ, контроллер посылает в линию связи один из восьми заранее выбранных случайных байтов. Этим сообщением также передается энергия, необходимая датчику для функционирования. Получив данные, ДСТ осуществляет побитное сложение по модулю два посылки и записанной в памяти константы (рис. 10). Эта константа для «плюсового» и «минусового» датчиков различается, поэтому результаты операции сложения по модулю два также различны. После этого по заданным правилам вычисляется контрольный вектор, и получившееся кодовое слово по линии связи возвращается контроллеру КБСО-СТ. Он, в свою очередь, расшифровывает посылку и определяет положение стрелки.

«Плюсовой» ДСТ «Минусовой» ДСТ

00101101 00101101 ® 01010101 ^ 10101010

01111000 10000111

0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0

Запрос КБСО-СТ Ответ датчика, закодированный

кодом Хэмминга

[ 0 ]~0 {Т]~0 1101 011110 [о 010

С---------V " V.-^-V "

Запрос КБСО-СТ Ответ датчика Контрольное слово

1582(10,8)-кода

Рис. 10. Структура кодовой посылки

В разработке 2010 года ответ датчика кодировался кодом Хэмминга. При восьми информационных разрядах этот код имеет четыре контрольных разряда. Таким образом, за 50 мс по линии связи суммарно передается 20 битов информации. Для связи с удаленными стрелками длительность импульса увеличивается до 2 мс. При этом сообщение обладает энергией, достаточной для передачи и гарантированного распознавания сигнала, передающегося на километровые расстояния.

При неблагоприятных условиях существует вероятность увеличения интервала времени передачи сигнала. В результате этого цикл передачи может оказаться больше цикла работы микропроцессорной централизации, что потенциально создает риск возникновения сбоев.

В диссертационной работе предложена замена кода Хэмминга на модифицированный код с модулем М= 2 (Л52(10,8)). Контрольных разрядов у кода Л52(.10,8) на два меньше, чем у кода Хэмминга, что позволяет гаран-

тированно передавать сообщение в течение отведенного для этого цикла опроса для любой удаленной стрелки.

Дополнительным условием безопасности является невозможность преобразования кодового слова, соответствующего одному положению стрелки, в слово, соответствующее другому положению стрелки. В реальности при неисправностях к такому преобразованию может привести, например, циклический сдвиг кодовой комбинации. При использовании /?52(10,8)-кода циклический сдвиг выбранных кодовых комбинаций не образует разрешенное кодовое слово.

Датчики ДСТ, использующие обновленное программное обеспечение, применяются на станции Ангарич Забайкальской ж.д.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполненная диссертационная работа представляет собой научное исследование в области теории технической диагностики, направленное на решение актуальной задачи — исследование свойств кодов с суммированием единичных разрядов в схемах функционального контроля. При этом получены следующие результаты:

1. Показано, что классические коды с суммированием, часто используемые при организации схем функционального контроля, обладают низкими возможностями обнаружения ошибок в информационных векторах.

2. Введено понятие оптимального разделимого кода, имеющего минимально возможное число необнаруживаемых искажений информационных векторов кодов при заданных длинах информационных и контрольных векторов.

3. Доказано, что оптимальный код имеет равномерное распределение информационных векторов по группам контрольных векторов.

4. Введен коэффициент эффективности, характеризующий относительную обнаруживающую способность кода в сравнении с оптимальным кодом при тех же длинах информационных и контрольных векторов.

5. Определены правила построения модифицированного кода с суммированием, обладающего повышенным значением эффективности в сравнении с классическими кодами с суммированием.

6. Установлены свойства по обнаружению ошибок в информационных разрядах известных модульных кодов с суммированием, а также новых модифицированных и модульных модифицированных кодов.

7. Проведено сравнение свойств кодов по обнаружению ошибок в информационных векторах, а также составлена полная классификация кодов с суммированием единичных разрядов.

8. Составлены каталоги для кодов с числом информационных разрядов т= 2... 19, в которых приведены все возможные типы кодов с характеристиками по обнаружению ошибок.

9. Предложен метод синтеза генераторов тестеров модульных и новых модифицированных и модульно модифицированных кодов с суммированием.

10. Приведены методики выбора оптимального варианта кодирования при проектировании контролепригодных систем функционального диагностирования.

11. Повышена надежность работы датчика железнодорожной стрелки за счет использования при обработке информации в нем предложенного в диссертации RS2(] 0,8)-кода.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

В изданиях Академий Наук России и Украины

1. Блюдов, A.A. Модифицированный код с суммированием для организации контроля комбинационных схем / A.A. Блюдов, В.В. Сапожников, Вл.В. Сапожников // Российская Академия Наук, Автоматика и телемеханика. -2012 -№1. - С. 169-177. - ISSN 0005-2310. (индексируется в библиографической базе SCOPUS)

Blyudov, A.A. A modified summation code for organizing control of combinatorial circuits /

A.A.Blyudov, V.V. Sapozhnikov, VI.V. Sapozhnikov // Automation and Remote Control. - 2012. -Vol. 73. - Issue 1. - Pp. 153-160. - ISSN 0005-1179.

2. Коды с суммированием для организации контроля комбинационных схем / A.A. Блюдов, Д.В. Ефанов, В.В. Сапожников, Вл.В. Сапожников // Автоматика и телемеханика. - 2013. - №6.

- С. 153-164. - ISSN 0005-2310. (индексируется в библиографической базе SCOPUS)

Summation codes for organization of control of combinational circuits / A.A. Blyudov, D.V. Efanov, V.V. Sapozhnikov, Vl.V. Sapozhnikov // Automation and Remote Control. - 2013. - Vol. 74.

- Issue 6. - Pp. 1020-1028. - ISSN 0005-1179.

3. Построение модифицированного кода Бергера с минимальным числом необнаруживае-мых ошибок информационных разрядов / A.A. Блюдов, Д.В. Ефанов, В.В. Сапожников, Вл.В. Сапожников // Национальная Академия Наук Украины, Электронное моделирование. — 2012. — Том 34. - №6. - С. 17-29. - ISSN 0204-3572. (реферируется в базе данных Cambridge Scientific Abstracts)

В изданиях, рекомендованных ВАКМинобрнауки России

4. Наседкин, O.A. Экспертиза и испытания на безопасность микроэлектронных систем железнодорожной автоматики и телемеханики / O.A. Наседкин, A.A. Блюдов // Известия Петербургского университета путей сообщения. -2010.-№1(22).-С. 53-60.-ISSN 1815-588X.

5. Сапожников, В.В. Экспериментальные исследования двоичных кодов с суммированием /

B.В. Сапожников, Вл.В. Сапожников, A.A. Блюдов // Известия Петербургского университета путей сообщения. -2011. -№2(27). - С. 145-152. -ISSN 1815-588 X.

6. Ефанов, Д.В. Коды Хэмминга и их обнаруживающие способности в схемах функционального контроля / Д.В. Ефанов, A.A. Блюдов // Информатика и системы управления —2012. — №2 (32). - С. 100-111. - ISSN 1814-2400.

7. Blyudov, A.A. On the synthesis of test equipment for modulo codes with summation / A.A. Blyudov // Proceedings of Petersburg Transport University. - 2013. - №1(34). - Pp. 53-58. - ISSN 1815-588 X.

8. Применение кодов Бергера и Хэмминга в схемах функционального контроля / В.В. Сапожников, Вл.В. Сапожников, Д.В. Ефанов, A.A. Блюдов // Известия Петербургского университета путей сообщения. -2013. -№2(35) -С. 168-182 -ISSN 1815-588 X.

Другие публикации

9. Properties of code with summation for logical circuit test organization / A. Blyudov, D. Efanov, V. Sapozhnikov, VI. Sapozhnikov / Proceedings of IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS'2012), Kharkov, Ukraine, September 14-17, 2012, pp. 114-117. (индексируется в библиографической базе SCOPUS)

10. On the problem of selection of code with summation for combinational circuit test organization / D. Efanov, V. Sapozhnikov, VI. Sapozhnikov, A. Blyudov / Proceedings of IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS'2013), Rostov-on-Don, Russia, September 27-30, 2013, pp. 261-266. (индексируется в библиографической базе SCOPUS)

11. Analysis of error-detection possibilities of CED circuits based on Hamming and Berger codes / V. Sapozhnikov, V). Sapozhnikov, D. Efanov, A. Blyudov / Proceedings of IEEE East-West Design & Test Symposium (EWDTS'2013), Rostov-on-Don, Russia, September 27-30, 2013, pp. 200-207. (индексируется в библиографической базе SCOPUS)

12. О вероятностных характеристиках модифицированных кодов Бергера в схемах функционального контроля / В В. Сапожников, Вл.В. Сапожников, Д.В. Ефанов, А.А. Блюдов // Актуальные вопросы развития систем железнодорожной автоматики и телемеханики : сб. науч. трудов; под ред. Вл.В. Сапожников. - СПб.: Петербургский гос. ун-т путей сообщения, 2013. - С. 131-138. -ISBN 978-5-7641-0479-9.

13. Сапожников, В.В. Код с суммированием для организации контроля комбинационных схем / В.В. Сапожников, Вл.В. Сапожников, А.А. Блюдов // Интеллектуальные системы на транспорте: Сборник материалов I МНПК «ИнтеллекгТранс-2011» СПб., 2011. - с. 266-270. -ISBN 978-5-7641-065-4.

14 .К вопросу организации встроенных самопроверяемых схем контроля с использованием модульных кодов с суммированием / В.В. Сапожников, Вл.В. Сапожников, Д.В. Ефанов, А.А. Блюдов // Материалы конференции "Информационные технологии в управлении" (ИТУ-2012) (9-11 октября 2012 т.). ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», СПб., 2012. - с. 656661. - ISBN 978-5-900780-94-8.

15. Проектирование контролепригодньгх схем функционального диагностирования на основе модифицированных кодов с суммированием единичных разрядов / В.В. Сапожников, Вл.В. Сапожников, Д.В. Ефанов, А.А. Блюдов // Юбилейная XIII Санкт-Петербургская международная конференция Региональная информатика (РИ-2012). Санкт-Петербург, 24-26 октября 2012 г.: Материалы конференции. СПОИСУ. - СПб., 2012. - с. 124-125. - ISBN 978-5-906078-07-0.

16. Двоичные коды с суммированием, имеющие минимальное число необнаруживаемых искажений информационных разрядов / В.В. Сапожников, Вл.В. Сапожников, Д.В. Ефанов, А.А. Блюдов // Теоретические и практические аспекты развития систем железнодорожной автоматики и телемеханики : сб. науч. трудов; Рея. Вл.В. Сапожников. - СПб.: Петербургский гос. унт путей сообщения, 2012. -С. 3-14.-ISBN 978-5-7641-0416-4.

17. Блюдов, А.А. Теоретические исследования двоичных модульных кодов с суммированием / А.А. Блюдов // Бюллетень результатов научных исследований: электронный научный журнал. - 2011. - №1. - С. 11-17. - ISSN 2223-9987. (URL: http://www.research-bulletin.org/articles/l_l/ дата обращения: 13.03.2013).

Подписано к печати 14 октября 2013 Печ. л. 1,25.

Печать - ризография Бумага для множ. апп. Формат 60 х 84 1/16.

Тираж - 100 экз. Зак. 1043.

СРПГУПС 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

ИССЛЕДОВАНИЕ МОДИФИЦИРОВАННЫХ КОДОВ С СУММИРОВАНИЕМ В СИСТЕМАХ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В УСТРОЙСТВАХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ И ТЕЛЕМЕХАНИКИ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (транспорт)

На правах рукописи

0420145^679

БЛЮДОВ АНТОН АЛЕКСАНДРОВИЧ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор В.В. Сапожников

Санкт-Петербург 2013

СОДЕРЖАНИЕ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ...........................................................................4

ВВЕДЕНИЕ..........................................................................................................5

ГЛАВА 1. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ЛОГИЧЕСКИХ...................10

УСТРОЙСТВ......................................................................................................10

1.1. Контроль правильности функционирования устройств железнодорожной автоматики и телемеханики............................................10

1.2 Повышение надежности работы устройств автоматического управления за счет функционального диагностирования................................................17

1.3 Использование равномерных избыточных кодов для построения схем обработки информации и функционального диагностирования.................22

1.4 Постановка задач диссертации................................................................32

ГЛАВА 2. МОДИФИЦИРОВАННЫЙ КОД БЕРГЕРА В СИСТЕМАХ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ..............................................................34

2.1. Классические коды с суммированием и оптимальный код...................34

2.2. Модифицированные коды Бергера.........................................................48

2.3. Выводы по главе......................................................................................61

ГЛАВА 3. КОНТРОЛЬ КОМБИНАЦИОННЫХ СХЕМ НА ОСНОВЕ КОДОВ С СУММИРОВАНИЕМ С МИНИМАЛЬНЫМ ЧИСЛОМ КОНТРОЛЬНЫХ РАЗРЯДОВ.........................................................................................................63

3.1. Модульные коды с суммированием.......................................................63

3.2. Модифицированные коды с суммированием с минимальным числом контрольных разрядов....................................................................................73

3.3. Выводы по главе......................................................................................87

ГЛАВА 4. КЛАССИФИКАЦИЯ КОДОВ С СУММИРОВАНИЕМ ЕДИНИЧНЫХ РАЗРЯДОВ...............................................................................89

4.1. Множество кодов с суммированием единичных разрядов...................89

4.2. О выборе кода с суммированием..........................................................101

4.3. Выводы по главе....................................................................................112

ГЛАВА 5. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОДОВ С СУММИРОВАНИЕМ В СИСТЕМАХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ...............................................................................................113

5.1. Синтез генераторов тестеров кодов с суммированием единичных

информационных разрядов..........................................................................113

2

5.2. Приложение теоретических результатов для повышения надежности функционирования устройств железнодорожной автоматики и

телемеханики................................................................................................139

5.3. Выводы по главе....................................................................................160

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................161

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.............................................................163

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 - Программное обеспечение для расчета характеристик кодов с суммированием...................................................................................179

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 - Каталоги необнаруживаемых ошибок в кодах с суммированием единичных разрядов.............................................................187

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 - Каталоги долей необнаруживаемых ошибок от общего числа ошибок заданной кратности в кодах с суммированием единичных разрядов............................................................................................................208

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 - Справки о внедрении результатов работы....................228

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Коды

(п,т) - коды с суммированием единичных разрядов; S(n,m) - коды Бергера;

SM(n,m) - коды с суммированием по модулю М\ RS(n,m) - модифицированный код Бергера;

RSM(n,m) - модифицированные коды с суммированием по модулю М;

Параметры кодов

п - длина кода;

т - число информационных разрядов кода (длина информационного вектора);

к - число контрольных разрядов разделимого кода (длина контрольного вектора: к=п-т);

г - вес кодового вектора; d— кратность необнаруживаемой ошибки;

Nmd- число необнаруживаемых ошибок кратности d в коде с числом информационных разрядов равным т;

Nd— общее число ошибок кратности d в коде с суммированием; Nm - общее число необнаруживаемых ошибок в коде с числом информационных разрядов равным т;

N~ общее число ошибок в коде;

fid - доля необнаруживаемых ошибок кратности d от общего числа ошибок той же кратности;

Р™ - доля необнаруживаемых ошибок кратности d от общего числа

Nd

ошибок той же кратности (/?™ =—если ф const при m=var;

ут - доля необнаруживаемых ошибок от общего числа ошибок в коде с числом информационных разрядов равным т (ут

- коэффициент эффективности кода при длине информационного

N

вектора, равной т - - т,опт ).

ВВЕДЕНИЕ

Развитие систем управления движением поездов на железных дорогах направлено на создание условий для максимально эффективного решения задачи транспортировки грузов и пассажиров. Это связано, в том числе, и с повышением скоростей передвижений при сохранении и увеличении уровня надежности и безопасности составляющих перевозочного процесса.

Высокий уровень качества перевозок поддерживается за счет применения средств автоматизации технологических процессов на железнодорожном транспорте. Прежде всего, к таким средствам следует отнести современные системы железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ), созданные на релейной, микроэлектронной и микропроцессорной основах [113]. В современной области ЖАТ компьютерная техника постепенно вытесняет морально устаревшую релейную элементную базу. За счет применения микроэлементной и микропроцессорной техники возможно создание мощных управляющих комплексов с расширенным набором технологических функций и заданным уровнем надежности и безопасности функционирования [42].

Так или иначе, основа компьютерной техники - это совокупность аппаратных и программных устройств. Для автоматизации технологических процессов в условиях постоянного усложнения архитектуры микроэлектронных компонентов логических устройств важным вопросом становится создание контролепригодной системы, способной фиксировать неверные результаты вычислений [55], [82], [88], [90], [94], [119], [124]. Ведь в системах автоматического управления неправильно вычисленные данные могут стать причиной снижения либо искажения функциональных возможностей, что, в свою очередь, может привести даже к губительным последствиям - авариям и катастрофам. Например, известна катастрофа, произошедшая 26 июля 2011 года в Китае, когда по причине ложного горения разрешающего показания на све-

тофоре было допущено столкновение высокоскоростных поездов, повлекшее за собой гибель 40 человек [29].

Поэтому важно создавать устройства ЖАТ таким образом, чтобы они максимально эффективно обеспечивали процесс управления, были снабжены развитыми средствами технического диагностирования и мониторинга и поддерживали высокое качество своей работы.

Повышение уровня надежности и безопасности функционирования систем автоматического управления (ЖАТ в том числе) возможно за счет применения в комплексе ряда методов и средств, например, резервирование деталей и узлов, снижение интенсивностей потоков отказов логических элементов, применение элементов с несимметричными потоками отказов, техническое диагностирование и т.д. [8], [14], [24], [35].

Одним из наиболее популярных способов построения надежных дискретных систем автоматического управления является организация их функционального (рабочего, оп-Ипё) тестирования [107]. В этом случае контроль логического устройства осуществляется без отключения, в режиме вычислений, что особенно важно при невозможности отключения объекта от управления. Примерами таких элементов из области ЖАТ являются контрольные устройства положения стрелок, устройства контроля положения подвижных единиц и т.д.

При создании систем обработки информации и технической диагностики устройств ЖАТ часто используют помехоустойчивое кодирование [38]. Например, при передаче данных по современным линиям связи используются различные СЯС-коды, а в системе автоматической локомотивной сигнализации АЛС-ЕН применяются коды Бауэра и Хэмминга [92] для кодирования информации [118].

Любое логическое устройство в своей структуре имеет схемы без памяти - комбинационные схемы. Значения, формируемые на выходах таких схем, зависят только от значений входных переменных [69]. В процессе

функционирования на комбинационные составляющие могут действовать

6

помехи различной природы, что может приводить к возникновению неисправностей внутри схемы. Неисправности могут иметь различный характер: как задержка передачи сигнала [32], [108], [109], так и устойчивые и кратковременные отказы (сбои) [61], [63]. Их последствием может стать искажение вычисленных данных, что в системах обработки информации и системах автоматического управления недопустимо.

При организации системы функционального контроля логических устройств без памяти используются свойства равномерных избыточных кодов. Часто применяют коды с суммированием единичных разрядов, разработанные во второй половине XX века [77].

Целью настоящего диссертационного исследования является изучение свойств модифицированных кодов с суммированием в системах обработки информации, системах функционального диагностирования, а также применение данного класса кодов для повышения надежности работы систем ЖАТ.

В соответствии с целью исследования в диссертации поставлены следующие задачи:

1. Разработка новых кодов с суммированием, имеющих улучшенные характеристики по информационной и аппаратной избыточности в схемах функционального контроля.

2. Разработка новых кодов с суммированием, имеющих улучшенные характеристики по обнаружению ошибок информационных разрядов относительно кода Бергера.

3. Анализ возможностей по обнаружению ошибок в схемах функционального контроля по различным кодам с суммированием единичных разрядов.

4. Разработка метода построения контрольной аппаратуры для модифицированных кодов с суммированием в схемах функционального контроля.

5. Классификация кодов с суммированием, позволяющая выбрать подходящий для данной конкретной задачи код.

6. Повышение надежности функционирования стрелочного объектного контроллера МПЦ-МПК путем применения для обработки информации в нем модифицированного кода с суммированием.

Проведенные исследования базируются на приложении методов теории дискретных устройств, технической диагностики, комбинаторного анализа и теории вероятностей.

Первая глава посвящена проблеме надежности функционирования устройств автоматического управления и контроля. Здесь же определяется место технического диагностирования среди всего множества методов обеспечения надежности и безопасности вычислительных систем. Приводится обзор исследований в рассматриваемой области технического диагностирования, дается оценка современного состояния проблемы. В конце первой главы сформулированы цели и задачи, поставленные в диссертации.

Во второй главе излагается способ повышения обнаруживающих способностей известных кодов Бергера при сохранении количества контрольных разрядов в них, основанный на модификации кода путем модульного принципа подсчета суммарного веса информационных векторов кода и введения поправочного коэффициента по правилам, описанным в [52]. Новые коды почти в два раза эффективнее известных кодов Бергера, часто используемых при организации систем функционального контроля и при передаче данных по асимметрическим каналам связи. В этой же главе установлены свойства модифицированных кодов Бергера.

Третья глава является логическим продолжением второй главы и содержит результаты исследований кодов с суммированием с постоянным числом контрольных разрядов - модульных кодов с суммированием [112] и модульных модифицированных кодов с суммированием [1]. Здесь определены свойства данного класса кодов по обнаружению ошибок в информационных разрядах кодов. Например, показано, что модульные коды с суммированием имеют одинаковый процент необнаруживаемых ошибок заданной кратности

с1 от общего числа ошибок той же кратности. Данное свойство присуще и любому коду Бергера [12], [17], [64].

Четвертая глава включает в себя полную классификацию кодов с суммированием единичных разрядов, а также методику выбора оптимального варианта кодирования на этапе проектирования контролепригодных систем.

Практические вопросы применения результатов исследований изложены в пятой главе. Первый раздел посвящен синтезу генераторов тестеров модульных, модифицированных и модульно модифицированных кодов с суммированием. Второй раздел описывает один из вариантов применения модифицированных кодов с суммированием при построении современных систем автоматического управления и контроля.

Заключение завершает работу.

ГЛАВА 1. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ КОНТРОЛЬ ЛОГИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

1.1. Контроль правильности функционирования устройств железнодорожной автоматики и телемеханики

С целью обеспечения безопасного и качественного перевозочного процесса современные железные дороги оборудуются развитыми средствами управления, где, несомненно, ключевые позиции занимает железнодорожная автоматика и телемеханика (ЖАТ) [5], [75], [113]. Благодаря средствам ЖАТ, сегодня достигаются высокие скорости доставки грузов и пассажиров во многих странах всех континентов [7], [98], [99]. Эволюция систем ЖАТ включает в себя несколько этапов: от использования низкофункциональной релейной техники до современных микропроцессорных аппаратно-программных комплексов, включающих расширенный набор возможностей по управлению и оптимизации деятельности эксплуатационного персонала.

Процесс модернизации систем ЖАТ тесно связан с прогрессом компьютерной техники и технологий - от низкопроизводительных крупногабаритных процессоров с малым количеством транзисторов и низкой плотностью интеграции произошел переход к сверхбыстрым миниатюрным процессорам с числом транзисторов свыше двух миллиардов и высокой степенью интеграции. Такая техника способна решать сложные задачи. Достижения ученых в области проектирования микропроцессорной техники не могли обойти стороной и область управления транспортными потоками. С 1978 года в области ЖАТ начинают внедряться микропроцессорные системы электрической централизации [38], [42]. Вектор развития систем автоматики направлен именно в эту сторону.

Обращая внимание на современное состояние ЖАТ в России, заметим,

что до сих пор доминирующим типом техники является релейная (около 97%

систем централизации построено на реле [5]). Однако, хоть и низкими тем-

10

пами, компьютеризация проникает в транспортную сферу. На железных дорогах России к 2012 году внедрено свыше 250 установок микропроцессорных централизаций.

Со временем в устройстве, построенном на любой функциональной основе (будь то релейная, либо микропроцессорная элементная база), возникают события нарушения исправности - отказы, пред отказные состояния и повреждения [10], [16], [31], [61]. Анализируя статистику эксплуатации средств ЖАТ в ОАО РЖД (табл. 1.1), можно сделать такой вывод: за прошедшие пять лет Управлением Автоматики и Телемеханики зафиксировано свыше 4 тыс. отказов устройств ЖАТ по вине служб Автоматики и Телемеханики. Эти отказы явились причиной почти 3,5 тыс. задержек поездов общей продолжительностью почти 3420 часов (это свыше 140 дней в совокупности), кроме того, отказы средств автоматики явились и причинами грубых нарушений безопасности движения поездов (опасные отказы, происшествия, аварии).

Таблица 1,1 — Отказы устройств автоматики за 2008-2013 гг.

№ Показатели эксплуатационной работы Всего

1 Всего отказов устройств СЦБ 4320

2 Отказы, вызвавшие задержки поездов 1011

3 Количество задержек поездов 3487

4 Продолжительность задержки поездов (чч:мм) 3419:55

5 Кол. основных повреждений устройств и их эле- 76574

ментов (шт)

Светофоры 57

Линзовые комплекты 1608

Релейные шкафы 345

Электротяговых медных соединителей 376

Перемычки ДТ 1040

дт 52007

Других трансформаторов 211

Реле, блоки, ячейки 450

Кабель СЦБ (м) 9238

Провод, линии СЦБ(м) 761

Аккумуляторы 63

Электроприводы 171

6 Общий материальный ущерб (руб) 25743162

Системы ЖАТ требуют совершенствования в области повышения надежности функционирования, ведь именно от последнего свойства зависит и безопасность перевозочного процесса [31]. Существует несколько способов повышения надежности средств ЖАТ, которые преимущественно относятся к классу дискретных устройств [8]: �