автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.17, диссертация на тему:Модели, методы и средства проектирования распределенных компонентно-базированных информационно-управляющих систем промышленной автоматики

На правах рукописи

Мг-

ДУБИНИН Виктор Николаевич

МОДЕЛИ, МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ КОМПОНЕНТНО-БАЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ ПРОМЫШЛЕННОЙ АВТОМАТИКИ

Специальности: 05.13.17 — Теоретические основы информатики; 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 5 ССН 2014

ПЕНЗА 2014

005552748

005552748

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» на кафедре «Вычислительная техника».

Научный консультант - заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Вашкевич Николай Петрович.

Официальные оппоненты: Князьков Владимир Сергеевич, доктор

технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Вятский государственный университет», директор научно-образовательного центра «Супервычислительные технологии и системы»;

Соснин Петр Иванович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Вычислительная техника»;

Сидоркина Ирина Геннадьевна, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», декан факультета информатики и вычислительной техники.

Ведущее предприятие - ОАО «НПП "Рубин"», г. Пенза.

Защита диссертации состоится «<¿3 »_ 40 2014 г., в 44 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.01 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» и на сайте http://science.pnzgu.ru/page/13778

Автореферат разослан 09 2014 г.

Ученый секретарь ^/¿У^

диссертационного совета Гурии Евгений Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современной тенденцией развития предприятий в настоящее время является их комплексная автоматизация. Предприятие рассматривается как единый объект автоматизации. Верхние уровни интегрированной информационной системы управления предприятием представляют собой программные системы, технология разработки которых достаточно хорошо развита. Узким местом, требующим самого пристального внимания, в настоящее время являются нижние уровни (уровни программируемых логических контроллеров (ПЛК) и ввода-вывода). Системы, охватывающие эти уровни, в диссертационной работе определяются как информационно-управляющие системы промышленной автоматики (ИУСПА). Современные ИУСПА (как правило, построенные на основе международного стандарта IEC 61131-3) являются централизованными системами с присущими им недостатками. К ним можно отнести низкую надежность и производительность, сложность настройки и поддержки, сложность модификаций и построения реконфигурируемых систем, проблемы с масштабируемостью, повторным использованием компонентов, а также дороговизной как самого процесса проектирования, так и всей (реальной) системы. В то же время все более жесткие условия, в которые рынок промышленных товаров ставит производителей, подталкивает их к переходу на новый технологический базис, позволяющий существенно сократить время проектирования и перепроектирования систем управления и иметь возможность их быстрой реконфигурации.

Принятый в 2005 г. новый международный стандарт IEC 61499, нацеленный на построение распределенных систем управления промышленными процессами, призван решить вызовы времени. По сути дела, стандарт ШС 61499 вводит класс систем управления нового поколения. Это интеллектуальные реконфигурируемые распределенные компонентно-базированные системы. Работы в области функциональных блоков (ФБ) IEC 61499 интенсивно ведутся во всем мире. Большой вклад в разработку методов проектирования систем на основе стандарта IEC 61499 внесли J. Christensen, V. Vyatkin, СИ. Sünder, A. Zoitl, Т. Strasser, К. Thramboulidis, Н.-М. Hanisch, L. Ferrarini, С. Veber, A. Valentini, G. Frey, J. L. Martinez-Lastra, A. Lueder, M. Colla, R. Brennan, G. Cengic и др. Однако многие проблемы, связанные со стандартом, остались нерешенными. Например, до сих пор не разработаны семантика ФБ и методы обеспечения портабельности управляющего программного обеспечения (ПО) на основе ГЕС 61499, отсутствует целостный подход к проектированию ИУСПА на основе DEC 61499. Существующие проекты нацелены на решение узкого круга задач, как правило, реализационного плана. В РФ и странах СНГ работы в области ФБ стандарта IEC 61499 практически отсутствуют.

Теоретической и методологической основой проектирования ИУСПА является научное направление, связанное с системами логического управления дискретными процессами, которое во многом базируется на теории

конечных автоматов и сетей Петри. В данном направлении исследователями (среди которых отечественные ученые А. А. Амбарцумян, О. Л. Банд-ман, В. И. Варшавский, Н. П. Вашкевич, М. А. Гаврилов, В. А. Горбатов, А. Д. Закревский, В. Е. Зюбин, О. П. Кузнецов, В. Г. Лазарев, А. А. Шалы-то, С. А. Юдицкий) были получены существенные результаты. Приложения современной автоматизации, как правило, являются ответственными, поэтому они должны быть надежными и робастными. Ключевой теорией для проектирования надежных и робастных систем в рамках логического управления является теория супервизорного управления, развиваемая в основном зарубежными учеными: P. J. Ramadge, W. M. Wonham, A. Giua, Н.-М. Hanisch, M. Barbeau и др.

Современные ИУСПА в ближайшем будущем будут представлять распределенные системы, состоящие из множества контроллеров и промышленных компьютеров, взаимодействующих между собой и с окружающей средой через коммуникационные сети, со значительной долей вы-числёний и обработки данных, имеющих как программную, так и аппаратную реализационные части. Это определяет междисциплинарный характер исследуемой области и тренд систем рассматриваемого класса к так называемым кибер-физическим системам.

Таким образом, актуальность научных исследований в области разработки методов и средств проектирования ИУСПА главным образом определяется появлением систем нового класса, обладающих существенно иными свойствами по сравнению с имеющимися, отсутствием комплексного подхода к их проектированию, невозможностью напрямую использовать существующие наработки.

Цели и задачи исследования. Целью работы являются теоретическое обоснование и разработка методов и средств проектирования ответственных распределенных компонентно-базированных информационно-управляющих систем промышленной автоматики (РКБИУСПА).

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1) разработать методологию проектирования РКБИУСПА, определяющую этапы, модели, методы и средства проектирования, а также их взаимосвязь;

2) создать профайл UML для моделирования систем управления промышленными процессами на основе стандарта IEC 61499;

3) определить операционную семантику функциональных блоков стандарта IEC 61499, являющихся основными артефактами при построении интеллектуальных систем управления нового поколения, необходимую при проектировании РКБИУСПА на основе ФБ;

4) формализовать и автоматизировать процесс построения формальных моделей систем ФБ, решив при этом задачу выбора средств описания как самих систем ФБ, так и процесса порождения моделей;

5) разработать методику верификации РКБИУСПА, позволяющую на основе анализа получить подтверждение выполнения определенных свойств, заданных в спецификациях системы;

6) разработать метод семантического анализа РКБИУСПА на основе технологий семантического Web для нахождения ошибок на ранних этапах проектирования;

7) разработать метод рефакторинга управляющих приложений ШС 61499, допускающий их эквивалентные преобразования для различных целей;

8) предложить метод синтеза моделей контроллеров безопасности для дискретно событийных систем, обеспечивающий существенное повышение надежности и робастности РКБИУСПА;

9) разработать средства обеспечения портабельности управляющих приложений ШС 61499 между различными платформами;

10) развить автоматный подход к описанию, проектированию и реализации локальных систем управления на основе недетерминированных автоматов.

Объектом исследования являются распределенные компонентно-базированные информационно-управляющие системы промышленной автоматики, построенные на основе новых международных стандартов.

Предметом исследования являются методы и средства проектирования ответственных РКБИУСПА, используемые на этапах формализованного описания, верификации, информационного и имитационного моделирования, реализации, рефакторинга и синтеза, а также методы организации программного кода для решения задач портабельности и реализации сложных взаимодействий.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы теории множеств, сетей Петри, сетевых систем «условие-событие» (NCES-сетей), конечных автоматов, систем переходов состояний и машин абстрактных состояний, теории супервизорного управления, теории графов и графовых грамматик, математическая логика, методы искусственного интеллекта, методы верификации программно-аппаратных систем, методы объектно-ориентированного проектирования и технологии семантического Web.

Научная новизна диссертации определяется следующими результатами:

1 Разработана модельно-центрированная методология проектирования РКБИУСПА на основе международного стандарта IEC 61499, охватывающая фазы формализованного описания, верификации, оценки производительности, рефакторинга, генерации тестов, генерации кода, синтеза контроллеров безопасности, отличающаяся от известных функциональностью и использованием комплекса взаимосвязанных моделей и их трансформаций; позволяющая: а) строить РКБИУСПА, отвечающие функциональным и нефункциональным требованиям, на различных платформах; б) повысить

качество проектных решений за счет автоматизации процесса проектирования, увеличения степени повторного использования разработанных артефактов проектирования.

2 Формально определена операционная семантика систем ФБ IEC 61499, отличающаяся учетом моделей их выполнения (циклической, синхронной и последовательной), универсальностью применяемого формального аппарата, гибкостью и ориентацией на реализацию, что позволяет, во-первых, избавиться от неопределенности описаний систем ФБ, допускаемых Стандартом, во-вторых, производить адекватную формализацию систем управления на основе ФБ, в-третьих, осуществлять корректную реализацию систем моделирования и сред выполнения ФБ.

3 Разработана система трансформации графов, определяющая процесс построения aNCES-MopfinsK систем ФБ, отличающаяся от других средств построения аналогичных моделей формальностью, структурностью, наглядностью, простотой реализации, что позволяет избежать ошибок проектирования и автоматизировать трудно формализуемый этап разработки формальных моделей.

4 Предложена методика верификации дискретных событийных систем, представленных в виде NCES-сепей, на основе метода Model Checking, отличающаяся от известных использованием промежуточной Л-модели для построения структуры Крипке, что позволяет в дальнейшем упростить использование современных промышленных верификаторов для проверки моделей.

5 Разработан метод семантического анализа описаний систем управления на основе стандарта IEC 61499 с использованием ^Геб-онтологий, отличающийся от известных методов семантического анализа формальностью (основа — дескриптивная логика и логика хорновских дизъюнктов), ясностью, разрешимостью, гибкостью и расширяемостью, что позволяет избежать ошибок при разработке систем семантического анализа, уменьшить затраты на их разработку, модификацию и сопровождение, увеличить степень повторного использования проектных решений.

6 Разработан метод рефакторинга диаграмм управления выполнением (диаграмм ЕСС) базисного ФБ на основе трансформаций графов, отличающийся: а) целью - избавлением от условных дуг и потенциально-тупиковых (по условиям) состояний; б) формальным аппаратом — графовыми грамматиками, что позволяет-, а) избавиться от ошибок на стадии исполнения управляющих приложений; б) избежать ошибок проектирования, уменьшить затраты на разработку, модификацию и сопровождение инструментальных средств рефакторинга.

7 Усовершенствован метод синтеза моделей контроллеров безопасности распределенных систем управления на основе sNCES-ссггей, предложенный Х.-М. Ханишем, в направлении его применимости. В отличие от базового метода в предложенном методе используются реверсивные час-тично-маркированные sNCES-сети (RsNCES-сегей), основанные на обрат-

ных срабатываниях шагов, и методы их интерпретации, что позволяет формально описать обратный поиск в пространстве состояний и генерировать запрещающие правила для предотвращения попадания системы в опасные состояния для замкнутых систем «управление-оборудование».

8 Предложены шаблоны модельно-ориентированной реализации систем функциональных блоков (ШМОРСФБ), отличающиеся введением в систему служебных ФБ, изменяющих порядок выполнения ФБ и способы межблочной передачи информации, что позволяет решить проблемы пор-табельности управляющих приложений на основе стандарта 1ЕС 61499 путем обеспечения робастности (нечувствительности) ФБ к изменениям семантики выполнения.

9 Развита концепция недетерминированных автоматов (НДА) Н. П. Ваш-кевича и разработана формальная модель иерархических модульных недетерминированных автоматов (ИМНДА) для проектирования локальных систем управления, отличающаяся от базовой концепции НДА возможностью иерархической структуризации модели и учетом импульсных сигналов, что позволяет использовать структурный подход к проектированию, увеличивает описательную мощность автоматной модели и расширяет сферу применения автоматного подхода к проектированию дискретных событийных систем.

Практическая ценность работы связана с разработкой лингвистического, методического, алгоритмического и информационного обеспечения методологии проектирования РКБИУСПА, а также инструментальных средств поддержки этой методологии. Основные результаты в этом направлении представлены ниже.

1 Разработаны язык \JML-FB, основанный на расширении метамодели языка иМЬ, а также соответствующие программные средства поддержки для моделирования систем управления на основе стандарта 1ЕС 61499, что позволяет использовать объектно-ориентированный подход в структурном проектировании систем управления данного класса.

2 Предложена функционально-блочная реализация ряда механизмов и средств синхронизации и взаимодействий, используемых в параллельном и распределенном программировании, что позволяет на практике использовать разработанные библиотеки ФБ для построения распределенных систем со сложными видами взаимодействий.

3 С использованием языка \JML-FB и программных конверторов разработана визуальная интерактивная имитационная модель производственной установки БЕБТО на основе функциональных блоков 1ЕС 61499, в которой реализованы семафоры и задача синхронизации «производитель-потребитель». Данная имитационная модель использовалась как иллюстративный пример использования ряда предложенных в диссертации методов.

4 Предложена методика кодирования систем ФБ на языке БМУ. Для поддержки предложенной методики разработан транслятор Л"М£-описания ФБ ШС 61499 в код БМУ, позволяющий автоматизировать процесс построения входных данных для промышленного верификатора.

5 Разработана система реструктуризации и преобразований функциональных блоков, позволяющая строить проблемно-ориентированные системы трансформации ФБ путем разработки на высокоуровневом визуальном языке в системе AGG специализированного набора правил графовых трансформаций (например, для рефакторинга или синтеза дМГ£5-моделей).

6 В рамках предложенной методики верификации дискретных событийных систем, представленных в виде NCES-сетей, на основе метода Model Checking разработаны конвертор многоуровневых модульных NCES-сетей в одноуровневые NCES-сети и транслятор XML-описания NCES-сетей в код SMV.

7 Разработаны средства онтологического описания и анализа систем ФБ стандарта IEC 61499, в частности: а) Wei-онтология стандарта IEC 61499, которая может считаться разделяемым ресурсом и быть размещена в сети Интернет для общего пользования; б) программная система семантического анализа проектов ШС 61499 на основе ^¿-онтологии.

8 Разработаны алгоритм системного порождения маркировок, которые необходимо изменить для предотвращения перехода в опасное состояние, а также процедура генерации запрещающих продукционных правил. Данный алгоритм реализован программно и может быть использован в синтезе контроллеров безопасности для дискретных событийных систем.

9 Разработаны следующие ШМОРСФБ: «Циклическая модель», «Синхронная модель», «Последовательная модель». Данные шаблоны могут быть использованы для переноса существующих приложений IEC 61499 на платформы с различными моделями выполнения ФБ.

10 Разработаны программные средства поддержки проектирования локальных управляющих систем на основе ИМНДА, включая этапы спецификации, верификации и реализации на языках ПЛК и VHDL.

Основные положения, выносимые на защиту:

1 Модельно-центрированная методология проектирования РКБИУСПА на основе международного стандарта IEC 61499, охватывающая этапы от формализованного описания до реализации, позволяющая: а) строить системы, отвечающие функциональным и нефункциональным требованиям; б) повысить качество проектных решений за счет автоматизации и увеличить степень повторного использования артефактов проектирования.

2 Абстрактный синтаксис и операционная семантика систем ФБ IEC 61499 с учетом моделей выполнения ФБ (циклической, синхронной и последовательной) на основе специальной нотации, базирующейся на аппарате машин абстрактных состояний, что позволяет формально определить язык ФБ, используемый во многих фазах проектирования РКБИУСПА;

3 Система трансформации графов, определяющая процесс порождения aNCES-моделей систем ФБ, позволяющая автоматизировать трудно формализуемый этап разработки формальных моделей.

4 Методика верификации дискретных событийных систем, представленных в виде NCES-сетей, на основе метода Model Checking, позволяющая производить сертификацию РКБИУСПА с использованием современных промышленных верификаторов.

5 Метод семантического анализа описаний систем управления на основе стандарта IEC 61499 с использованием Web-онтологий, позволяющий выявить семантические ошибки в описании на ранних стадиях проектирования, что сокращает общее время проектирования системы.

6 Метод рефакторинга диаграмм управления выполнением (диаграмм ЕСС) базисного ФБ на основе трансформаций графов, позволяющий избавиться от условных дуг и потенциально-тупиковых (по условиям) состояний, что повышает качество проектных решений и предотвращает фатальные ошибки в функционировании системы управления.

7 Метод синтеза моделей контроллеров безопасности распределенных систем управления на основе RsNCES-сетей, позволяющий генерировать запрещающие правила для предотвращения попадания замкнутых систем «управление—оборудование» в опасные состояния.

8 Шаблоны модельно-ориентированной реализации систем функциональных блоков, предназначенные для решения проблемы портабельности управляющих приложений на основе стандарта ŒC 61499, позволяющие достичь высокой степени независимости поведения управляющего приложения от модели выполнения ФБ, поддерживаемой runtime-средой.

9 Язык UML-FB для моделирования систем управления промышленными процессами на основе стандарта IEC 61499, основанный на расширении метамодели языка UML, позволяющий сократить семантический разрыв между структурным и объектно-ориентированным подходами к проектированию систем управления и облегчить переход от системных требований к артефактам проектирования.

10 Формальная модель иерархических модульных недетерминированных автоматов, позволяющая описывать и проектировать сложные иерархические локальные системы управления с параллельными процессами, а также реализовывать их на языках ПЛК и VHDL.

Соответствие диссертации паспортам научных специальностей. В соответствии с формулой специальности 05.13.17 «Теоретические основы информатики» в диссертации разработаны теоретические и методологические основы создания и обработки информации, используемой в проектировании РКБИУСПА, в том числе разработаны концептуальные и онтологические модели предметных областей, методы преобразования и анализа представлений, методы обеспечения безопасности функционирования информационно-управляющих систем. Проведенные исследования соответствуют пунктам 4, 12 и 14 паспорта специальности 05.13.17.

В соответствии с формулой специальности 05.13.05 «Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления» в диссертации со-

держатся научные и технические исследования и разработки в области функциональных блоков стандарта IEC 61499, являющихся основными элементами в распределенных системах управления нового поколения. Полученные в диссертационной работе результаты соответствуют областям исследования (пунктам) 1 и 4, определенным в паспорте специальности 05.13.05.

Реализация и внедрение результатов диссертационной работы. Диссертационная работа выполнена на кафедре «Вычислительная техника» Пензенского государственного университета (ПГУ) в рамках следующих проектов:

«Разработка САПР ТП с элементами искусственного интеллекта и средств их проектирования на основе ЛВС» по единому заказ-наряду Министерства общего и профессионального образования РФ (номер гос. регистрации 01.9.50001883) (1993-1997 гг.);

«Разработка комплекса формальных моделей и их трансформаций для проектирования распределенных информационно-управляющих систем промышленной автоматики» аналитической ведомственной целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 гг.)"» Министерства образования и науки РФ (номер гос. регистрации 01200952061);

«Разработка моделей и методов проектирования устройств аппаратной поддержки компонент управления процессами и ресурсами распределенных операционных систем» федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. Министерства образования и науки РФ (номер гос. регистрации 01201278457);

гранты А/03/06030 (2003 г.), А/06/27337 (2006 г.), А/10/01033 (2010 г.) Германской службы академических обменов DAAD;

грант «Breakthrough in Function Block Technology» (FRDF, 3625072/9573) Оклендского университета (Новая Зеландия), 2011 г.

На ряд программных продуктов, разработанных в ходе НИР, были получены свидетельства об официальной регистрации.

Научные и практические результаты работы включены в ряд лекционных курсов на кафедре «Вычислительная техника» ПГУ, использованы в лабораторных практикумах, курсовом и дипломном проектировании, а также в НИР студентов. Ряд рекомендаций, подготовленных в ходе выполнения диссертационной работы, был учтен при подготовке новой версии международного стандарта IE С 61499. Основные положения диссертационной работы внедрены в НПФ «КРУГ» (Пенза), университете Мартина Лютера (Германия), а также в Техническом университете Лулео (Швеция) при выполнении проекта Y6.F7 «Verification of FREEDM System Control Robustness» программы FREEDM (NFS, США), использование результатов подтверждено соответствующими актами о внедрении.

Апробация работы. Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих отече-

ственных и зарубежных научно-технических конференциях и симпозиумах: Международной конференции «Информационные технологии и системы» (г. Воронеж, 1993), Международной конференции EAST-WEST «Information Technology in Design (EWITD)» (г. Москва, 1994, 1996), IEEE конференции «Robotics and Automation (ICRA'05)» (г. Барселона, Испания, 2005), 6-й Международной конференции «Компьютерное моделирование 2005» (г. Санкт-Петербург, 2005), 11-й конференции IEEE «Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA'2006)» (г. Прага, Чехия, 2006), международных научно-технических конференциях «Интеллектуальные системы (AIS)» (п. Дивноморское, 2004, 2005, 2007), Международной научно-практической конференции «Перспективные технологии искусственного интеллекта» (г. Пенза, 2008), всероссийских научно-практических конференциях «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике» (г. Оренбург, 2007, 2008, 2009), 13-м симпозиуме IFAC «Information Control Problems in Manufacturing (INCOAf 09) » (г. Москва, 2009), 4-, 5- и 9-й конференциях IEEE «Industrial Informatics {INDIN)» (Сингапур, 2006; г. Вена, Австрия, 2007; г. Лиссабон, Португалия, 2011), 37-й ежегодной конференции сообщества по промышленной электронике IEEEIECONIQX1 (г. Мельбурн, Австралия, 2011), Международной научно-практической конференции «Информационные ресурсы и системы в экономике, науке и образовании» (г. Пенза, 2011), международных научно-технических конференциях «Современные информационные технологии» (г. Пенза, 2005, 2008, 2010,

2011, 2012, 2013), международных научно-методических конференциях «Университетское образование (МКУО)» (г. Пенза, 2005, 2006, 2007, 2008,

2012, 2013,2014), международных научно-технических конференциях «Новые информационные технологии и системы (НИТиС)» (г. Пенза, 1994, 1996, 2002, 2004, 2006, 2008, 2010, 2012), XI Международной научно-технической конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» ('Распознавание-2013') (Курск, 2013), 1-й Международной научно-практической конференции «Современные проблемы компьютерных наук (СПКН-2013)» (г. Пенза, 2013), XIV Международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологий телекоммуникаций» (ПТиТТ-2013)» (г. Самара, 2013), Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2014). Результаты работы также регулярно обсуждались на конференциях профессорско-преподавательского состава Пензенского государственного университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 106 научных работ, в том числе две монографии, 85 статей в журналах, сборниках научных трудов и трудах конференций (из них 25 статей опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и шесть статей в зарубежных журналах). Получено 11 свидетельств о регистрации программ для ЭВМ. Все результаты, составляющие содержание диссертации, получены автором самостоятельно.

Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, изложенных на 365 страницах, списка литературы из 398 наименований, шести приложений и содержит 309 рисунков и 17 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, определены направления исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе решены следующие основные задачи: 1) дан обзор и произведен анализ архитектуры, моделей, методов и средств проектирования современных информационно-управляющих систем промышленной автоматики, в результате чего выявлены тенденции развития ИУСПА, обозначены нерешенные проблемы в области проектирования ИУСПА и сделана постановка задач, решаемых в диссертационной работе; 2) намечен план и сделаны начальные шаги в разработке методологии проектирования распределенных компонентно-базированных информационно-управляющих систем промышленной автоматики.

Современные ИУСПА (как правило, построенные на основе международного стандарта IEC 61131-3) являются централизованными системами со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями. Отмечается ключевая роль стандарта IEC 61499 в построении ИУСПА нового поколения. Приводится краткая характеристика стандарта IEC 61499, выделены его основные особенности, определены преимущества и недостатки. Представлена классификация моделей выполнения ФБ, являющихся основными артефактами проектирования. Из всего множества моделей выполнения в настоящее время наиболее популярными являются три модели: циклическая, синхронная и последовательная.

Даны обзор и анализ методов проектирования традиционных ИУСПА. На основе анализа методов проектирования делается вывод, что в настоящее время отсутствует цельная методология проектирования ИУСПА. Наблюдается так называемая «лоскутная» автоматизация проектирования, покрывающая те или иные аспекты. Для покрытия всех фаз проектирования распределенных ИУСПА требуется не одна модель, а целый комплекс взаимосвязанных моделей и их взаимных трансформаций.

Даны обзор и анализ моделей и методов проектирования распределенных систем управления на основе стандарта IEC 61499. В рамках этого обзора рассматриваются существующие формальные модели ФБ, выделяется проблема формальной семантики ФБ, анализируется положение дел с верификацией проектов IEC 61499. Рассматриваются подходы к объектно-ориентированному проектированию ИУСПА, а также подход к проектированию на основе управления моделями и онтологиями.

В первой главе предлагается схема (функциональная модель) методологии проектирования РКБИУСПА на основе стандарта 1ЕС 61499, охватывающей фазы формализованного описания, верификации, оценки производительности, рефакторинга, генерации тестов, генерации кода, синтеза контроллеров безопасности, на основе диаграмм ГОЕБО, используемых для описания бизнес-процессов. Предлагаемая методология является модельно-центриро-ванной, т.е. основанной на моделях и их преобразованиях. Основные типы используемых формализмов (нотаций): сетевой формализм (СФ), сетевые системы «условие-событие» (1ЧСЕ5), а также их расширения; иерархические модульные недетерминированные автоматы; специальный профайл языка иМЬ (иМЬ-РВ); онтологическая модель, основанная на дескриптивной логике и логике хорновских дизъюнктов; машины абстрактных состояний. Рассматриваются и/или разрабатываются некоторые элементы методологии, в числе которых язык ЦМЬ-РВ, формализмы СФ и ИМНДА, а также функционально-блочная реализация механизмов и средств синхронизации и взаимодействий процессов в архитектуре 1ЕС 61499.

Для проектирования локальных систем управления с параллельными процессами развита концепция недетерминированных автоматов Н. П. Ваш-кевича и разработана формальная модель иерархических модульных недетерминированных автоматов. Модель ИМНДА хорошо подходит для проектирования программ ПЛК и аппаратуры вследствие синхронного характера и малого семантического разрыва между моделью и реализацией.

Базисный модуль ИМНДА определяется следующим кортежем:

МВ = (£/, £>/, ЕО, БО, 5, 5, <р, у, go),

где Е1 и ЕО — множество «импульсных» входов и выходов соответственно; £>/ и БО - множество «потенциальных» входов и выходов соответственно; 5 - множество локальных состояний автомата. Совокупность локальных состояний, в которых в некоторый момент времени может находиться автомат,

О/ Г)1 5 5

образует глобальное состояние автомата; Дс5х£/х2 х2 х2 х2 х5-множество переходов между локальными состояниями автомата; <р: 5 -> 200— функция, назначающая каждому локальному состоянию комбинацию потенциальных выходов; у: 5 -> 2Е0 - функция, назначающая каждому переходу комбинацию импульсных выходов; gQ с 5 — начальное состояние автомата.

Дается формальное определение составного модуля ИМНДА, предлагается процедура развертывания ИМНДА и определяются правила функционирования сети базисных модулей, являющейся каноническим представлением ИМНДА.

Во второй главе предлагается синтактико-семантическая модель систем, основанных на стандарте 1ЕС 61499. Для определения абстрактного синтаксиса используется теоретико-множественный подход, а для представления операционной семантики - аппарат машин абстрактных состояний (МАС) и систем переходов состояний (СПС).

Формально определяются конфигурация системы, устройство и тип устройства, ресурс и тип ресурса, сеть ФБ, а также развертывание системной конфигурации как процесс перехода от системы типов к системе экземпляров в ШС 61499. Для избавления от фактора иерархичности предлагается переход к одноуровневому представлению систем ФБ, эквивалентному исходной системе. Для сохранения эквивалентности поведения вводятся буферы и клапаны данных, реализующие входную и выходную логику ФБ.

В работе предлагается формальная модель (нотация) для определения операционной семантики ФБ (ФМОСФБ) на основе MAC, одной из основных особенностей которой является использование переменных состояния и функций значений переменных при определении состояния системы.

Предложены три варианта функционально-структурной организации семантических моделей систем ФБ: с общим диспетчером, с иерархически связанными диспетчерами; с независимыми диспетчерами, взаимодействующими через общую память. Диспетчеры предназначены для запуска модулей ФБ и, таким образом, вносят основной вклад в реализацию моделей выполнения ФБ.

Модуль базисного ФБ (МБФБ) может быть представлен формально следующим образом: Мв = (SyntB, SemB), где SyntB — синтаксическая часть описания (на уровне абстрактного синтаксиса); SemB - семантическая часть описания.

Синтаксическая часть описания МБФБ определяется четверкой: SyntB = {Interface, Alg, W, ECC, Z%), где Interface - интерфейс ФБ; Alg- {algbalg2,...,algN }—конечное mho-

Alg

жество (возможно пустое) алгоритмов, выполняемых в базисном ФБ; VV = {W|, w2.....УУд,^}- конечное множество (возможно пустое) внутренних переменных; ЕСС - диаграмма ECC; ZB° - набор функций начальных значений. Дано формальное описание каждого из этих компонентов.

Семантическая часть описания МБФБ определяется двойкой:

Sems = {VRTB, Тв),

где VRTB — набор переменных времени выполнения; Тв — набор функций переходов МБФБ.

Динамика функционирования МБФБ в соответствии с идеологией MAC представлена в виде правил изменения функций значений переменных (25 правил и групп правил). Например, функция переходов OSM-состояний {S '■ \.za 1х [Zq ]х L^s] х [Zei ] х lzv ]х I ] определяется с помощью четырех правил. Одно из них (правило перехода /1 машины OSM):

р^'1:Za(а) л Zs(5) = j0 л \ selectEIk => Zs(S) <- Jj, где Za и Zs - функ-

eik<=EI

ции значений признака запуска модуля ФБ и переменной текущего состояния О^М-машины соответственно;

select EIк = ZES{eik) л V (Zß(ß) = ^) л Д ZEI{eij)A V {ZQ{Q) = qm)-

условие выбора входного сигнала, где ZEI и Zд - функции значений входных событийных переменных и переменной текущего ЕС-состояния соответственно; Q" с DomQ — множество ЕС-состояний, из которых выходят ЕС-переходы, помеченные сигналом ei.

Модуль составного ФБ может быть представлен формально следующим образом: Mq = {Syntc,Sem^), где Syntc - синтаксическая часть описания; Senf с- семантическая часть описания. Синтаксическая часть описания МСФБ определяется четверкой: Syntc = {Interface, FB, EvConn, Data-Conn), где Interface — интерфейс составного ФБ (аналогичен интерфейсу базисного ФБ); FB = {fbx,fb2,...,finFB} - множество компонентных ФБ,

входящих в составной ФБ, fbt = {Interface1, fit'), /е[1, NFB], где Interface' = = {Et, Е(У, Vi, VC?) - интерфейс компонентного ФБ. В данный интерфейс входят: Ei и ЕО' - множества входных и выходных событийных переменных; Vi и VÖ - множества входных и выходных переменных /-го компонентного ФБ соответственно; fbi — тип /'-го компонентного ФБ;

Л'га . nfb

EvConnci{EIu U £0')х(£0и (J EI') - множество событийных связей; г=1 (=1

Nfb nfb nfb

DataConn с {VI и |J VO')x [jW'u [J VO' x КО - множество информаци-i=l i=l /=1

онных связей.

Динамика функционирования МСФБ представлена шестью правилами и группами правил. Например, функция передачи сигналов на входы j-ro компонентного ФБ (функция tE[J) может быть определена следующим

множеством правил:

{pCFf}'\k,jy.Za{ а)л( V ZEI{eim)w V ZEQX{eoxn))^

(eim ,ei'k EvConn (eoxn ,ei[ )eEvConn

=> ZEIj{ei() <-true\eil e EIJ,j = 1,Nfb}, где ei[ - к-я входная событийная

переменная у'-го компонентного ФБ; Z£Qr - функция значений выходных

событийных переменных д:-го компонентного ФБ.

Определены модули диспетчера для циклической и синхронной моделей выполнения при использовании функционально-структурной организации модели с иерархически связанными диспетчерами.

В работе кратко рассмотрена также операционная семантика ФБ, функционирующих в соответствии с моделью выполнения на основе последовательной гипотезы.

В работе представлен альтернативный подход к формализации семантики ФБ - на основе модели СПС, когда определяются глобальные состояния и глобальные переходы (далее просто переходы), в которых явно определены условия перехода и значения всех переменных после срабатывания перехода. В то же время, в силу рамочного характера MAC, данная «семантическая» СПС может быть представлена в виде MAC.

Состояние модели развернутой системы ФБ определяется как nMBFB ■ nmcfb .

S =( П SB' П SJC), тр& S'B н SJC - состояния /-го МБФБ иу'-го МСФБ .=1 j=\

соответственно. Состояние МБФБ определяется как совокупность функций значений переменных состояния, характерных для базисного ФБ: = (ZEI>ZEOZVI'ZVO>ZVOB>ZW>ZQ'ZS>ZNA>ZNI>Za>Zp)-Состояние МСФБ определяется шестеркой Sc ~ (2Ы,Z^^Zyi,Zy0B,Za,Zp).

Произведена классификация переходов в модели СПС. Каждому типу перехода поставлена в соответствие своя группа правил. Например, переходы типа «Синхронный съем данных в составном ФБ» описываются следующим множеством правил:

{j£[/):Za(a)A Л zEi(eim)л Д ZEI(ein)=>

eim eEIj ei„eEI\EIj

=> E (ZK/(v/,) <- ZVOB(preVI(v/,))); H E ZEr(e%) <r-true; (EIJ ,VIk w№, eim eE/j (eim ,ei'k)e

vij eVIk e EvConn

2 ZE[(eim)<-faIse\EIjG2EI,EIj*0}, где Zy}- функция значений

"m^EI)

входных переменных ФБ; preVI - глобальная функция, позволяющая определить для каждой входной переменной экземпляра базисного ФБ (МБФБ) соответствующий ей буфер данных. Знак Е используется для представления операции параллельного выполнения для группы однотипных действий.

В третьей главе разрабатывается графотрансформационный подход к синтезу формальных моделей систем ФБ. Данный подход обладает наглядностью, структурностью, формальностью и полностью вкладывается в современную технологию проектирования программного обеспечения на основе управления моделями {Model Driven Engineering — MDE) и интегрированных модельных вычислений (Model-Integrated Computing — MIC). В рамках данного подхода синтез рассматривается как экзогенная вертикальная трансформация. В качестве целевой модельной формы приняты aNCES-cerw.

Предложен обобщенный граф потока моделей в процессе синтеза, представляющий следующую цепочку: «Многоуровневая система ФБ —> Многоуровневая система ФБ с проведенным рефакторингом -» Одноуровневая система ФБ —» Многоуровневая aNCES-мояепъ —> Одноуровневая aNCES- модель».

Дано определение арифметических iVŒS-сетей (aNCES-сетей), являющихся расширением NCES-сетей. В отличие от последних в aNCES-сетях могут использоваться целочисленные и нецелочисленные маркировки и веса дуг, а также функции обработки данных.

Разработана методика моделирования ФБ IEC 61499 с использованием aNCES-сетей. В отличие от аналогичных методик, основанных на использовании ординарных NCES-сетей, данная методика позволяет просто описывать алгоритмы обработки данных и сложные условия .ЕС-переходов, а также учитывает работу OSM-машины. В рамках методики определены способы моделирования: 1) управления выполнением операций в базисном ФБ; 2) условий .ЕС-переходов; 3) алгоритмов ЕС-акций; 4) диаграмм ЕСС; 5) сети клапанов данных; 6) приема и выдачи данных в базисных ФБ.

Разработаны начальные и промежуточные метамодели систем ФБ разных уровней, используемые в процессе синтеза формальных моделей. Для представления метамоделей используются типизированные атрибутные графы (ТАГ). Приводится классификация представлений систем ФБ на основе степени полноты генерации одноуровневого представления. Также в виде ТАГ разработана метамодель aNCES-сегтей.

Переход от многоуровневой структуры системы ФБ к одноуровневой структуре производится в два этапа. На первом этапе (этапе компоновки) рекурсивно осуществляется замена ссылочных экземпляров ФБ на соответствующие им развернутые экземпляры. На втором этапе (этапе встраивания) производится встраивание развернутых экземпляров ФБ в окружающую систему. Рассмотрены правила перехода от многоуровневой структуры систем ФБ к одноуровневой. Для синтеза многоуровневых aNCES-сетен на основе одноуровневых систем ФБ разработано 41 правило.

На рисунке 1 в качестве примера приведено правило создания Cond-модуля для ЕС-перехода. На рисунке в левой части внизу представлено условие запрещения применения правила (М4С-условие). Приведенное правило создает для Cond-вершины модели системы ФБ, которая представляет условие ЕС-перехода, соответствующий Cond-модуль сетевой модели, вычисляющий это ЕС-условие. Модуль Cond создается вместе с входами-выходами, инвариантными для всех Cond-модулей, а именно: с входом start и выходами true и false.

Для апробации и проверки предложенного в третьей главе метода синтеза была разработана «Система реструктуризации и преобразований функциональных блоков на основе трансформации графов», ядром которой является известная система трансформации графов AGG. Составной частью

разработанного программного продукта является набор правил перезаписи графов для синтеза сМСЕБ-сетей.

* I-il 1

name="startn nameM=z+"rood"+k

name="mod"+k nameT-"Cond_u+t+*'_n+x+y

namc="tme" nameM=z+nmod"+k

NAC

\ 2:Cond [■--£--») Module"]

name="false" namcM=z+"mod"+k

Рисунок 1 — Правило создания Cond-иоцуля

Четвертая глава посвящена методам верификации РКБИУСПА, в том числе на основе ФБ IEC 61499. Из всего арсенала формальных методов верификации в данной работе выбраны два основных метода: метод проверки моделей (Model Checking) и метод, основанный на математическом доказательстве корректности программ. Рассматриваются две формы представления РКБИУСПА: 1) в виде системы ФБ; 2) в виде МТЕ^-модели. Первая форма является проблемно-ориентированной, вторая - более универсальной, позволяющей моделировать широкий класс управляющих систем совместно с соответствующими объектами управления.

Предложены методики кодирования систем ФБ на языке верификатора SMV, построенные соответственно на основе двух различных подходов: а) на основе формальной метамодели ФБ, разработанной с использованием ФМОСФБ; б) на основе формальной метамодели ФБ, разработанной на основе СПС. Для поддержки предложенной методики (типа 1) разработан транслятор .XML-описания ФБ IEC 61499 в код SMV.

Разработана методика верификации дискретных событийных систем, представленных в виде NCES-сетей, на основе метода Model Checking, включающая следующие основные этапы: 1) переход от модульной иерархической NCES-cerm к одноуровневой (плоской) модели; 2) преобразование NCES-cem в асинхронную модель (А-модель); 3) кодирование Л-модели на входном языке верификатора SMV; 4) формулировка в 5.Р£С-предложениях языка SMV общих и частных свойств NCES-cerm в проекции на ^-модель с использованием временной логики CTL; 5) вычисление формул временной логики, полученных в п. 3, в системе SMV\ 6) интерпретация полученных результатов.

Описываются проблемы прямого построения структуры Крипке (СПС) для NCES-сегкй, аргументируется использование промежуточной А-модели. Асинхронная модель (Л-модель) NCES-сетей как модельная форма определяется в виде модифицированной сети Петри с увеличенными вычислительными возможностями: она позволяет выполнять несложные арифметические операции над маркировками позиций при срабатывании перехода.

В обнову предлагаемого асинхронного моделирования шага ИСЕБ-сетей положена концепция распространения событийного сигнала, источником которого является триггерный переход, через форсируемые переходы событийного графа этого триггерного перехода.

Разработаны правила преобразования ИСЕБ-сети в Л-модель. На рисунке 2 в качестве примера приведено одно из правил преобразования.

■« "О "О

{ „I

Рисунок 2 - Правило создания цепи сброса событийной позиции неразрешенного ИЛИ-перехода

Представлен способ кодировки Л-модели на входном языке верификатора SMV. Для поддержки методики верификации на основе NCES-ceтей разработаны соответствующие программные средства.

Предлагается метод семантического анализа описаний проектов на основе стандарта IEC 61499 с использованием Web-онтологий, позволяющий выявить семантические ошибки в описании на ранних стадиях проектирования. Особенность метода заключается в использовании дескриптивной логики (ДЛ) и логики хорновских дизъюнктов для описания исходных данных и формулировки свойств, а также специальных процедур логического вывода (реализованных в reasoner-системе рассуждений) для решения задач классификации.

Для практического использования этого метода в системе Protege разработана Web-онтология стандарта IEC 6499. Данная онтология описывает все артефакты проектирования: конфигурации, устройства, ресурсы, ФБ всех типов и их составные части, приложения и субприложения, адаптеры, связи между ФБ, диаграмму ЕСС и ее составные части - ЕС-переходы и £С-состояния и т.д. При разработке онтологии было отмечено, что она хорошо описывает синтаксис ФБ, при этом было обнаружено несколько неточностей в тексте стандарта IEC 61499. Например, оказалось, что текстуальный синтаксис покрывает только 50 % всех типов событийных связей.

Для описания онтологии в работе использовались семантические сети и ДЛ-аксиомы, правила SWRL и графы запросов. Семантический анализ описаний по своей сути сводится к определению семантически правильных конструкций в множестве синтаксически правильных. Представлены 11 определений семантически правильных концептов, относящихся к ФБ.

reseí i rc'fii reselt-t

Определение 4.1. Событийный вход ФБ-типа является семантически правильным, если верно одно из двух утверждений: 1) он является частью интерфейса базисного ФБ-типа и при этом используется в некотором условии ¿С-перехода этого ФБ-типа; 2) он является частью интерфейса составного ФБ-типа и при этом из него выходит некоторая (внутренняя) событийная связь. Соответствующая формула ДЛ приведена ниже:

Semantic_right_event_input_of_FB_type =

èvent_input_of_FB_type П (Э is_checked_by.EC_transition

П =1 is_part_of_interface.Interface_of_basic_FB_type)

L! (3 originates_event_connection.Event_connection

П =1 is_part_of_interface.Interface_of_composite_FB_type)

Для выражения сложных свойств могут использоваться правила SWRL.

Определение 4.11. Связь (событийная или информационная) вида Fi.a —> Fj.b между двумя ФБ в приложении является семантически правильной, если верны следующие два утверждения: 1) если блоки Ff и Fj отображаются на разные ресурсы (пусть в виде блоков F,' и F/ соответственно), то из выхода с именем а блока F, ' должна исходить связь к некоторому коммуникационному ФБ, а к входу с именем b блока Fj ' должна подходить связь из некоторого коммуникационного ФБ; 2) если блоки F, и Fj отображаются на один и тот же ресурс (пусть в виде блоков Ft' и Fj' соответственно), то между блоками F,' и F)' должна существовать связь вида F^.а —> Fj'.b. Данное утверждение представлено в виде двух правил SWRL, второе правило для наглядности представлено в виде графа запросов на рисунке 3.

FB_mstancé_ref unfolded.KB

?ul

10 necv,oA refera 1o_unioldK]_FB

V «fm.to_FD.tlT« ' Ггоп)

• al 1 —X interfere nf. 4 l it type

__/ ^ j ^omponail.FB _^f4_^-Compoiient_ FB/

? interface /Нк.ГВ_11с№огк ?b2

m^Jrrtxn"^0-^-^ " JL f tejntcrtacc

IFBjypCj/ Inlcrfacs of. f>,Л I Г?al J Interlace.!.!- id ,yp с .

Mapping} \ A[,^,on (^^omponent.FB Л.2 ) T/Mapping

S:, Л VX „ "etwork iijMtt of inicrfacc h'ml

\isjw1_of.inlcrfa«- Л \

\ Evcm_output_of\ Evcnt.input.of ,>-4.

maps 10 \ (?ol J^cojnponcnt^FB \ component Vil )

KB.resourc.ref X fci5>0 FB ^ cc^fronvevcnJ comcsToÊvcn, ' lvp0 Д1 0 ««««*

—N ^^Y-_/ ( 7u4

ТЬЗ \"omponent_FB f'.'cl jComponent J-|!(

nup.ijo

refers to 'unfolded нГ~С Evcnt.conncctton 'refera to unfolded FB

Resource^ isj«trt.of_FQ^network is олп of FB .network

has.FB.nctwork-

Z fB network

Рисунок 3 - Граф запроса для ситуации о распределении ФБ на один и тот же ресурс

С помощью онтологии могут обнаруживаться и некоторые некорректности, связанные с функционированием системы. Например, в работе решается задача детектирования циклов в иерархических системах ФБ. Для поддержки метода семантического анализа проектов 1ЕС 61499 на основе >Ге6-онтологий разработаны соответствующие инструментальные средства.

В пятой главе рассматриваются вопросы рефакторинга систем ФБ стандарта 1ЕС 61499. Под рефакторингом здесь понимается реструктуризация кода управляющего приложения для определенных целей с сохранением его основной функциональности. В главе рассматриваются две крупные проблемы: рефакторинг диаграмм ЕСС базисного ФБ для избежания тупиковых ситуаций и рефакторинг управляющего приложения в целом в соответствии с определенными шаблонами для возможности его переноса на платформу, поддерживающую предопределенную модель выполнения ФБ (решение проблемы портабельности). Для реализации рефакторинга систем ФБ используется, в частности, графотрансформационный подход. В рамках данного подхода рефакторинг рассматривается как эндогенная горизонтальная трансформация. В качестве исходной и целевой модельных форм выступают графовые модели ФБ.

Для решения задач рефакторинга использована упрощенная модель ЕСС, определяемая кортежем:

ЕСС = (5, Я, Е, С, А, ДТг,/с,/л,/р), где 5 ={51>52,...,х„} - множество вершин, представляющих ЕС-состояния;

множество дуг, представляющих ЕС-переходы; Е= {еье2,...,ет} -множество событийных входов; С = {сис2,... ,ск] — множество сторожевых условий, определенных на множествах входных, выходных и внутренних переменных базисного ФБ; А = {а1,а2,...,ар} — множество последовательностей ЕС-акций; Дс/1 х С - отношение, определяющее зависимость условий ЕС-переходов от результатов выполнения ЕС-акций, (о„ с]) е О, если выполнение аможет изменить значение с/, Яе—>Е — функция, назначающая Е-дугам событийные входы; /с: С - функция, назначающая Е- и С-дугам сторожевые условия; /А: 5 -> А - функция, назначающая состояниям последовательности ЕС-акций;_//>: Я -» {1,2,...} — функция, назначающая дугам нормализованные приоритеты.

Множество дуг Я разбито на следующие классы: ЯЕ — событийных дуг, Яс - условных дуг, Яг - безусловных дуг, Я = ЯЕ и Яс и ЯТ; ЯЕ П Яс П Ят = 0. Событийная дуга (Е-дуга) представляет ЕС-переход с событием; условная дуга (С-дуга) - ЕС-переход,без события, имеющий сторожевое условие, отличное от тождественно истинного, а безусловная дуга (Г-дуга) аналогична дуге второго типа, но сторожевое условие этой дуги тождественно истинно.

ЕС-состояние л> является потенциально-тупиковым (по условиям) состоянием (ПТ-состоянием), если все выходящие из него дуги являются условными. Если интерпретатор ЕСС совершил переход /2 в автомате ОБМ,

в то время как диаграмма ЕСС находилась в ПТ-состоянии, то это состояние становится тупиковым.

Рефакторинг диаграмм ЕСС используется для избавления от С-дуг полностью, если это возможно, или, по крайней мере, для минимизации числа С-дуг и удаления ПТ-состояний, появляющихся в результате этой минимизации. Общая идея избавления ЕСС от событийных дуг основывается на понятии достижимости последовательностей ЕС-акций при интерпретации ЕСС.

Предлагается подход к решению задачи рефакторинга на основе локальных преобразований ЕСС с использованием системы перезаписи графов. Все правила можно разделить на следующие группы: 1) правила предварительной обработки (корректировки); 2) правила наращивания графа; 3) правила очистки графа. Основными являются правила второй группы, которые в свою очередь также можно разделить на следующие группы: 1) правила распространения сигнала на линейном участке; 2) правила вхождения в соединитель; 3) правило обхода соединителя; 4) правило избавления от обратной С-дуги. Одно из правил первой группы приведено на рисунке 4. Контекстные состояния обозначены маленькими кружками. Крест на контекстной дуге в левой части правила означает, что дуга запрещена. Таким путем кратко представляются Л^С-условия.

О

V /

/ ч

О ►© '•

аг

Рисунок 4 - Правило распространения сигнала (на линейном участке) (Л1)

Для апробации и проверки метода рефакторинга диаграмм ЕСС базисных ФБ была разработана «Система реструктуризации и преобразований функциональных блоков на основе трансформации графов». Составной частью разработанного программного продукта является набор правил перезаписи графов для выполнения рефакторинга диаграмм ЕСС. Путем тестирования были подтверждены такие свойства данного набора правил, как завершаемость, полнота и конфлюэнтность.

Для решения проблемы портабельности предлагаются шаблоны модельно-ориентированной реализации систем функциональных блоков. В соответствии со ШМОРСФБ исходная система ФБ корректируется путем включения в ее состав сервисных ФБ, выполняющих ряд функций по интерпретации ФБ, в результате чего поведение системы ФБ в исходной среде выполнения совпадает с поведением исходной системы ФБ в одной, нескольких или всех целевых средах выполнения (рисунок 5).

Преобразование системы ФК с использование« ШМОРСФЬ

Рисунок 5 - Решение проблемы портабельности с использованием ШМОРСФБ

Для типов базисных ФБ предлагается общий метод трансформации, в то время как для составного ФБ метод трансформации является специфическим для каждой исходной модели выполнения. В зависимости от этого трансформация может включать добавление следующих ФБ: а) буферов входных сигналов для каждого рабочего ФБ, обеспечивающих доставку всех задействованных входных сигналов, а также желаемый порядок обработки входных сигналов; б) счетчиков квитанций, отмечающих прием входных сигналов буфером; в) контроллеров передачи сигналов, ответственных за передвижение сигналов между буферами; г) локальных диспетчеров, гарантирующих, что внутри составного ФБ компонентные ФБ будут вызываться в том же порядке, что и в исходной модели.

Целью трансформации базисных ФБ является добавление в них функциональности, позволяющей сигнализировать об окончании выполнения ЕСС путем выдачи через дополнительный событийный выход ее некоторого служебного сигнала, сопровождаемого значением дополнительной выходной переменной пОШ, определяющей число сигналов, выданных ФБ за время его прогона. Все это необходимо для корректного определения окончания передачи сигналов из рабочего ФБ в соответствующий буфер. Трансформация диаграммы ЕСС выполняется за пять шагов. Правила трансформации ЕСС представлены с использованием нотации атрибутных графовых грамматик.

Рассмотрена концепция применения ШМОРСФБ в составных ФБ на примере циклической и синхронной моделей выполнения. Предложены конкретные ШМОРСФБ, такие как «Циклическая модель выполнения» и «Синхронная модель выполнения». Для этих шаблонов определены схемы буферирования, правила преобразования структур, алгоритмы функционирования систем ФБ в рамках шаблонов, диаграммы последовательностей иМЬ, описывающие типичные сценарии.

Использование ШМОРСФБ проиллюстрировано на примере системы ФБ, реализующей круиз-контроль в автомобиле, и системы ФБ для вычис-

ления итерационной суммы. Приведена оценка сложности накладных расходов при преобразовании составных и базисных ФБ при использовании шаблонов «Циклическая модель выполнения» и «Синхронная модель выполнения».

В шестой главе развивается метод синтеза контроллеров безопасности распределенных систем управления на основе безопасных ЫСЕБ-сетей (л\ГСК?-сетей), предложенный Х.-М. Ханишем.

Вводится концепция реверсивных частично-маркированных яИСЕЗ-сетей (&уЖ7Е5-сетей), основной особенностью которых является обратное срабатывание шагов. ЛуЖ7й£-сети - один из ключевых моментов предлагаемого метода. Формальное описание Ня№Е5-сетей представлено 21 определением.

1ЬЫСЕБ-сеть определяется следующим кортежем:

(Р, Т, СИ, ЕЙ, ет, т„),

где Р — конечное множество позиций; Т — конечное множество переходов; ^с (Р х7)и(ГхР) - множество обычных дуг; С/Ус Р х Т- множество условных дуг; ЕЫд: Т х Т— множество событийных дуг; ет : Т-* {&,*•/} -событийный режим работы переходов; т0 : Р —> {0, 1, *} - начальная (целевая) маркировка.

Маркировка ЯбИСЕБ-сети - это функция т: Р —> {0, 1, *}. Выражение т(р) = * означает, что значение маркировки позиции р не определено или не является важным. Вводятся уровни допустимости перехода: «допустим», «безусловно допустим», «полностью не определен», «не допустим». На основании этого дается определение возможного шага.

При функционировании могут выполняться два типа элемен-

тарных действий: 1) срабатывание допустимого перехода; 2) запрещение перехода в прямом направлении. При срабатывании допустимого перехода в общем случае метки из выходных позиций перехода удаляются, а во входные - добавляются. Срабатывание перехода в ЯзЫСЕЗ основывается на следующем принципе: «После (обратного) срабатывания перехода / в ЯзЫСЕБ непосредственно следующее (прямое) срабатывание перехода / в соответствующей $ЫСЕБ должно восстановить начальную маркировку определенно маркированных входных и выходных позиций перехода /». Запрещение перехода в прямом направлении сводится к установке такой маркировки его неопределенных позиций, что он не сможет сработать в Запрещаются в прямом направлении полностью неопределенные

и недействительные переходы.

Вводятся понятия дополнения шага, максимального дополнения шага, граничных позиций шага, допустимого в прямом направлении перехода дополнения шага, недействительных переходов, разрешенного дополнения шага, максимально разрешенного дополнения шага (МРД), запрещающей контекстной маркировки (ЗКМ), допустимых шагов различных типов.

Назовем конфигурацией шага у = (р., ю) при маркировке т совокупность шага ц и одной из соответствующих ему ЗКМ со. Конфигурация = (ц, со) минимальна, если входящий в нее допустимый шаг ц является усеченным, и ЗКМ со является минимальной. При срабатывании конфигурации допустимого шага производятся следующие действия: 1) срабатывают все переходы, входящие в шаг; 2) устанавливается соответствующая ЗКМ для контекстных позиций шага.

Основным действием при интерпретации ЛуЛГС£5-сетей является нахождение всех конфигураций допустимых шагов при заданной маркировке. Данное действие предполагает решение двух задач: 1) нахождение всех усеченных допустимых шагов (УДШ); 2) нахождение всех минимальных ЗКМ для заданного шага. Основная идея метода построения всех УДШ для триггерного перехода заключается в последовательном расширении некоторого начального полного допустимого шага переходами из дополнения шага. Для определения минимального покрывающего множества ЗКМ предлагается методика, включающая семь шагов. Данная методика основана на представлении условия запрета недействительных переходов МРД в виде некоторой булевой функции с последующей ее минимизацией. МРД строится на основе понятия событийных графов сети ?СЕБ. Разработан алгоритм построения графа достижимости маркировок в RsNCES-ce^и.

Определена концепция динамической коррекции поведения РКБИУСПА с использованием контроллеров безопасности на основе модельного подхода (рисунок 6). Цель использования контроллеров безопасности - предотвратить попадание системы в опасные (запрещенные) состояния. На данном рисунке приняты следующие сокращения: СУ - система управления, СПД - система передачи данных, ОУ - объект управления.

Генерация правил

безопасности

Рисунок 6 - Динамическая коррекция поведения системы

Для решения задачи предотвращения переходов системы в запрещенные состояния предлагаются расширенная модель зЫСЕБ, включающая собственно ,уЛгС££'-сеть, описывающую систему, и продукционные правила,

предназначенные для предотвращения перехода системы в запрещенные состояния. Разработка запрещающих продукционных правил является одним из основных пунктов предложенного метода синтеза. Продукционные правила должны обеспечить неблокируемое и максимально разрешающее поведение системы.

Приведены смысловая интерпретация и классификация маркировок Критическая маркировка - это такая потенциально опасная маркировка, из которой возможен неуправляемый путь в запрещенную маркировку. Все критические маркировки представляют «дыру» в системе безопасности. Граничной маркировкой называется полная безопасно предотвращающая маркировка в графе достижимости критических маркировок (ГДКМ).

Под предотвращением (запрещением) прямых шагов на основе конфигурации ц/ = (ц, со) при маркировке т будем понимать модификацию маркировки позиций, относящихся к обратному шагу ц таким образом, чтобы при полученной модифицированной маркировке т" не был бы разрешен ни один прямой шаг ..., основанный на обратном шаге ц (рисунок 7). На рисунке сплошная стрелка обозначает срабатывание обратного шага, штрих-пунктирная стрелка - срабатывание прямого шага, штриховая стрелка - отношение конкретизации маркировок, двойная стрелка - модификацию маркировок.

т" „

, = ******

"" у I

тг ^ тп

т

Рисунок 7 - Предотвращение прямых шагов на основе конфигурации ц/ = (ц, со)

Построение предотвращающих правил предлагается производить на основе использования ГДКМ. Размерность ГДКМ, как правило, значительно (возможно на несколько порядков) меньше размерности графа достижимости, что делает такой подход к синтезу достаточно эффективным. Для найденных граничных вершин в ГДКМ генерируются правила предотвращения прямых шагов из данных вершин в критические вершины.

В качестве иллюстративного примера построения контроллера безопасности рассматривается система из двух выталкивателей, предназначенная для транспортировки деталей. В главе также рассматриваются вопросы реализации систем безопасности. Для поддержки предложенного в шестой главе метода синтеза разработаны соответствующие программные средства.

В приложениях к диссертационной работе представлены следующие материалы: 1) краткое описание языка UML-FB; 2) методика моделирования НДА с использованием ЖЖ?-сетей; 3) методика моделирования НДА с использованием диаграмм Ладдера; 4) операционная семантика функциональных блоков, функционирующих в соответствии с моделью выполнения на основе последовательной гипотезы; 5) демонстрационный пример проверки моделей системы ФБ; 6) документы, подтверждающие внедрение и использование результатов диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1 Разработана модельно-центрированная методология проектирования РКБИУСПА на основе международного стандарта IEC 61499, отличающаяся от известных функциональностью, широтой охвата фаз проектирования и использованием комплекса взаимосвязанных моделей и их трансформаций, позволяющая: а) строить системы, отвечающие функциональным и нефункциональным требованиям; б) повысить качество проектных решений за счет автоматизации процесса проектирования, увеличения степени повторного использования разработанных артефактов проектирования, что в конечном счете приводит к сокращению сроков проектирования.

2 Разработаны абстрактный синтаксис и операционная семантика систем ФБ IEC 61499. Для определения абстрактного синтаксиса используется теоретико-множественный подход, а для представления операционной семантики — аппарат машин абстрактных состояний и систем переходов состояний. В рамках данного лингвистического направления решены следующие задачи: а) разработаны основы иерархической организации систем, построенных на основе ФБ IEC 61499, что позволяет перейти от иерархических структур систем ФБ к одноуровневым моделям; б) разработана формальная нотация для представления операционной семантики ФБ; в) предложена синтактико-семантическая модель базисных и составных ФБ стандарта IEC 61499, функционирующих в рамках циклической, синхронной и последовательной моделей выполнения. Особенностью предложенной семантики является реализация моделей выполнения в виде отдельного модуля диспетчера, что позволяет легко изменять семантику выполнения путем его замены.

3 Формализован процесс порождения а/УСЕ^-моделей систем ФБ на основе трансформации графов, что позволяет избежать ошибок проектирования и автоматизировать трудно формализуемый этап разработки формальных моделей. Используемый подход к формализации обладает наглядностью, структурностью, простотой реализации и полностью вкладывается в современную технологию проектирования программного обеспечения на основе управления моделями (Model Driven Engineering) и интегрированных модельных вычислений (Model-Integrated Computing - MIC). В рамках формализации процесса разработаны: а) арифметические NCES-сети (aNCES-сети) для моделирования параллельных систем с логико-арифметической обработкой данных; б) методика моделирования ФБ IEC 61499 на

основе использования aNCES-cerew, в) правила трансформации графов для порождения aNCES-моделей управляющих приложений IEC 61499; г) прототип системы синтеза aNCES-моделей систем ФБ, ядром которой является система трансформации графов AGG.

4 Разработана методика верификации дискретных событийных систем, представленных в виде NCES-сетей, на основе метода Model Checking, отличающаяся от известных использованием промежуточной Л-модели для упрощения построения структуры Крипке, что позволяет в дальнейшем производить сертификацию РКБИУСПА с использованием современных промышленных верификаторов. В рамках методики разработаны правила графовых трансформаций NCES-сетей в /4-модель, процедура перевода Л-модели на входной язык верификатора SMV, а также транслятор XML-описания NCES-сетей в код SMV.

5 Предложен метод семантического анализа описаний систем управления на основе стандарта IEC 61499 с использованием Жеб-онтологий, позволяющий выявить семантические ошибки в описании на ранних стадиях проектирования, что сокращает общее время проектирования системы. В отличие от известных методов предложенный метод отличается формальностью (основа — дескриптивная логика и логика хорновских дизъюнктов), ясностью, разрешимостью, гибкостью и расширяемостью. В рамках данного метода разработаны: а) Жеб-онтология систем управления, базирующихся на стандарте IEC 61499; б) набор свойств ФБ, позволяющих судить об их семантической корректности; в) программная система семантического анализа проектов IEC 61499 на основе Жеб-онтологий.

6 Предложен метод рефакторинга диаграмм управления выполнением (диаграмм ЕСС) базисного ФБ на основе трансформаций графов. Данный метод используется для избавления ЕСС от условных дуг и минимизации их числа, а также для удаления потенциально-тупиковых (по условиям) состояний. В рамках данного метода разработаны: а) формальная модель диаграммы ЕСС для проведения рефакторинга; б) процедура рефакторинга диаграмм ЕСС в терминах графов; в) система рефакторинга, включающая графовую метамодель ЕСС и правила трансформации (перезаписи) графов; г) прототип системы рефакторинга на основе инструментального средства трансформации графов AGG. Путем тестирования были подтверждены такие свойства системы рефакторинга, как завершаемость, полнота и конфлюэнтность.

7 Усовершенствован метод синтеза моделей контроллеров безопасности распределенных систем управления на основе sNCES-сетей, позволяющий генерировать запрещающие правила для предотвращения попадания замкнутых систем «управление-оборудование» в опасные состояния. В рамках модификаций данного метода разработаны: а) концепция, формальное определение и правила функционирования реверсивных частично-маркиро-ванных лУСЕ^-сетей (RsNCES-сетей), основанных на обратных срабатываниях шагов, что позволяет формально описать обратный поиск в простран-

стве состояний; б) методы интерпретации сетей, включающие вы-

числение допустимых шагов и вычисление минимальных запрещающих контекстных маркировок; в) алгоритм системного порождения маркировок, которые необходимо изменить для предотвращения перехода в опасное состояние, а также процедура генерации для них запрещающих продукционных правил; г) программа для построения графа достижимости для ДяЖЖ^-сетей. В отличие от базового метода проф. Х.-М. Ханиша предложенный метод более формален и универсален.

8 Предложена концепция шаблонов модельно-ориентированной реализации систем функциональных блоков, предназначенных для решения проблемы портабельности управляющих приложений на основе стандарта ШС 61499. ШМОРСФБ позволяют достичь высокой степени независимости управляющего приложения от модели выполнения, делая, таким образом, системы ФБ робастными к изменениям семантики выполнения. Разработаны конкретные ШМОРСФБ: «Циклическая модель», «Синхронная модель», «Последовательная модель».

9 Разработан язык иМЬ-ГВ, основанный на расширении метамодели языка ЦМЬ, для моделирования систем управления промышленными процессами на основе стандарта 1ЕС 61499. Данный язык сокращает семантический разрыв между структурным и объектно-ориентированным подходами к проектированию систем управления и облегчает переход от системных требований к артефактам проектирования.

10 Предложена концепция иерархических модульных недетерминированных автоматов, отличающаяся от базовой концепции НДА: а) возможностью иерархической структуризации модели с использованием понятий базисного и составного автоматных модулей; б) учетом короткоживущих («импульсных») сигналов, что в итоге: а) позволяет использовать структурный подход к проектированию (например, нисходящий и восходящий методы); б) увеличивает описательную мощность автоматной модели; в) расширяет сферу применения автоматного подхода к проектированию дискретных событийных систем. Разработаны формальная модель ИМНДА, метод моделирования ИМНДА на основе ЛО^-сетей, двухфазная схема выполнения ИМНДА и подход к ее реализации на основе логики диаграмм Ладдера и на языке УНИЬ.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Дубинин, В. Н. Операционная семантика функциональных блоков 1ЕС 61499 (Ч. 2: Циклическая модель выполнения) / В. Н. Дубинин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2013. - № 2 - С. 45-58.

2. Дубинин, В. Н. Операционная семантика функциональных блоков IEC 61499 (Ч. 1: Модель базисного блока) / В. Н. Дубинин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2012. -№4.-С. 37-48.

3. Дубинин, В. Н. Операционная семантика синхронных функциональных блоков IEC 61499 на основе машин абстрактных состояний (Ч. 1: Модель диспетчеров) / В. Н. Дубинин, В. В. Вяткин // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего Плюс. - 2012. - Вып. 4. - С. 233-240.

4. Дубинин, В. Н. Определение графов зависимостей в онтологии функциональных блоков и их использование для анализа систем управления / Н. П. Вашкевич, В. Н. Дубинин // Вопросы радиоэлектроники. Сер. СОИУ. - 2012. - Вып. 4. - С. 74-86.

5. Дубинин, В. Н. Верификация приложений IEC 61499 на основе метода Model Checking / В. Н. Дубинин, В. В. Вяткин // Известия вузов. Поволжский регион. Технические науки. - 2011. - № 3. - С. 44-55.

6. Дубинин, В. Н. Формализация моделей выполнения функциональных блоков IEC 61499 / В. Н. Дубинин, В. В. Вяткин // Известия вузов. Поволжский регион. Технические науки. - 2011. - № 1. - С. 12-23.

7. Дубинин, В. Н. Семантический анализ описаний систем управления промышленными процессами на основе стандарта ШС 61499 с использованием онтологий / В. Н. Дубинин, В. В. Вяткин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2010. - № 3 (15). - С. 3-15.

8. Дубинин, В. Н. Концептуальное моделирование систем управления на основе функциональных блоков IEC 61499 / В. Н. Дубинин // Вестник ТГТУ. - 2009. - № 3. - С. 467-477.

9. Дубинин, В. Н. Асинхронное моделирование NCES-сетей / В. Н. Дубинин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2009. - № 2. - С. 3-14.

10. Дубинин, В. Н. Графотрансформационный подход к синтезу формальных моделей систем функциональных блоков IEC 61499 / В, Н. Дубинин, В. В. Вяткин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2008. - № 4. - С. 16-26.

11. Дубинин, В. Н. Об одной методике проектирования супервизорно-го управления для дискретно-событийных систем / В. Н. Дубинин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. -2009. — № 3. - С. 12-24.

12. Дубинин, В. Н. Рефакторинг диаграмм управления выполнением стандарта IEC 61499 / В. Н. Дубинин, В. В. Вяткин // Известия вузов. Поволжский регион. Технические науки. - 2008. - № 2. - С. 16-25.

13. Дубинин, В. Н. Использование реверсивных частично-маркиро-ванных sNCES-сетей в синтезе контроллеров безопасности для дискретно-событийных систем / В. Н. Дубинин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2008. - № 1. - С. 25-35.

14. Дубинин, В. Н. Формализованное описание и верификация дискретных событийных систем с параллельными процессами / Н. П. Вашке-вич, В. Н. Дубинин // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ЭВТ. - 2008. -Вып. 5-С. 51-65.

15. Дубинин, В. Н. Интерпретация реверсивных частнчно-маркиро-ванных sNCES-сетей / В. Н. Дубинин, Х.-М. Ханиш, Д. Миссал // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. — 2007. - № 3. - С. 23-34.

16. Дубинин, В. Н. Реверсивные частично-маркированные sNCES-сети / В. Н. Дубинин, Х.-М. Ханиш, Д. Миссал // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2007. - № 2. - С. 22-31.

17. Дубинин, В. Н. Модели последовательного выполнения функциональных блоков IEC 61499 на основе динамически изменяемых приоритетов / В. Н. Дубинин, В. В. Вяткин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2007. — № 1. — С. 13—22.

18. Дубинин, В. Н. Проектирование распределенных систем управления промышленными процессами с использованием UML-FB / В. Н. Дубинин, В. В. Вяткин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Сер. Технические науки. - 2004. — № 2. - С. 136-146.

19. Дубинин, В. Н. Формализованное описание и моделирование систем функциональных блоков IEC 61499 / В. Н. Дубинин, В. В. Вяткин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Сер. Технические науки. - 2005. - № 5. - С. 76-89.

20. Дубинин, В. Н. Использование методов искусственного интеллекта при проектировании интеллектуальных систем управления внешней и массовой памятью ЭВМ / Н. П. Вашкевич, С. А. Зинкин, В. Н. Дубинин И Известия АН СССР. Техническая кибернетика. - 1991. - № 5. — С. 63-74.

21. Dubinin, V. Migration from PLC to IEC 61499 using Semantic Web Technologies / W. Dai, V. Dubinin, V. Vyatkin // IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics: Systems. -2014. - Vol. 44, Issue 3. - P. 277-291.

22. Dubinin, V. Automatically Generated Layered Ontological Models for Semantic Analysis of Component-Based Control Systems / W. Dai, V. Dubinin, V. Vyatkin // IEEE Transactions on Industrial Informatics. - 2013. - Vol. 9, Issue 4.-P. 2124-2136.

23. Dubinin, V. Semantics-Robust Design Patterns for IEC 61499 / V. Dubinin, V. Vyatkin // IEEE Transactions on Industrial Informatics. - 2012. - Vol. 8, Issue 2. - P. 279-290.

24. Dubinin, V. Refactoring of Execution Control Charts in Basic Function Blocks of the IEC 61499 Standard / V. Vyatkin, V. Dubinin // IEEE Transactions on Industrial Informatics. -2010. - Vol. 6, Issue 2. - P. 155-165.

25. Dubinin, V. On Definition of a Formal Model for IEC 61499 Function Blocks / V. Dubinin, V. Vyatkin // EURASIP Journal on Embedded Systems. -Vol. 2008, Article ID 426713.-P. 10.

Публикации в других изданиях

26. Дубинин, В. Н. Модели функциональных блоков ШС 61499, их проверка и трансформации в проектировании распределенных систем управления : моногр. / В. Н. Дубинин, В. В. Вяткин ; под ред. проф. Н. П. Вашкеви-ча. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2012. - 350 с.

27. Дубинин, В. Н. Сетевые модели распределенных систем обработки, хранения и передачи данных : моногр. / В. Н. Дубинин, С. А. Зинкин. -Пенза: ПДЗ, 2013. - 452 с.

28. Дубинин, В. Н. Вопросы разработки операционной семантики функциональных блоков ШС 61499 / Н. П. Вашкевич, В. Н. Дубинин // Программные системы и вычислительные методы. — 2012. — № 1. - С. 10—16.

29. Dubinin, V. Rapid engineering and re-configuration of automation objects using formal verification / V. Vyatkin, H.-M. Hanisch, S. Karras, Т. Pfeiffer, V. Dubinin // International Journal of Manufacturing Research. - 2006. -Vol. 1,№ 4.-P. 382-404.

30. Дубинин, В. H. Синхронно-асинхронные модели и верификация замкнутых систем «управление-оборудование» / Н. П. Вашкевич, В. И. Вол-чихин, В. Н. Дубинин // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. -Пенза, 2014.-Т. 1,-С. 21-26.

31. Дубинин, В. Н. Модельно-центрированная методология проектирования распределенных компонентно-базированных информационно-управляющих систем промышленной автоматики / В. Н. Дубинин // Современные информационные технологии : тр. междунар. науч.-техн. конф. -Пенза, 2013. - Вып. 18. - С. 7-24.

32. Дубинин, В. Н. Иерархические модульные недетерминированные автоматы / Н. П. Вашкевич, В. Н. Дубинин // Новые информационные технологии и системы (НИТС'2012) : тр. X Междунар. науч.-техн. конф. -Пенза, 2012.-С. 3-7.

33. Дубинин, В. Н. Формализованное описание последовательной модели выполнения функциональных блоков / Н. П. Вашкевич, В. Н. Дубинин, В. В. Вяткин // Вычислительные системы и технологии обработки информации : межвуз. сб. науч. тр. - Вып. 10 (33). - 2011. - С. 45-61.

34. Дубинин, В. Н. Анализ расширенных NCES-сетей на основе метода Model Checking / В. Н. Дубинин, Х.-М. Ханиш, В. В. Вяткин, С. К. Шеста-ков // Новые информационные технологии и системы (НИТиС'2010) : тр. IX Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2010. - Ч. 2. - С. 20-48.

35. Дубинин, В. Н. Моделирование систем функциональных блоков IEC 61499 с помощью модульных арифметических NCES-сетей / В. Н. Дубинин // Новые информационные технологии и системы (НИТиС'2008) : тр. VIII Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, 2008. - Ч. 2. - С. 47-64.

36. Dubinin, V. Event graph-based approach to interpretation of NCES models / V. Dubinin, H.-M. Hanisch, D. Missal // Новые информационные

технологии и системы (НИТС'2006): тр. V Междунар. науч.-техн. конф. -Пенза, 2006. - Ч. 1. - С. 172-186.

37. Dubinin, V. 1ЕС 61499 Ontology Model for Semantic Analysis and Code Generation / W. Dai, V. Dubinin., V. Vyatkin // ШЕЕ 9th Int. Conf. on Industrial Informatics (INDIN'2011), Lisbon, Portugal, 2011. - P. 597-602.

38. Dubinin, V. Ontology-based Design Recovery and Migration between IEC 61499 - compliant Tools / W. Dai, V. Vyatkin, V. Dubinin // 37th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society(IECON 2011), Melbourne, Australia. - 2011. - P. 4332-4337.

39. Dubinin, V. Refactoring of Execution Control Charts in Basic Function Blocks of the IEC 61499 Standard / V. Dubinin, V. Vyatkin // Proc. 13th IFAC Symposium on Information Control Problems in Manufacturing (INCOM'09), Moscow, Russia. - 2009. - P. 193-198.

40. Dubinin, V. Sequential Axiomatic Model for Execution of Basic Function Blocks in IEC61499 / V. Vyatkin, V. Dubinin // Proc. 5th IEEE Conference on Industrial Informatics (INDIN'07), Vienna, Austria. - 2007. - P. 1137-1142.

41. Dubinin, V. Alternatives for Execution Semantics of IEC61499 / V. Vyatkin, V. Dubinin, C. Veber, L. Ferrarini // 5th IEEE International Conference on Industrial Informatics (INDIN'2007), Vienna, Austria. - 2007. -P. 1105-1110.

42. Dubinin, V. Using Prolog for Modelling And Verification of IEC 61499 Function Blocks and Applications / V. Dubinin, V. Vyatkin, H.-M. Hanisch // 11th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA 2006), Prague, Czech Republic. - 2006. - P. 774-781.

43. Dubinin, V. Towards a Formal Semantics of IEC 61499 Function Blocks / V. Dubinin, V. Vyatkin // 4th IEEE International Conference on Industrial Informatics (INDIN'2006), Singapore. - 2006. - P. 6-11.

44. Dubinin, V. Engineering of Validatable Automation Systems Based on an Extension of UML Combined With Function Blocks of IEC 61499 / V. Dubinin, V. Vyatkin, T. Pfeiffer // IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA'05), Barcelona, Spain. - 2005. - P. 4007-4012.

45. Дубинин, В. H. Система имитационного моделирования функционально-децентрализованных вычислительных систем / В. Н. Дубинин, С. А. Зинкин ; Пенз. политехи, ин-т. - Пенза, 1986. - 161 с. - Гос. фонд алгоритмов и программ СССР; Инв. № 50870001130 // Алгоритмы и программы: Инф. бюл. - М.: ВНТИЦентр, 1988. - № 2. - С.10.

Свидетельства

1. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2012611397. Система семантического анализа проектов стандарта IEC 61499 / В. Н. Дубинин, В. А. Реуцкий. - Заявка № 2011619346; Зарегистр. в реестре программ для ЭВМ 03.02.2012.

2. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2012611398. Транслятор XML-описаний NCES-сетей в код SMV /

В. Н. Дубинин, С. К. Шестаков. - Заявка № 2011619347; Зарегистр. в реестре программ для ЭВМ 03.02.2012.

3. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2013615412. Транслятор XML-описания функциональных блоков стандарта IEC 61499 в код VHDL / Д. Н. Дроздов, В. Н. Дубинин. - Заявка № 2013613102; Зарегистр. в реестре программ для ЭВМ 06.06.2013.

4. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2013615737. Конвертор UML-FB-моделей систем управления на основе стандарта IEC 61499 в формат XML / В. Н. Дубинин, Н. П. Вашкевич. - Заявка № 2013613412; Зарегистр. в реестре программ для ЭВМ 19.06.2013.

5. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2013615837. Визуальная интерактивная имитационная модель производственной установки FESTO на основе функциональных блоков IEC 61499 /

B. Н. Дубинин. - Заявка № 2013613758; Зарегистр. в реестре программ для ЭВМ 21.06.2013.

6. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2013616261. Система реструктуризации и преобразований функциональных блоков на основе трансформации графов / В. Н. Дубинин, Н. П. Вашкевич, А. В. Колесин, А. М. Тяпков. - Заявка № 2013613939; Зарегистр. в реестре программ для ЭВМ 02.07.2013.

7. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2013619797. Транслятор XML-описаний иерархических модульных недетерминированных автоматов в программы ПЛК в формате PLCOpen XML / Д. А. Будаговский, В. Н. Дубинин, Н. П. Вашкевич. - Заявка № 2013617483; Зарегистр. в реестре программ для ЭВМ 16.10.2013.

8. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2013617850. Транслятор XML-описаний иерархических модульных недетерминированных автоматов в код VHDL / Н. П. Вашкевич, В. Н. Дубинин, Е. С. Демин. - Заявка № 2013615775; Зарегистр. в реестре программ для ЭВМ 26.08.2013.

9. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2013661546. Программный комплекс для поддержки проектирования дискретных событийных систем на основе недетерминированных автоматов / Н. П. Вашкевич, В. Н. Дубинин, С. В. Тумасов, Е. С. Демин. - Заявка № 2013613414; Зарегистр. в реестре программ для ЭВМ 10.12.2013.

10. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2013661891. Транслятор XML-описания функциональных блоков стандарта IEC 61499 в код SMV / В. Н. Дубинин, Д. Н. Дроздов. - Заявка № 2013660001; Зарегистр. в реестре программ для ЭВМ 18.12.2013.

11. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. Программный комплекс для синтеза запрещающих правил для контроллеров безопасности на основе реверсивных sNCES-сетей / В. Н. Дубинин,

C. Bi Тумасов, К. Ю. Тархов. - Входящий номер рассмотрения заявки 2014615312 от 03.06.2014.

Научное издание

ДУБИНИН Виктор Николаевич

МОДЕЛИ, МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПРОЕКТИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ КОМПОНЕНТНО-БАЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ ПРОМЫШЛЕННОЙ АВТОМАТИКИ

Специальности: 05.13.17 - Теоретические основы информатики; 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

Редактор О. Ю. Ещина Технический редактор Р. Б. Бердникова Компьютерная верстка Р. Б. Бердниковой

Распоряжение № 6/44-2014 от 23.06.2014. Подписано в печать 26.06.2014. Формат 60х84'/16. Усл. печ. л. 2,0. Заказ № 539. Тираж 100.

Издательство ПГУ. 440026, Пенза, Красная, 40. Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: iic@pnzgu.ni