автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Моделирование бортовых информационно-измерительных систем с использованием сетей Петри-Маркова

На правах рукописи

ЖУЛИКОВА Наталья Александровна

МОДЕЛИРОВАНИЕ БОРТОВЫХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЕТЕЙ ПЕТРИ-МАРКОВА

Специальность 05.11.16- Информационно-измерительные и управляющие системы (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 2003

Работа выполнена на кафедре "Робототехника и автоматизация производства" в Тульском государственном университете

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

ЛАРКИН Евгений Васильевич

Научный консультант - кандидат технических наук

САБО Юрий Иванович

Официальные оппоненты

■ доктор технических наук, профессор ТОКАРЕВ Вячеслав Леонидович

- кандидат технических наук

КУЛИКОВ Вячеслав Васильевич

Ведущая организация

ФГУП "Научно-исследовательский институт" Стрела"

Защита состоится « 2003 г. в

диссертационного совета Д 212.271.07 при Тульском государственном университете (300600, г. Тула, проспект им. Ленина, 92, корп. 9, ауд.101).

часов на заседании

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « ъО&Ы/дЗ 2003 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета с—- Ф.А. Данилкин

\oo3-А \SfolT

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Современный этап развития технических средств управления пилотируемыми летательными аппаратами характеризуется, во-первых, существенным ростом объемов данных, получаемых от объекта с помощью сенсоров, во-вторых, стремлением извлечь из полученных данных максимум информации, используемой для принятия решений, а в третьих, стремлением переложить на ЭВМ выработку рекомендаций по принятию управленческих решений.

С другой стороны, рыночные отношения предопределяют жесткую конкуренцию как на рынке авиационной техники, так и на рынке вспомогательных средств, что приводит к необходимости существенного сокращения сроков обновления технических средств и программного обеспечения. В настоящее время это возможно только с использованием таких методологий, которые обеспечивали бы сквозной процесс проектирования от общего облика системы до отдельных конструктивов и программных продуктов.

Известно, что в любой области техники повышение технических характеристик объектов, в том числе и производительности, может быть достигнуто как за счет совершенствования их элементной базы, так и за счет более эффективного использования имеющихся технических средств. Общепринятым методом решения проблемы ускорения информационных процессов является применение быстродействующих каналов передачи данных и процессоров с повышенной производительностью. Однако применение более совершенных технических средств хотя и приводит к удорожанию аппаратуры, зачастую не дает желаемого результата без организационно-технических мероприятий по их использованию.

В силу сложности информационных процессов и широкой номенклатуры технических средста, решающих в бортовой электронике сходные задачи с различными ресурсными затратами, проектирование систем указанного класса с последующей постановкой экспериментов на реальном объекте - весьма длительный и дорогостоящий процесс, в результате которого не обязательно получается оптимальный результат. Поэтому сокращение сроков создания и освоения новых технических решений целесообразно проводить с предварительным моделированием и расчетом параметров систем, что в настоящее время затруднительно, вследствие отсутствия методологии проектирования систем указанного типа.

Все вышеперечисленное, а именно потребности в создании бортовых информационно-измерительных комплексов и отсутствие общей теории их анализа и расчета, позволяющей осуществить оптимальное распределение информационных функций между компонентами в пространстве-времени в системах с заданной структурой, объясняет необходимость и актуальность исследований, проведенных в диссертации.

Объектом исследования является бортовой информационно-

измерительный комплекс, ниже называемый авионикой, который состоит из взаимодействующих систем, таких как сенсорная система, преобразователи информации, бортовой вычислитель, средства передачи и отображения данных.

Взаимодействие систем авионики во времени, их влияние на потери информации и на сбои в системе, а также наличие человеческого фактора обуславливают необходимость разработки комплексного подхода к проектированию подобных систем. Это в свою очередь обусловило выбор предмета исследования - временные характеристики взаимодействия компонентов авионики между собой.

Цель диссертации - разработка методов анализа бортовых информационно-измерительных комплексов на основе моделирования временных характеристик узлов и блоков.

В соответствии с поставленной целью автором решены следующие задачи:

1.Ha основании анализа особенностей функционирования информационно-измерительного комплекса авионики показана адекватность сетей Петри-Маркова информационным процессам, протекающим в компонентах авионики, в частности сенсорной системе и бортовом вычислителе.

2. Разработана методика анализа сетей Петри-Маркова на основании табличного преобразования логических условий переходов.

3. Построена модель согласования информационных характеристик сенсорной системы с бортовой ЭВМ и системой обмена данными.

4. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение для генерации сетей Петри-Маркова в интерактивном режиме.

Методы исследования.

Проведенные исследования основаны на методах информатики, теории алгоритмов, теории вероятности, теории случайных процессов. Перечисленным выше аналитическим методам исследования посвящены работы отечественных ученых: В.М. Глушкова, В.Е. Котова, A.A. Маркова, Д.С. Сильвестрова, B.C. Королкжа, А.Ф. Турбина и др., а также зарубежных специалистов: Д. Кокса, Дж. Пигерсона, Д. Феррари, С.А. Петри и др.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Показана возможность применения аппарата сетей Петри для анализа временных характеристик взаимодействия систем авионики между собой.

2. Разработана методика преобразования сетей Петри с целью анализа временных характеристик взаимодействия систем авионики.

3. Разработана методика анализа сетей Петри-Маркова на основании табличного преобразования логических условий переходов, представляющая собой математический аппарат расчета временных характеристик.

4. Сформированы модели частных случаев взаимодействия систем авионики, в том числе системы конвейерного типа, системы обмена данными с предвари- i'-i-ь

4 ; *5Hi' 'И

■"rd-s»-'-

тельной обработкой информации, системы доступа к данным при циклической и приоритетной дисциплинах работы диспетчера. 5. На основании сформированных моделей разработана методика расчетов потребных ресурсов бортовых ЭВМ летательных аппаратов, которая позволяет сократить сроки разработки отказоустойчивых бортовых локальных вычислительных сетей.

Практическая ценность работы заключается в разработке алгоритмического и программного обеспечения для генерации сетей Петри-Маркова в интерактивном режиме, которое позволяет оценивать следующие свойства моделируемых систем: ограниченность, живость, достижимость какого-либо состояния, временные характеристики (время цикла (периода) работы системы, время работы и простоя элементов системы, степень влияния быстродействия отдельных элементов на быстродействие в целом).

Реализация результатов диссертационной работы. Прикладные результаты диссертационной работы были внедрены в производство ФГУП "Санкт-Петербургское ОКБ "Электроавтоматика" в качестве "Методики расчетов потребных ресурсов бортовых ЭВМ летательных аппаратов". Методика предусматривает расчет потребной производительности бортовой ЭВМ и объемов запоминающих устройств на этапе системного проектирования средств интегрированной модульной авионики. Внедрение методики дает технический эффект, заключающийся в сокращении сроков разработки отказоустойчивых бортовых локальных вычислительных сетей для интеграции перспективных нави-гационно-пилотажных комплексов самолетов гражданской авиации, удовлетворяющих современным и перспективным требованиям безопасности и точности полетов.

Теоретические результаты работы внедрены в учебный процесс в рамках учебных курсов "Дискретная математика" и "Системы автоматизации и управления" на кафедре "Робототехника и автоматизация производства" Тульского государственного университета.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах:

1. Системы управления электротехническими объектами. Всероссийская научно-практическая конференция. (Тула, ТулГ.У, 2000);

2. ХУШ научная сессия, посвященная Дню радио и 75-летию завода "Октава" (Тула, ТулГУ, 2001).

3. Проблемы специального машиностроения. Международная научно-техническая конференция. (Тула, ТулГУ, 2001 и 2002 г.г.);

4. Проблемы управления электротехническими объектами. Научно-практическая конференция (Тула, ТулГУ, 2002);

5. Проблемы специального машиностроения. Всероссийская научно-техническая конференция. (Тула, ТулГУ, 2002);

I1

6. ХГХ научная сессия, посвященная Дню радио и 75-летию завода "Октава" (Тула, ТулГУ, 2002).

7. Ежегодная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава кафедры (Тула, ТулГУ, 2001, 2002, 2003 г.г.).

Полученные в ходе исследований результаты использованы при работе над грантами:

1. Грант Губернатора Тульской области № 21-2000 "Исследование процесса разрушения информации на магнитных носителях".

2. Грант Министерства образования Российской Федерации 2001-2002 г.г. "Математическое моделирование параллельных процессов в мехатронных системах"

Публикаиии. По результатам исследований опубликовано 16 работ, в том числе 6 статей, 10 тезисов докладов.

Характеристика работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения, содержит 29 рисунков, 5 таблиц, список использованной литературы из 100 наименований и 4 приложения. Объем основного текста диссертации - 135 страницы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность выбора темы диссертационной работы, охарактеризованы объект и предмет исследования, сформулированы цели и задачи диссертационной работы, дано краткое изложение результатов по основным разделам.

В первом разделе рассмотрен типовой информационно-измерительный комплекс летательного аппарата. В его задачу входит сбор данных с датчиков сенсорной подсистемы о состоянии всех бортовых узлов и блоков, предварительная обработка поступающей информации бортовым вычислителем и выдача информации операторам для принятия решений по управлению бортовым оборудованием.

Физически информационно-измерительный комплекс летательного аппарата представляет собой распределенные по летательному аппарату средства сбора информации, распределенные и/или сосредоточенные вычислительные ресурсы, а также средства, потребляющие информацию (средства отображения, регистраторы, исполнительные устройства и т.п., также распределенные по летательному аппарату).

Типовая схема расположения оборудования в летательном аппарате приведена на рис. 1.

Рис. 1. Типовая схема расположения оборудования в летательном аппарате; х,у, г, - декартовы координаты

На основании анализа структуры информационно-измерительного комплекса летательного аппарата и выполняемых им функций сформулирована концепция моделирования, заключающаяся в том, что модель должна обеспечивать согласование во временной области работу отдельных компонентов.

Произведен анализ существующих методов исследования параллельных процессов, показана неадекватность методов моделирования теории массового обслуживания происходящим процессам в авионике, так как не все функции распределения, характеризующие поведение компонентов, экспоненциального или эрлангового вида. Показано, что с использованием методов классической теории полумарковских процессов могут быть построены и исследованы сто-хастико-временные модели, описывающие функционирование отдельных компонентов параллельного процесса без учета их взаимодействия. Недостаток моделирования с применением сетей Петри - взаимодействие компонентов моделируется на логическом уровне без учета временных параметров. Наиболее полно учет таких свойств, как случайность времени выполнения и возможность одновременного выполнения заданий, а также стохастический характер переходов при принятии решений, может быть осуществлен в моделях, в которых на структуры с параллелизмом накладываются стохастико-временные параметры и логические условия, называемые сетями Петри-Маркова (СПМ).

На основании сформулированных требований к модели поставлена задача аналитического моделирования временных характеристик взаимодействия компонентов информационно-измерительного комплекса летательного аппарата между собой на основании сетей Петри-Маркова.

Во втором разделе предложено использовать СПМ как инструмент аналитического моделирования взаимодействий компонентов информационно-измерительного комплекса авионики. СПМ определена как структурно-

параметрическая модель, заданная парой, состоящей из множества структурно-параметрических характеристик и множества характеристик состояния.

Сетью Петри-Маркова называется структурно-параметрическая модель, заданная парой

где у/ - множество структурно-параметрические характеристик; у - множество характеристик состояния.

Структурно-параметрические характеристики СПМ, в свою очередь, задаются парой

у, = {П,Щ, где Я - сеть Петри, М - случайный процесс.

Сеть Петри Я определяет структуру СПМ, а случайный процесс М накладывается на структуру Я и определяет временные и вероятностные характеристики СПМ.

Структура СПМ характеризуется одной из четверок:

я = {А, г, /а(2), оА(г)} или п = {А, г, о^Л)}, где А - конечное множество позиций; Ъ - конечное множество переходов; /А(2) и Ок{Т) - соответственно входная и выходная функции переходов; Ь(А) и О ¿(А) - соответственно входная и выходная функции позиций.

Процесс функционирования системы может быть рассмотрен как последовательность перемещений фишек по СПМ: по переходам 2 через позиции А.

В матрице смежности переходов (табл. 1.) представлено отображение переходов в позиции. Отображение позиций в переходы представлено в матрице смежности позиций (табл. 2.). Значения в ячейках означают: 1 - возможность перемещения из перехода в позицию (для матрицы смежности переходов) или из позиции а,(а)] в переход г,(я)) (для матрицы смежности позиций); О - перемещение невозможно.

Таблица 1.

Матрица смежности переходов.

од полушага исход полушага

г1М

г2(а)

г,(а)

а)

1

О

о

"•/(д)

о

Таблица 2.

Матрица смежности позиций,

—-^—^здход полушага исход полушага 2№ 22 (а) 2К")

0 1 0 0

а2(а) 0 0 1 0

0 0 1 1

0 0 0 1

Переходы СПМ разделяются на примитивные и непримитивные. Примитивным (ПП) СПМ называется переход для входной и выходной функций которого выполняются условие:

мЫ^г))] =//[0А(г*г))] = 1, где ц (..) - мощность соответствующего множества. Примитивным является переход, в строке матрицы смежности переходов, а также в столбце матрицы смежности позиций которого присутствует 1 и остальные 0 (переход 21(а)).

Все остальные типы переходов - непримигивны (ЮТ) и образуют подмножество 7.ш гл2~ 22п. Для них вводится специальная индексация \(гп) < ¡(гп) £ Л?п).

Непримитивный переход Для выходной функции которого

выполняется условие ^[ОА(г^ту)]=0, называется конечным переходом. По матрице смежности переходов конечный переход определяется как переход, в строке которого присутствуют только 0 (переход zJ(a)])■ Очевидно, что

конечные переходы образуют непустое множество = г1(Е),л1(Е), * 0,

иначе процесс перемещений по СПМ был бы бесконечным.

Стартовым переходом называется такой, из которого начинается последовательность перемещений по СПМ. По матрице смежности позиций стартовый переход определяется как переход, в столбце которого присутствуют только 0 (переход Очевидно, что конечный переход не может быть

стартовым, а любой НП, не являющийся конечным, может быть стартовым.

Показано, что процесс, протекающий в СПМ 0 = {у, у} при смене состояний, является полумарковским, причем структура его состояний является древовидной. Получены зависимости для определения временных характеристик исходной СПМ:

1) вероятность и плотность распределения времени достижения полумарковским процессом некоторого состояния (/ + куго уровня „ из состояния 1-го уровня „ ,(„,[), являющегося его предком к-то поколения;

2) вероятность и плотность распределения времени перехода к выделенным на (I + к)-м уровне подмножествам потомков состояния „ (а.ьк)= „ Цд.м), ■■•> „ /(а,/+*>, ••■> „ (МКа.пк), причем естественно, что состояния подмножеств с ^ („,/+*+о по л (а.м) не являются потомками подмножеств с _ („,/+;> по _ щ+к),

3) вероятности и плотности распределения времени достижения подмножеств

состояний „ Е[<а,1+к)],1+к+т уровней с (1 + 1)-Г0 по (1 + К)-й из состояний

подмножеств ащ+ц уровней с 1-го по (1 + К - 1)-й, причем подмножества исходных состояний траекторий более высоких уровней не являются потомками исходных состояний подмножеств более низких уровней и подмножества конечных состояний траекторий более высоких уровней не являются потомками конечных состояний подмножеств более низких уровней.

Предложено при анализе СПМ проводить упрощения, то есть заменять подсеть П1т] = Л,[,(п)], 2,[,(П)], ограниченной по позициям, подсетью, состоящей из позиции ««л)] таким образом, что входные и выходные переходы позиции иФ(п)] совпадают со входными и выходными непримитивными переходами подсети, т.е. Н»ипй) = ^ЛЛтл) = 07{ААт) П а для

вероятностей и плотностей распределения выполняются равенства:

РЛ1[1(п)]1{0,1(1(п)]} = Р11,1[1(п)]1{0,«п)]Ь Р\[1(пШО,1[1(п)]}(Х) = ?11.1[1(п)).(ОД1(п)]}(0=

где рл,[1(п)]1{о,)[1(п® И Р,[и;п)]1!0,1[|(п)]}(1) - соответственно вероятность и плотность распределения времени выполнения полушага а ^пшо.мп)]} в преобразованной подсети; р^окгомо.^л)]» - вероятность траекторий в одномерном подпространстве, начинающихся из соответствующих непримитивных входных переходов исходной подсети Яодп)] и оканчивающихся в непримитивных выходных переходах; ^цигомо^пшСО - плотность распределения времени достижения подмножества непримитивных выходных переходов из непримигивных входных переходов исходной подсети Я1[1(п)].

Показано, что все конечные переходы подмножества = {г^Е), ..., ^(Е)} могут быть объединены в единственный переход гЕ, для которого /А(2Е) = /А(2Е) и Ол(2е) = 0 в случае, если для анализа СПМ безразлично, в какие конечные переходы будут помещены фишки по окончании пребывания их в упрощенных позициях упрощенных сетей.

Разработан табличный метод анализа траекторий блуждания по двухпереходной сети (табл. 3).

Таблица 3.

Таблица переходов

"Ц/Дг)! "/[/.((г)]

аЧОАг)] Р Р Р Р

Р Р Р Р

Р Р Р Р

Р £____ Р Р

Р Р Р Р

а>[Од(г)] Р Р Р Р

аАОАг )] Р Р Р Р

В таблице 3:

0А(г1(?)) - множество выходных позиций {дцо,<2)], я^о,^)]};

-?a(zi(z)) - множество входных позиций (ац^)],-. aJ[uz)j}; р - признак взаимодействия (1 или 0).

Признак взаимодействия принимает значение 1, если из позиции ai!jU)] возможен переход в позицию «ltwu)1; значение 0 говорит о невозможности такого перехода. Несколько р= 1 в одной горизонтальной строке означает, что существует несколько путей перехода в данную позицию.

Разработана общая методика моделирования взаимодействий систем авионики, которая включает следующие этапы:

1. Составление первичной СПМ. Процесс функционирования системы рассматривается как последовательность перемещений по СПМ.

2. Сведение СПМ к полумарковскому процессу. Целью формирования дерева полумарковского процесса является определение временных характеристик исходной СПМ.

3. Уничтожение примитивных переходов - сведение сети к упрощенной, а затем к идеально упрощенной. В результате предельно упрощаются блуждания по СПМ.

4. Сведение к двухпереходной сети. Формирование таблицы переходов для упрощения расчетов траекторий блуждания по сети.

В третьем разделе разработаны модели ряда структур бортовых информационно-измерительных комплексов.

Построена сетевая модель системы сбора и ввода данных в ЭВМ конвейерного типа на примере опроса датчика.

Произведен анализ времени задержки вывода результатов обработки исходных данных, содержащихся в i-м блоке входной информации f31(t) и общего времени обработки данных fp(t).

Для жесткой синхронизации процесса от независимого источника:

£п(0 = 8(t - Т3), fp(t) = 5(t-T„)

где Т3 = Т [L(a) + 1]; Tp = T[L(a) + N+l]; L(a) - число узлов в системе; N - количество блоков обрабатываемых данных. Для глобальной синхронизации:

Ш = f1+K»)(t) * ... * WH(t) * ... * f,(t), fp(t) = f,(t) "... * f,(t) * ... * fN+L(a)(t) Выигрыш во времени, по сравнению с системами с жесткой синхронизацией:

1) для времени задержки:

mm = ff,+l(t) — S(t -Т)} * ... * [f1+Ua),(t) - S(t - Т)] * [f,(t) 5(t - T)] » = fn(t) —» ö(t - T3)

2) для общего времени обработки данных:

A[fp(t)] = [fi(t) - 5(t -Т)] * ... * [f,(t) -» 5(t - T)] * [fN+L(a)(t) - 5(t - T)] « = fp(t)^5(t-Tp)

Для локальной синхронизации:

1,(0 = 1ктЩ'Ши) * - * [Аох^а)]^10-1^-10^'1 *... * [^0]™-™*™ VI) = Й.ХйСО] ^'*"1 * * [боха)«]'«"1^^ где 1(1)(а) = Ца); ^оха)(0 - плотности распределения времени обработки фрагмента информации /0(а)-м процессором /(а) < /(¡)(а) < Ца), для которых выполняются следующие условия:

%а)(0 ^О-^ВДОО, ■•■> %>ИХа)(0> = 8 (О,

%0-1)+1](а)О, ..., %0)-1](а)(О, %)+1Ка)0:),..., 4(а)(0 ^0Ха)(О " 5

Выигрьпп во времени задержки по сравнению с системами с глобальной синхронизацией:

Л[Ш] = [Д0Ха)Ю -> Г1Г,НХа)(0]*[1°-,Ха>Ю,(Я)1 * ... * №ОХа)(0 -»

ео+кха)(0]*ро+к-1%А+кХа)1 *... * [«о -для 1 < N - Ца) + 1(])(а), 1 < ] < I.

Рассмотрена модель системы обмена данными с предварительной обработкой информации на примере схемы аналогового уплотнения сигнала для передачи по каналу связи и схемы аналого-цифрового преобразования с аналоговым уплотнением сигнала. Проведен анализ временных характеристик процесса обработки данных.

Общее время решения задачи в системе:

гпар(о=№«(0 * =[ад р2ю+т р,а)р *

где N - количество передаваемых блоков информации;

- время выполнения центральным процессором фрагмента алгоритма фоновой задачи определяемое из уравнения ^(О* = ср^), где ф!® - общее время решения фоновой задачи;

Гг(1) - время предварительной обработки информации периферийным устройством определяемое из уравнения = сргО), где ф2(0 - общее время

предобработки информации

- время обмена данными между центральным процессором и периферийным устройством;

^4(0 - время синхронизации, при отсутствии ограничений на количество одновременно запущенных процессов Гзд(0 = Р2(0 + 12(0 Р^).

При наличии ограничений на общее количество одновременно запущенных процессов параллельная система преобразуется в систему с последовательной обработкой данных, вводимых с периферийного устройства, причем общее время решения задачи в ней

^осл(0 = ад * ад*ы * г3*ы=ад * ад *

Выигрыш во времени для параллельной системы по сравнению с последовательной может быть найден по следующей зависимости:

^пар—>посл(0 = №№(1) + адр,(0] - [ад * адр.

В работе рассмотрена система передачи данных от внешних устройств центральному процессору бортовой ЭВМ информационно-измерительного комплекса летательного аппарата по следующим принципам организации вычислений при многоконтурном информационном процессе: вычисления с разделением времени и вычисления с прерываниями.

Передача данных от внешних устройств центральному процессору определяется циклическим алгоритмом, который разбит на шаги. В общем случае плотность распределения времени, затрачиваемого всеми аппаратными средствами и оператором на обслуживание ¿(ы)-го шага, определяется сверткой:

//(о) (0 = /й4с|(и)(0 * /о.(и) (0 * /сРЦ /(и) (о * /с1(и)(0 >

где /тс,{а)(() ~ плотность распределения времени, затрачиваемого на аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование, соответственно; /с/(„)(0 - суммарное время управления обменом данных по интерфейсу; /о,м(0 - время

восприятия информации оператором и воздействия на органы управления; /Сри,(и)(0 - собственно процессорное время на обработку данных (исключая

время на управление периферийным оборудованием).

Каждое прерывание обработки данных связано с подготовительно-заключительными операциями и увеличивает время обработки до величины:

где /ВЕ (/) - время на подготовку,

•/[№./(«)] - число интервалов (окон), на которые разбивается весь период выполнения ¡(и) -го алгоритма.

В случае, если интервалы для выполнения ¿(и)-го алгоритма имеют фиксированную длительность, определенную плотностью /т{и) (/), то возможна ситуация, когда при разделении времени задача завершится раньше, чем окончится интервал. Это также приводит к непроизводительной потере времени процессора, определенной плотностью /ьт(и)ф.

В результате разбиения временного интервала на окна эффективность функционирования процессора при решении /(к) -й задачи понижается в рСРи раз, причем процессорное время, затраченное на диспетчеризацию, определяется плотностью /ВЕХсрО) процессорного времени:

М/т^ХсМ

м|/™(0]'

/[»м&О] ^ ^

/вЕ.Ъср

(0= 2>,„

Во избежание затягивания времени периода опроса датчиков, средняя плотность распределения времени, оставшегося до закрытия окон, отведенных под ¿(и) -й алгоритм должна быть сведена к нулю введением обратной связи в процесс диспетчеризации, то есть к запуску диспетчера по прерыванию при завершении выполнения текущего алгоритма во временном окне. Важным фактором диспетчеризации алгоритмов в системах реального времени является наличие очереди на обслуживание (например, от периферийных блоков, готовых к обмену информацией). Организация очередей зависит от дисциплины диспет-

черизации, которая определяет их порядок формирования и обслуживания.

В работе предложены системы оценки времени доступа к данным при циклической и приоритетной дисциплинах работы диспетчера. Для циклической дисциплины работы диспетчера:

- суммарное время, затраченное на обработку:

- скорость обработки информации процессором по /(и) -му алгоритму:

/,' _- У'

Указанная скорость должна быть больше скорости поступления данных со всех блоков, сигналы с которых обрабатываются /(и) -м алгоритмом:

К») ^ '

где /!,'[„,(„), - скорость поступления информации с /(а) -го блока на обработку /(и) -м алгоритмом.

Для приоритетной дисциплины работы диспетчера:

- суммарное время, затраченное на обработку алгоритма первого уровня:

Л,,),«

- скорость обработки информации процессором по /(и, 1) -му алгоритму:

Указанная скорость должна быть больше скорости поступления данных со всех блоков, сигналы с которых обрабатываются данным алгоритмом:

•ГМ«. 1)]

где /!,[„_,(„)] - скорость поступления информации с /'(а)-го блока на обработку ¡'(мД)-м алгоритмом.

В четвертом разделе приведено описание программы моделирования сетей Петри-Маркова в интерактивном режиме.

Разработан интерфейс программы, который соответствует общепринятым стандартам \Утс1о\\<в-приложений и включает в себя следующие компоненты:

1. Главное меню, в которое дол)кны входить команды для построения и моделирования системы.

2. Область для ввода и просмотра параметров объектов сети, которая должно содержать набор управляющих элементов, имеющих связь с параметрами объектов.

3. Панель инструментов, содержащая наиболее часто используемые команды главного меню.

4. Рабочая область для построения сети.

14

Программное обеспечение соответствует следующим требованиям:

1. Позиции и переходы размещаются в рабочей области одним щелчком мыши.

2. Все объекты и параметры сети создаются динамически.

3. Все позиции и переходы пронумерованы независимо друг от друга.

4. Позиции и переходы соединяются щелчком мыши по начальному и конечному объектам.

5. Количество соединительных линий неограниченно.

6. Предусмотрена возможность построения ломаных соединительных линий и возможность их удаления.

7. Позиции и переходы можно перемещать по рабочей области, при перемещении объекта все линии, связанные с ним, также перемещаются.

8. Предусмотрено выделение объекта для последующего ввода его параметров.

9. Маркировка сети наносится щелчком мыши на позиции.

10. При моделировании системы на экране отражается движение маркеров.

11. По завершению моделирования предусмотрена возможность просмотра временной диаграммы работы моделируемой системы.

Структура данных программы предполагает следующие ограничения:

1. Количество позиций и переходов не превышает 100.

2. Объекты имеют 3 числовых параметра, которые можно редактировать.

3. Моделирование начинается только с одной позиции (начала сети).

ПО позволяет оценивать следующие свойства моделируемых систем: ограниченность, живость, достижимость какого-либо состояния, временные характеристики (время цикла (периода) работы системы, время работы и простоя элементов системы, степень влияния быстродействия отдельных элементов на быстродействие в целом).

Требования к программному обеспечению системы самолетовождения и индикации ССИ-80 самолета С-80ГП (рис.2) разработаны на основе сетей Петри-Маркова. В состав ССИ-80 входят:

- два многорежимных пульта управления и индикации ПУИ 80С;

- пять многофункциональных индикаторов МФЦИ-031 с кнопочным обрамле-

нием, выполняющим в зависимости от места установки функции: командно-пилотажных индикаторов (КПИ), индикаторов навигационной информации с индикацией метеоинформации от MPCJI (ИНО), комплексных индикаторов самолетных систем и сигнализации (КИСС);

- две цифровые вычислительные машины БЦВМ 90-505;

- два концентратора сигналов бортовых систем, самолетного оборудования и

двигателей (блоки преобразования сигналов - БПС 80);

- система ввода информации (СВИ);

- система спутниковой навигации (СН-99).

Для выполнения своих функций ССИ-80 взаимодействует со следующими системами бортового оборудования самолета С-80:

- двумя системами курса и вертикали (СБКВ-П);

- двумя системами ближней навигации и посадки VIM-95);

- самолетным дальномером (ВНД-94);

афсрсбн 4

АКМС 708

ССИ-80

:3_

ПУИ

кос 1

ЦВМ90 505

БПС80

I

СНС(СН 99)

КИИ 1 ино 1 кис с ино 1 кпи 2

Ж

ПУИ 80С 2

ЦВМ90 505

БПС80

СВИ

ПК АЯШС 429

Разовые команды

Аналоговые сигналы ^

П*

8

Г1

II

д.

I

»V

Двигатель

БСКД

ЭЦР

КУТР/СТР

СКВ/САРД

осо

ксс

= АРК-М

РИиСАС

Рис. 2. Структурная схема системы самолетовождения и индикации ССИ-1

•80 самолета С-80ГП

- радиотехнической системой ближней навигации и посадки РСБН-85,

- двумя системами высотно-скоростных параметров СВС-80;

- радиосистемой измерения высоты и скорости РВС А-076;

- системой регистрации параметров РПИ-1;

- автоматическим радиокомпасом АРК-М;

- системой автоматического управления самолетом САУ-80;

- метеолокатором МРЛС;

- ангенно-фидерной системой АФС;

- датчиками двигателей;

- электронно-цифровыми регуляторами двигателей ЭЦР;

- бортовой системой контроля двигателей БСКД;

- комплексом управления топливом и расходом КУТР-1-1 и самолетной топ-

ливной системой;

- системой автоматического регулирования давления и системой кондициони-

рования воздуха СКВ/САРД;

- комплексом средств связи КСС;

- речевым информатором и системой аварийной сигнализации РИ и САС;

- общесамолетным оборудованием (закрылки, шасси, пневмогидросистема,

электросистема и др).

Заключение содержит выводы по диссертации.

Приложения содержат текст программы моделирования сетей Петри-Маркова, руководство пользователя программы моделирования сетей Петри-Маркова, акт внедрения прикладных результатов работы в производство, акт внедрения теоретических результатов работы в учебный процесс.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. На основании анализа структуры типового бортового информационно-измерительного комплекса и выполняемых им функций показано, что модель должна обеспечивать согласование во временной области работу отдельных компонентов и обладать следующими свойствами:

- разбиение общего процесса на подпроцессы, в свою очередь разбиваемые на последовательности шагов;

- учет квазислучайности времени выполнения шагов подпроцессов и квазистохастичности процедуры выбора направления продолжения процесса;

- наличие средств для выделения подпроцессов, которые могут быть выполнены соответствующими компонентами системы параллельно;

- возможностью указания точек на модели, в которых происходит или может быть произведено увеличение и уменьшение количества параллельных подпроцессов;

- наличие средств, определяющих текущее состояние каждого подпроцесса;

- возможностью выделения специальных состояний подпроцессов, для выхода из которых необходимо выполнение определенных логических условий.

2. На основании анализа работ отечественных и зарубежных авторов, посвященных аналитическим методам исследования, выявлено, что наиболее полно учет таких свойств, как случайность времени выполнения и возможность одновременного выполнения заданий, а также стохастический характер переходов при принятии решений, может быть осуществлен в моделях, в которых на структуры с параллелизмом накладываются стохастико - временные параметры и логические условия, называемые сетями Петри-Маркова (СПМ).

3. Разработана общая методика моделирования взаимодействий систем авиони-ки, которая включает следующие этапы:

1. Составление первичной СПМ

2. Сведение СПМ к полумарковскому процессу

3. Уничтожение примитивных переходов - сведение сети к упрощенной, а затем к идеальной упрощенной. -

4. Сведение к двухпереходной сети.

4. Разработаны модели для расчета времени задержки вывода результатов обработки исходных данных и общего времени обработки данных для систем конвейерного типа в зависимости от метода синхронизации процесса обработки.

5. Разработаны модели для расчета временных характеристик процесса обработки данных системы обмена данными с предварительной обработкой информации на примере схемы аналогового уплотнения сигнала для передачи по каналу связи и схемы аналого-цифрового преобразования с аналоговым уплотнением сигнала Получены зависимости для определения общего времени решения задачи в системе при наличии ограничений на общее количество одновременно запущенных процессов (последовательная обработка данных) и без них (параллельная обработка данных). Получены зависимости для определения выигрыша во времени для параллельной системы по сравнению с последовательной, а также выигрыша для параллельной системы с прерываниями по сравнению с системой без прерываний.

6. Разработаны модели для оценки времени доступа к данным при циклической и приоритетной дисциплинах работы диспетчера, в частности суммарного времени, затраченного на обработку данных и скорости обработки информации.

7. Разработано алгоритмическое^ программное обеспечение для генерации сетей Петри-Маркова в интерактивном режиме, которое позволяет оценивать следующие свойства моделируемых систем: ограниченность, живость, достижимость какого-либо состояния, временные характеристики (время цикла (периода) работы системы, время работы и простоя элементов системы, степень влияния быстродействия отдельных элементов на быстродействие в целом).

8. Прикладные результаты диссертационной работы были внедрены в производство ФГУП "Санкт-Петербургское ОКБ "Электроавтоматика" в качестве

"Методики расчетов потребных ресурсов бортовых ЭВМ летательных аппаратов". Внедрение методики дает технический эффект, заключающийся в сокращении сроков разработки отказоустойчивых бортовых локальных вычислительных сетей для интеграции перспективных навигационно-пилотажных комплексов самолетов гражданской авиации, удовлетворяющих современным и перспективным требованиям безопасности и точности полетов. Теоретические результаты работы внедрены в учебный процесс в рамках учебных курсов "Дискретная математика" и "Системы автоматизации и управления" на кафедре "Робототехника и автоматизация производства" Тульского государственного университета.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Жуликова H.A., Куренков A.B. Управление производственными системами в современных условиях (Тезисы доклада) //Системы управления электротехническими объектами. Всероссийская научно-практическая конференция-Тула, 2000. - С. 101

2. Жуликова H.A. Анализ надежности хранения информации на магнитных носителях (тезисы доклада) //XVIII Научная сессия, посвященная дню радио (материалы конференции). - Тула: Тулгу, 2001. - С. 32.

3. Жуликова H.A. Моделирование параллельных процессов в мехатронных системах (тезисы доклада) // Известия ТулГУ. Серия: Проблемы специального машиностроения. Вып.4(ч.2). Материалы международной научно-технической конференции. - Тула, 2001. - С. 225 - 228.

4. Жуликова H.A., Евдокимов П.В., Пушкин A.B. Интерактивная генерация сетей Петри-Маркова (тезисы доклада) // Известия ТулГУ. Серия: Проблемы специального машиностроения. Вып.4(ч.2). Материалы международной научно-технической конференции. - Тула, 2001. - С. 279 - 282.

5. Жуликова H.A., Куренков A.B. Метод динамического движения по расписанию //Известия ТулГУ. Серия: Математика. Механика. Информатика. -Вып. 3. Информатика. - Тула: ТулГУ, 2001,- С. 88 - 92.

6. Жуликова H.A., Ларкин Е.В. Анализ надежности записи и хранения информации. //Известия ТулГУ. Серия: Вычислительная техника. Автоматика. Управление. Т.З. Вып.З. Управление - Тула: ТулГУ, 2001. - С. 176 -182.

7. Жуликова H.A., Ларкин Е.В. Моделирование процесса несанкционированного доступа к информации (тезисы доклада) //XVIII Научная сессия, посвященная дню радио (материалы конференции). - Тула: Тулгу, 2001. - С. 13.

8. Жуликова H.A. Эффективность загрузки процессора бортовой ЭВМ // Известия ТулГУ. Сер. Вычислительная техника. Автоматика. Управление. Т. 4. Вып. 3. Управление. Тула: ТулГУ, 2002. - С. 70 - 72.

tSfog""»! 5 9 08

9. Жуликова Н.А, Куренков A.B. Нециклические расписания загрузки оборудования // XIX научная сессия, посвященная Дню радио и 75-летию завода "Октава": материалы конференции. - Тула: Левша, 2002. - С. 120

10. Жуликова H.A., Куренков A.B. Составление нециклических расписаний неритмичных производств// Известия ТулГУ. Серия: Проблемы управления электротехническими объектами. Вып.2. Сборник трудов конференции. - Тула, 2002. - С. 151.

11. Жуликова H.A., Ларкин Е.В. Математическая модель обработки данных бортовым вычислителем // Известия ТулГУ. Серия: Проблемы управления электротехническими объектами. Вып.2. Сборник трудов конференции. - Тула, 2002. - С. 6 - 7.

12. Жуликова H.A., Ларкин Е.В. Оценка производительности бортовых управляющих ЭВМ // Известия ТулГУ. Серия: Проблемы специального машиностроения. Вып.5(ч.2). Материалы всероссийской научно-технической конференции. - Тула, 2002. - С. 366 - 371.

13. Жуликова H.A., Ларкин Е.В. Энтропия цифровой обработки данных // XIX научная сессия, посвященная Дню радио и 75-летию завода "Октава": материалы конференции. - Тула: Левша, 2002. - С. 40.

14. Жуликова Н.А, Ларкин Е.В., Пушкин A.B. Формирование и отображение сетей Петри-Маркова // Известия ТулГУ. Серия: Проблемы управления электротехническими объектами. Вып.2. Сборник трудов конференции. - Тула, 2002. - С. 150.

15. Жуликова H.A., Сычугов A.A. Применение сетей Петри-Маркова для анализа надежности записи и хранения информации // Известия ТулГУ. Серия: Математика. Механика. Информатика. Т7. Вып.З. Информатика. - Тула, 2002. -с. 47 - 54.

16. Жуликова H.A. Моделирование функционирования систем с помощью двухпереходных сетей Петри-Маркова // Приборы и управление: Сборник статей молодых ученых ТулГУ. - Тула, 2003. - с. 32-35.

Подписано в печат^ДОйУФормат бумаги 60x84 1/16.Бумага типографская №2. Офсетная печать. Усл.печ л. . Усл. кр.-отт. .Уч.изд л. У, /8

Тираж ¡0 экз. Заказ 7«27*

Тульский государственный университет. 300600, г. Тула, пр. Ленина, 92. Редакционно-издательский центр Тульского государственного университета. 300600, г. Тула, ул. Боддина, 151

ВВЕДЕНИЕ

1. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ АНАЛИЗА ИНФОРМАЦИОННО- 12 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

1.1. Информационно-измерительный комплекс летательного аппарата

О 1.2. Функции авионики на борту летательного аппарата

1.3. Концепции моделирования процесса взаимодействия компонен- 24 тов авионики

1.4. Задачи исследования процесса взаимодействия компонентов 33 авионики

1.5. Выводы

2. СЕТИ ПЕТРИ-МАРКОВА КАК ИНСТРУМЕНТ АНАЛИТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ АВИОНИКИ

2.1. Определение сети

2.2. Характер траекторий в пространстве состояний СПМ

2.3. Сводимость СПМ к полумарковскому процессу

2.4. Временные характеристики полумарковского процесса

2.5. Сведение СПМ к идеально упрощенной сети

2.6. Двухпереходные СПМ

2.7.Выводы

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ СОГЛАСОВАНИЙ В ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОМ КОМПЛЕКСЕ АВИОНИКА 71 3.1. Система обмена данными конвейерного типа 3.2. Системы обмена данными с предварительной обработкой информации

3.3. Система передачи данных от внешних устройств к центральному 84 процессору

3.4. Выводы

4. ГЕНЕРАЦИЯ СЕТЕЙ В ИНТЕРАКТИВНОМ РЕЖИМЕ

4.1. Требования к программному обеспечению

4.2. Структура представления данных в системе 99 © 4.3. Алгоритм расчета состояний моделируемой системы

4.4. Интерфейс программы

4.5. Система самолетовождения и индикации ССИ-80 для самолета С-80ГП

4.6. Выводы

Актуальность темы

В задачу информационно-измерительного комплекса летательного аппарата, называемого ниже авионикой, входит сбор данных с датчиков сенсорной системы о состоянии контролируемых бортовых узлов и блоков, предварительная обработка поступающей информации бортовым вычислителем и выдача информации операторам для принятия решений по управлению бортовым оборудованием [68].

Современный этап развития технических средств управления пилотируемыми летательными аппаратами характеризуется, во-первых, существенным ростом объемов данных, получаемых от объекта с помощью сенсоров, во-вторых, стремлением извлечь из полученных данных максимум информации, используемой для принятия решений, а в третьих, стремлением переложить на ЭВМ выработку рекомендаций по принятию управленческих решений.

С другой стороны, рыночные отношения предопределяют жесткую конкуренцию, как на рынке авиационной техники, так и на рынке вспомогательных средств, что приводит к необходимости существенного сокращения сроков обновления технических средств и программного обеспечения. В настоящее время это возможно только с использованием таких методологий, которые обеспечивали бы сквозной процесс проектирования от общего облика системы до отдельных конструктивов и программных продуктов [74].

Важными характеристиками функционирования систем исследуемого класса являются 1) информативность сообщений (генерируемых датчиком, поступающих на вход бортовой ЭВМ для обработки, предъявляемых оператору для принятия решения, передаваемых по каналам связи и т.п.) и 2) скорость обработки и/или передачи сообщений. Данные характеристики определяют эффективность применения технических средств в процессе выполнения полетов, а в ряде случаев, например в форс-мажорных ситуациях, - работоспособность и даже жизнеспособность летательного аппарата.

Типичным примером влияния времени решения задачи на работоспособность комплекса является применение авионики в качестве звена, реализующего обратную связь. Специфика информационных процессов приводит к тому, что в обратную связь вводится звено с запаздыванием, равным суммарному времени генерации информации датчиками, преобразования и передачи ее на бортовую ЭВМ, расчету управляющего воздействия и передачи к исполнительному механизму. Наличие же звена с запаздыванием в контуре управления приводит к опасности потери устойчивости системы в целом, что, в свою очередь, вызывает либо потребность в усложнении законов управления объектом с неизменным увеличением времени запаздывания, либо в ускорении информационного процесса.

Известно, что в любой области техники повышение технических характеристик объектов, в том числе и производительности, может быть достигнуто, как за счет совершенствования их элементной базы (отдельных узлов и блоков), так и за счет более эффективного использования имеющихся технических средств. Общепринятым методом решения проблемы ускорения информационных процессов является применение быстродействующих каналов передачи данных и процессоров с повышенной производительностью (на текущий момент в системах авионики в качестве базовых используются процессоры с количеством 25 млн. регистровых операций в секунду [68]). Однако применение более совершенных технических средств хотя и приводит к удорожанию аппаратуры, зачастую не дает желаемого результата без организационно-технических мероприятий по их использованию.

Другим методом решения задачи являются анализ информационной стороны процесса и генерация на каждом этапе преобразования информации таких сообщений, которые способствовали бы ускорению процессов передачи и обработки. Как правило, состав аппаратных средств систем авионики определяются нормативными документами и редко подвергается изменениям. Вследствие этого параметры информационных процессов являются едва ли не единственными варьируемыми параметрами для оптимизации времени информационных процессов.

В силу сложности информационных процессов и широкой номенклатуры технических средств, решающих в авионике сходные задачи с различными ресурсными затратами, проектирование систем указанного класса с последующей постановкой экспериментов на реальном объекте -весьма длительный и дорогостоящий процесс, в результате которого не обязательно получается оптимальный результат. Поэтому сокращение сроков создания и освоения новых технических решений целесообразно проводить с предварительным моделированием и расчетом параметров систем, что в настоящее время затруднительно вследствие отсутствия методологии проектирования систем.

Все вышеперечисленное, а именно потребности в создании авионики и отсутствие общей теории ее анализа и расчета, позволяющей осуществить оптимальное распределение информационных функций между компонентами в пространстве-времени в системах с заданной структурой, объясняет необходимость и актуальность исследований, проведенных в диссертации.

Объектом исследования является бортовой информационно-измерительный комплекс, ниже называемый авионикой, который состоит из взаимодействующих систем, таких как сенсорная система, преобразователи информации, бортовой вычислитель, средства передачи и отображения данных.

При проектировании комплекса учитываются две характеристики: объем информации, передаваемой на всех этапах ее получения и преобразования, и скорость обновления и обработки информации.

Взаимодействие систем авионики во времени, их влияние на потери информации и на сбои в системе, а также наличие человеческого фактора обуславливают необходимость разработки комплексного подхода к проектированию подобных систем. Это в свою очередь обусловило выбор предмета исследования - временные характеристики взаимодействия компонентов авионики между собой.

Цель диссертации - разработка методов анализа бортовых информационно-измерительных комплексов на основе моделирования временных характеристик узлов и блоков.

В соответствии с поставленной целью автором решены следующие задачи:

1. На основании анализа особенностей функционирования информационно-измерительного комплекса авионики показана адекватность сетей Петри-Маркова информационным процессам, протекающим в компонентах авионики, в частности сенсорной системе и бортовом вычислителе.

2. Разработана методика анализа сетей Петри-Маркова на основании табличного преобразования логических условий переходов.

3. Построена модель согласования информационных характеристик сенсорной системы с бортовой ЭВМ и системой обмена данными.

4. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение для генерации сетей Петри-Маркова в интерактивном режиме.

Методы исследотнш

Проведенные исследования основаны на методах информатики, теории алгоритмов, теории вероятности, теории случайных процессов. Перечисленным выше аналитическим методам исследования посвящены работы отечественных ученых: В.М. Глушкова, В.Е. Котова, А.А. Маркова, Д.С. Сильвестрова, B.C. Королюка, А.Ф. Турбина и др., а также зарубежных специалистов: Д. Кокса, Дж. Питерсона, Д. Феррари, С.А. Петри и др.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Показана возможность применения аппарата сетей Петри для анализа временных характеристик взаимодействия систем авионики между собой.

2. Разработана методика преобразования сетей Петри с целью анализа временных характеристик взаимодействия систем авионики.

3. Разработана методика анализа сетей Петри-Маркова на основании табличного преобразования логических условий переходов, представляющая собой математический аппарат расчета временных характеристик.

4. Сформированы модели частных случаев взаимодействия систем авионики, в том числе системы конвейерного типа, системы обмена данными с предварительной обработкой информации, системы доступа к данным при циклической и приоритетной дисциплинах работы диспетчера.

5. На основании сформированных моделей разработана методика расчетов потребных ресурсов бортовых ЭВМ летательных аппаратов, которая позволяет сократить сроки разработки отказоустойчивых бортовых локальных вычислительных сетей.

Птктическт ценность ршёоты заключается в разработке алгоритмического и программного обеспечения для генерации сетей Петри-Маркова в интерактивном режиме, которое позволяет оценивать следующие свойства моделируемых систем: ограниченность, живость, достижимость какого-либо состояния, временные характеристики (время цикла (периода) работы системы, время работы и простоя элементов системы, степень влияния быстродействия отдельных элементов на быстродействие в целом).

Реализация результатов диссертационной работы. Прикладные результаты диссертационной работы были внедрены в производство ФГУП "Санкт-Петербургское ОКБ "Электроавтоматика" в качестве "Методики расчетов потребных ресурсов бортовых ЭВМ летательных аппаратов". Методика предусматривает расчет потребной производительности бортовой ЭВМ и объемов запоминающих устройств на этапе системного проектирования средств интегрированной модульной авионики. Внедрение методики дает технический эффект, заключающийся в сокращении сроков разработки отказоустойчивых бортовых локальных вычислительных сетей для интеграции перспективных навигационно-пилотажных комплексов самолетов гражданской авиации, удовлетворяющих современным и перспективным требованиям безопасности и точности полетов.

Теоретические результаты работы внедрены в учебный процесс в рамках учебных курсов "Дискретная математика" и "Системы автоматизации и управления" на кафедре "Робототехника и автоматизация производства" Тульского государственного университета.

Лтобття работы. Основные положения диссертационной работы до-кладывались на следующих конференциях и семинарах:

1. Системы управления электротехническими объектами. Всероссийская научно-практическая конференция. (Тула, ТулГУ, 2000).

2. XVIII научная сессия, посвященная Дню радио и 75-летию завода "Октава" (Тула, ТулГУ, 2001).

3. Проблемы специального машиностроения. Международная научно-техническая конференция. (Тула, ТулГУ, 2001 и 2002 г.г.).

4. Проблемы управления электротехническими объектами. Научно-практическая конференция (Тула, ТулГУ, 2002).

5. Проблемы специального машиностроения. Всероссийская научно-техническая конференция. (Тула, ТулГУ, 2002).

6. XIX научная сессия, посвященная Дню радио и 75-летию завода "Октава" (Тула, ТулГУ, 2002).

7. Ежегодная научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава кафедры (Тула, ТулГУ, 2001, 2002, 2003 г.г.).

Полученные в ходе исследований результаты использованы при работе над грантами:

1. Грант Губернатора Тульской области № 21-2000 "Исследование процесса разрушения информации на магнитных носителях".

2. Грант Министерства образования Российской Федерации 2001-2002 г.г. "Математическое моделирование параллельных процессов в мехатрон-ных системах"

Публмттм. По результатам исследований опубликовано 16 работ, в том числе 6 статей, 10 тезисов докладов.

Хтактетсгжт работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения, содержит 29 рисунков, 5 таблиц, список использованной литературы из 100 наименований и 4 приложения. Объем основного текста диссертации - 135 страницы.

4.6. Выводы

1. В результате проделанной работы, было разработано программное обеспечение (ПО), позволяющее в интерактивном режиме моделировать временные характеристики дискретных систем, с помощью сетей Петри -Маркова.

2. ПО позволяет оценивать следующие свойства моделируемых систем: ограниченность, живость, достижимость какого-либо состояния, временные характеристики (время цикла (периода) работы системы, время работы и простоя элементов системы, степень влияния быстродействия отдельных элементов на быстродействие в целом).

3. ПО выполнено для работы в ОС Windows 95 и выше.

4. Разработаны требования к аппаратному и программному обеспечению для системы самолетовождения и индикации ССИ-80 для самолета С-80ГП с использованием математического аппарата сетей Петри-Маркова.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основании анализа структуры типового бортового информационно-измерительного комплекса и выполняемых им функций показано, что модель должна обеспечивать согласование во временной области работу отдельных компонентов и обладать следующими свойствами:

-разбиение общего процесса на подпроцессы, в свою очередь разбиваемые на последовательности шагов;

-учет квазислучайности времени выполнения шагов подпроцессов и квазистохастичности процедуры выбора направления продолжения процесса;

- наличие средств для выделения подпроцессов, которые могут быть выполнены соответствующими компонентами системы параллельно;

-возможностью указания точек на модели, в которых происходит или может быть произведено увеличение и уменьшение количества параллельных подпроцессов;

- наличие средств, определяющих текущее состояние каждого подпроцесса;

-возможностью выделения специальных состояний подпроцессов, для выхода из которых необходимо выполнение определенных логических условий.

2. На основании анализа работ отечественных и зарубежных авторов, посвященных аналитическим методам исследования, выявлено, что наиболее полно учет таких свойств, как случайность времени выполнения и возможность одновременного выполнения заданий, а также стохастический характер переходов при принятии решений, может быть осуществлен в моделях, в которых на структуры с параллелизмом накладываются стохастико - временные параметры и логические условия, называемые сетями Петри-Маркова (СПМ).

3. Разработана общая методика моделирования взаимодействий систем авионики, которая включает следующие этапы:

1. Составление первичной СПМ

2. Сведение СПМ к полумарковскому процессу

3. Уничтожение примитивных переходов - сведение сети к упрощенной, а затем к идеальной упрощенной.

4. Сведение к двухпереходной сети.

4. Разработаны модели для расчета времени задержки вывода результатов обработки исходных данных и общего времени обработки данных для систем конвейерного типа в зависимости от метода синхронизации процесса обработки.

5. Разработаны модели для расчета временных характеристик процесса обработки данных системы обмена данными с предварительной обработкой информации на примере схемы аналогового уплотнения сигнала для передачи по каналу связи и схемы аналого-цифрового преобразования с аналоговым уплотнением сигнала. Получены зависимости для определения общего времени решения задачи в системе при наличии ограничений на общее количество одновременно запущенных процессов (последовательная обработка данных) и без них (параллельная обработка данных). Получены зависимости для определения выигрыша во времени для параллельной системы по сравнению с последовательной, а также выигрыша для параллельной системы с прерываниями по сравнению с системой без прерываний.

6. Разработаны модели для оценки времени доступа к данным при циклической и приоритетной дисциплинах работы диспетчера, в частности суммарного времени, затраченного на обработку данных и скорости обработки информации.

7. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение для генерации сетей Петри-Маркова в интерактивном режиме, которое позволяет оценивать следующие свойства моделируемых систем: ограниченность, живость, достижимость какого-либо состояния, временные характеристики (время цикла (периода) работы системы, время работы и простоя элементов системы, степень влияния быстродействия отдельных элементов на быстродействие в целом).

8. Прикладные результаты диссертационной работы были внедрены в производство ФГУП "Санкт-Петербургское ОКБ "Электроавтоматика" в качестве "Методики расчетов потребных ресурсов бортовых ЭВМ летательных аппаратов". Внедрение методики дает технический эффект, заключающийся в сокращении сроков разработки отказоустойчивых бортовых локальных вычислительных сетей для интеграции перспективных навигационно-пилотажных комплексов самолетов гражданской авиации, удовлетворяющих современным и перспективным требованиям безопасности и точности полетов.

Теоретические результаты работы внедрены в учебный процесс в рамках учебных курсов "Дискретная математика" и "Системы автоматизации и управления" на кафедре "Робототехника и автоматизация производства" Тульского государственного университета.

1. Агафонов В.Н. Сложность алгоритмов и вычислений. - Новосибирск: НГУ, 1975.-146 с.

2. Альянах Н.И. Моделирование вычислительных систем. Л.: Машиностроение, Л.0,1988. - 222 с.

3. Андриянов А.В., Шпак И.И. Цифровая обработка информации в измерительных приборах и системах. Мн.: Выш. шк., 1987. - 176 с.

4. Артамонов Г.Т., Тюрин В.Л. Анализ информационно-управляющих систем со случайным интервалом квантования сигналов по времени. -М.: Энергия, 1977. 112 с.

5. Баев В.В., Паненко С.В. Пакет программ моделирования дискретных процессов расширенными сетями Петри // УСиМ. 1991. - N 8. - С.83-87

6. Байцер Б. Микроанализ производительности вычислительных систем. М.: Радио и связь, 1983. - 360 с.

7. Богачев С.К. Авиационная эргономика. М.: Машиностроение, 1978. -138 с.

8. Вашкевич Н.П., Зинкин С.А., Кулагин В.П. Комплекс программ для анализа сложных вычислительных устройств в процессе проектирования // Алгоритмы и программы: Информ. бюллетень ГосФАП СССР, 1985. N 2. - П008008

9. Вентцель Е. С., Овчаров Л. А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. М.: Наука, 1988. - 480 с.

10. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1964. - 574 е.: ил

11. Виттих В.А., Цыбатов В.А. Оптимизация бортовых систем сбора и обработки данных. М.: Наука, 1985. - 176 с.

12. Гельман М.М. Аналого-цифровые преобразователи для информационно-измерительных систем. М.: Изд-во стандартов, 1989. - 317 с.О

13. Гитлиц М.В. Магнитная запись в системах передачи информации. -М.:Связь, 1978. 304с.

14. Гольберг JI.M. Цифровая обработка сигналов. М.: Радио и связь, 1990. - 325с.

15. Горелик A.JL, Бутко Г.И., Белоусов Ю.А. Бортовые вычислительные машины. -М.: Машиностроение, 1975. 204 с.

16. Гофман В. Э., Хомоненко А. Д. Delphi 5. — СПб.: БХВ — Санкт-Петербург, 2000. — 800 с.

17. Грановский В.А., Сирая Т.Н. Методы обработки экспериментальных данных при измерениях. Л.: Энергоатомиздат, 1990. - 288 с.

18. Гудмэн Дж. Секреты жесткого диска/Пер. с англ. Киев: Диалектика, 1994.-256 с.

19. Дмитриев В.И. Прикладная теория информации. М.: Высшая школа, 1989.-320 с.

20. Дубинин В.Н. Вычисление логических запросов, основанных на временной логике / Пензенский гос.техн.ун-т. Пенза,1996. - 54 с. - Деп. в ВИНИТИ 14.02.96; N 488-В96

21. Дубинин В.Н.,Зинкин С.А. Система структурного проектирования ^ вычислительных систем на основе сетевых формализмов /

22. Пенз.политехи, ин-т. Пенза,1986. - 114 с. - Деп. в ВИНИТИ 26.01.87; N 555-В87

23. Евстигнеев В.А. Применение теории графов в программировании. -М.: Наука, 1985. 352 с.

24. Жуликова Н.А. Анализ надежности хранения информации на магнитных носителях (тезисы доклада) //XVIII Научная сессия, посвященная дню радио (материалы конференции). Тула: Тулгу, 2001. - С. 32.

25. Жуликова Н.А. Моделирование параллельных процессов в мехатрон-ных системах (тезисы доклада) // Известия ТулГУ. Серия: Проблемы специального машиностроения. Вып.4(ч.2). Материалы международной научно-технической конференции. Тула, 2001. - С. 225 - 228.

26. Жуликова Н.А. Моделирование функционирования систем с помощью двухпереходных сетей Петри-Маркова // Приборы и управление: Сборник статей молодых ученых ТулГУ. Тула, 2003. - с. 32-35.

27. Жуликова Н.А. Эффективность загрузки процессора бортовой ЭВМ // Известия ТулГУ. Сер. Вычислительная техника. Автоматика. Управление. Т. 4. Вып. 3. Управление. Тула: ТулГУ, 2002. С. 70 - 72.

28. Жуликова Н.А., Куренков А.В. Метод динамического движения по расписанию //Известия ТулГУ. Серия: Математика. Механика. Информатика. Вып. 3. Информатика. - Тула: ТулГУ, 2001.- С. 88-92.

29. Жуликова Н.А., Куренков А.В. Нециклические расписания загрузки оборудования // XIX научная сессия, посвященная Дню радио и 75-летию завода "Октава": материалы конференции. Тула: Левша, 2002. -С. 120

30. Жуликова Н.А., Куренков А.В. Составление нециклических расписаний неритмичных производств// Известия ТулГУ. Серия: Проблемы управления электротехническими объектами. Вып.2. Сборник трудов конференции. Тула, 2002. - С. 151.

31. Жуликова Н.А., Куренков А.В. Управление производственными системами в современных условиях (Тезисы доклада) //Системы управления электротехническими объектами. Всероссийская научно-практическая конференция.- Тула, 2000. С. 101

32. Жуликова Н.А., Ларкин Е.В. Анализ надежности записи и хранения информации. //Известия ТулГУ. Серия: Вычислительная техника. Авотоматика. Управление. Т.З. Вып.З. Управление. Тула: ТулГУ, 2001. -С. 176-182.

33. Жуликова Н.А., Ларкин Е.В. Математическая модель обработки данных бортовым вычислителем // Известия ТулГУ. Серия: Проблемы управления электротехническими объектами. Вып.2. Сборник трудов конференции. Тула, 2002. - С. 6 - 7.

34. Жуликова Н.А., Ларкин Е.В. Моделирование процесса несанкционированного доступа к информации (тезисы доклада) //XVIII Научная сессия, посвященная дню радио (материалы конференции). Тула: Тулгу, 2001.-С. 13.

35. Жуликова Н.А., Ларкин Е.В. Оценка производительности бортовых управляющих ЭВМ // Известия ТулГУ. Серия: Проблемы специального машиностроения. Вып.5(ч.2). Материалы всероссийской научно-технической конференции. Тула, 2002. - С. 366 - 371.

36. Жуликова Н.А., Ларкин Е.В. Энтропия цифровой обработки данных // XIX научная сессия, посвященная Дню радио и 75-летию завода "Октава": материалы конференции. Тула: Левша, 2002. - С. 40.

37. Жуликова Н.А., Ларкин Е.В., Пушкин А.В. Формирование и отображение сетей Петри-Маркова // Известия ТулГУ. Серия: Проблемы управления электротехническими объектами. Вып.2. Сборник трудов конференции. Тула, 2002. - С. 150.

38. Жуликова Н.А., Сычугов А.А. Применение сетей Петри-Маркова для анализа надежности записи и хранения информации // Известия ТулГУ. Серия: Математика. Механика. Информатика. Т7. Вып.З. Информатика. Тула, 2002. - с. 47 - 54.

39. Журбенко И.Г., Кожевникова И.А. Стохастическое моделирование процессов. М.: МГУ, 1990. - 146 с.

40. Игнатьев В.М., Ларкин Е.В. Анализ производительности ЭВМ: Учеб.Qпособие. Тула: ТГТУ, 1994. - 104 с.

41. Кириллов В.Ю., Нижняк В.В. Пакет программ работы с сетями Петри для ПЭВМ // УСиМ. 1989. - N 4. - С.48-51

42. Коваленко И.Н., Москатов Г.К., Барзилович Е.Ю. Полумарковские процессы в задачах проектирования систем управления летательными аппаратами. -М.: Машиностроение, 1973. 176 с.

43. Кокс Д., Смит В. Теория восстановления. Пер. с англ. М.: Советское радио, 1967.-299 с.

44. Колесник В.Д., Полтырев Г.Ш. Курс теории информации. М.: Наука, 1982.-416 с.

45. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных работникови инженеров). М.: Наука, 1973. - 831 с.

46. Королюк B.C., Турбин А.Ф. Полумарковские процессы и их приложения. Киев: Наукова думка, 1976. -184 с.

47. Королюк B.C., Турбин А.Ф. Процессы марковского восстановления в задачах надежности систем. Киев: Наукова Думка, 1982. - 236 с.

48. Костин А.Е., Илюшечкин В.М., Шаньгин В.Ф. Принципы организации диалоговой системы имитационного моделирования вычислительных систем // Алгоритмичческое обеспечение и проектирование микропроцессорных управляющих систем: Сб.нау.тр. М.:МИЭТ,1981.- С.3-10

49. Котов В.Е. Сети Петри. М.:Наука,1984. - 158 с.

50. Котов Е.П., Руденко М.И. Ленты и диски в устройствах магнитной записи. М.: Радио и связь, 1986. - 223 с.

51. Котов Е.П., Руденко М.И. Носители магнитной записи: Справочник. -М.: Радио и связь, 1990. 384 с.

52. Кочегаров В.А., Фролов Г.А. Проектирование систем распределения информации: Марковские и немарковские модели. М.: Радио и связь, 1991.-215 с.

53. О 53. Краус М., Вошни Э. Измерительные информационные системы. М.:О1. Мир, 1975.-312 с.

54. Кузнецов В.П. Интервальные статистические модели. М.: Радио и связь, 1991.-347 с.

55. Куликовский Л.Ф., Мотов В.В. Теоретические основы информационных процессов. М.: Высшая школа, 1987. - 248 с.

56. Ларкин Е.В. Временные характеристики однородных параллельных систем//Алгоритмы и структуры систем обраб. информ. Тула: ТулГТУ, 1994.-С. 20-26.

57. Ларкин Е.В. Некоторые случаи "соревнований" в многопроцессорных Ф системах//Алгоритмы и структуры систем обраб. информ. Тула:1. ТулГТУ, 1994. С. 26-38.

58. Ларкин Е.В. Сети Петри-Маркова для моделирования параллельных процессов//Приборы и приб. системы: Тез. докл. Всеросс. конф. -Тула: ТулГТУ, 1994. С. 41.

59. Леонтьев А.Н., Кринчик Е.П. Переработка информации человеком в ситуации выбора. В кн.: Инженерная психология. - М.: Изд-во МГУ, 1964.-с. 295-325

60. Лескин А.А., Мальцев A.M., Спиридонов A.M. Сети Петри в моделировании и управлении. Л.: Наука, Ленинград, отд.-ние, 1989.-135 с.

61. Мазалов В.В., Винниченко Е.В. Моменты остановки и управляемые случайные блуждания. Новосибирск: Наука, СО. - 1992. - 104 с.

62. Майника Э. Алгоритмы оптимизации на сетях и графах. М.: Мир. -1981.-323 с.

63. Мамиконов А.Г., Кульба В.В. Синтез оптимальных систем обработки данных. М.: Наука, 1986. - 280 с.

64. Марков А.А. Теория алгоритмов // Тр. мат. ин-та им. В.А. Стеклова АН СССР.-1954.-376 с.

65. Моделирование систем сбора и обработки данных /В.И. Мановицкий О и др.-М.: Наука, 1983.- 124 с.U

66. Норенков И.П., Маничев В.Б. Системы автоматизированного проектирования электронной и вычислительной аппаратуры. М.: Высшая школа, 1983. - 272 с.

67. Очин Е.Ф. Вычислительные системы обработки изображений. JL: Энергоатомиздат, 1989. - 132 с.

68. Парамонов П.П. Основы проектирования авионики. -Тула: Гриф и К, 2003. 228 е., ил.

69. Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем / Пер. с англ. М. В. Горбатовой и др. Под ред. В. А. Горбатова. М.: Мир, 1984.-263 с.

70. Подловченко Р.И. Недетерминированные схемы алгоритмов// ДАН СССР. 1973. - № 4. - С. 97-104.

71. Пронин Е.Г., Могуева О.В. Проектирование бортовых систем обмена информации. М.: Радио и связь, 1989. - 240 с.

72. Рылевский Г.И. Анализ и оптимизация систем управления пилотируемых летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1981. -200 с.

73. О 76. Сигнаевский В.А., Коган Я.А. Методы оценки быстродействияОвычислительных систем. М.: Наука, 1991. - 256 с.

74. Сильвестров Д.С. Полумарковские процессы с дискретным множеством состояний. М.: Сов. радио, 1980. - 272 с.

75. Справочник по устройствам цифровой обработки информации // Н.А. Виноградов, В.Н. Яковлев, В.В. Воскресенский и др. К.: Тэх-ника, 1988.-415 с.

76. Тихонов В.И., Миронов М.А. Марковские процессы. М.: Сов. радио, 1977-488 с.

77. Токарев B.JI. Построение моделей сложных многофункциональных Ф интегральных схем // Обмен производственно-техническим опытом.1989.-N3. С.35-39.

78. Токарев B.JI. Функционально-логическая модель сложной системы // Известия ТулГУ. Сер. Вычислительная техника. Автоматика. Управ-ление.Т.2,вып.2:Автоматика.-Тула,1999.-С.83-87.

79. Федоров В.Ю., Чуканов В.О. Интегрированный пакет моделирования сетей Петри с отказами // УСиМ. 1992. - N 3/4. - С.97-100

80. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения: В 2-ух т., т. 1. — М.: Мир, 1984.-538 с.

81. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения: В 2-ух т., т.2. -М.: Мир, 1984. 528 с.

82. Феррари Д. Оценка производительности вычислительных систем. -М.: Мир, 1981.-576 с.

83. Хастингс Н., Пиккок Дж. Справочник по статистическим распределениям. М.: Статистика, 1980. - 95 с.

84. Хоар Ч. Взаимодействующие последовательные процессы. М.: Мир, 1989.-264 с.

85. Хромов Л.И., Цыцулин А.К., Куликов А.Н. Видеоинформатика. Передача и компьютерная обработка видеоинформации,- М.: Машино1. О строение, 1990. 320 с.1. С*

86. Шалыто А.А. Логическое управление. Методы аппаратной и программной реализации. СПб.: Наука, 2000., 780 с.

87. Шевченко A.M., Мамедли Э.М., Струков Ю.П. Бортовые вычислительные комплексы// Авиастроение. Итоги науки и техники. Т. 6. -М.: ВИНИТИ АН СССР, 1978. - 239 с.

88. Ширяев А.Н. Вероятность. М.: Наука, 1989. - 640 с.

89. Boyse J.W., Warn D.R. A strightforward model for computer performance prediction //Computer Survey. 1975. - № 7. - Pp. 73-93.

90. Coffman E.G., Muntz R.R., Trotter H. Waiting time distributions for processor sharing systems //Journal of ACM. 1970.- V. 17, № 1. - Pp. 123130.

91. Feldbrugge F. Petri net overview 1986 // Lect.Notes Comput. Sci. 1987. -v.255. - P.20-61

92. Floid R.W. Non-deterministic algorithms //Journal of ACM. 1967. - № 4.-Pp. 636-644.

93. Gilbert P., Chandler W. Interference between communicating processes //Communications of the ACM. 1972. -№ 3. - Pp. 171-176.

94. Jensen K. Computer tools for construction, modification and analysis of Petri nets // Lect. Notes Comput. Sci. 1987. - v.255. - P.4-19

95. Mudge T.N., Al-Sadoun H.B. A semi-Markov model for the performance of multiple-bus systems //IEEE Transactions on Computers. 1985. - V. 34. №10.-Pp. 934-942.

96. Shannon C.E. 1948. A mathematical theory of communication. Bell Syst. Tech. J. - № 27 (Jul.). - Pp. 398-403.

97. Wilent C.E. Directions in avionic data distribution systems //Proc. 5-th IEAA/AIAA Digital avionics System conf. Seattle, 1983. - Pp. 12.6.112.6.6.