автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.14, диссертация на тему:Система мультиверсионного формирования программного обеспечения управления космическими аппаратами

Красноярский государственный технический университет

Ковалев Игорь Владимирович

СИСТЕМА МУЛЬТИВЕРСИОННОГО ФОРМИРОВАНИЯ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ УПРАВЛЕНИЯ КОСМИЧЕСКИМИ АППАРАТАМИ

05.13.14 - Системы обработки информации и управления

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Красноярск 1997

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

1. Инженерное проектирование программного обеспечения 13

1.1. Комплексы программ управления как сложные системы 13

1.2. Жизненный цикл и этапы проектирования 16

1.2.1. Классическая модель жизненного цикла 17

1.2.2. Каскадная модель жизненного цикла 19

1.2.3. Модульно-иерархическое построение ПО 32

1.3. Анализ процессов формирования ПО управления КА 36

1.4. Мультиверсионная методология формирования отказоустойчивого ПО 48

Выводы 61

2. Формирование технологических циклов управления КА 63

2.1. Характеристика процессов управления КА 63

2.2. Моделирование технологических циклов управления КА 68

2.2.1. Анализ реализуемости: детерминированные модели 68

2.2.2. Формализация общей схемы анализа реализуемости ТЦУ 71

2.2.3. Стохастическое представление моделей анализа 75

2.3. СЕ11Т-модель формирования ТЦУ 82

2.3.1. СЕКГ-сеть 83

2.3.2. Минимизация затрат 85

2.3.3. Случайные акции при реализации ТЦУ 90

2.3.4. Многократное исполнение ТЦУ 94

2.3.5. Минимизация ТЦУ по времени 97 Выводы 100

3. Формирование программного обеспечения реализации ТЦУ 101 3.1. Определение базового модуля мультиверсионной

программной системы 101

3:2. Критерии оптимальности 105

3.3. Отказоустойчивость программного обеспечения 112

3.4. Формирование состава мультиверсий по стоимостному критерию 127

3.5. Многокритериальное формирование состава мультиверсий 134

Выводы 140

4. Методы решения системы мультиверсионных моделей формирования ПО 142

4.1. Метод оценки глубины мультиверсионности 142

4.2. Двухэтапная процедура решения многокритериальной задачи формирования ПО 156

4.2.1. Рандомизированный MODM-метод направленного поиска 156

4.2.2. Комбинированный MADM-метод решения задачи выбора 176

Выводы 184

5. Инструментальные средства мультиверсионного формирования ПО 185

5.1. Структура и состав инструментальных средств 185

5.2. Интерактивного формирование ТЦУ 188

5.3. Формирование состава мультиверсий ПО

управления КА 193

5.4. Практическое применение в реальных системах мультиверсионного ПО 196

Выводы 203

Заключение 205

Литература 207

Приложения 223

Введение

Разработка и эксплуатация современных космических аппаратов (КА), на базе которых создаются распределенные системы реального времени (СРВ) [1], непосредственно связана с разработкой программного обеспечения (ПО), которое функционирует как в контурах наземного комплекса управления (НКУ), так и в бортовых компексах управления (БКУ), выполненных на базе бортовых цифровых вычислительных машин (БЦВМ). В настоящее время в разработке и эксплуатации КА используется сочетание серийных методов с индивидуальным производством, которое, с одной стороны, характеризуется высокой степенью унификации базового ПО, инженерных методов и методик его проектирования, а с другой -применением уникального ПО (даже для К А одного типа).

Процесс эксплуатации и функционирования КА на орбите регламентируется технологическими циклами управления (ТЦУ), которые определяют временные и информационные взаимосвязи между отдельными контурами управления КА, что выражается в установлении периодичности, планируемой длительности и порядка решения задач по обработке информации и управления КА [2]. В процессе эксплуатации возможно изменение характеристик КА и режимов его функционирования, вследствие технических неисправностей или изменений в программах целевой работы, что отражается как на составе, так ж на алгоритмах управляющего ПО. При этом в случае выведения К А из нештатных состояний (в соответствии с нештатными ТЦУ) ряд характеристик управляющего ПО, а также процесса его разработки, в частности, надежность, отказоустойчивость, быстродействие, определяет вероятность успешного завершения этой операции и размер ущерба [3].

Большое значение на современном этапе среди множества требований к качеству ПО, методам и методикам его разработки и сопровождения приобретают такие требования, как скорость и стоимостная эффективность разработки, внешние средства поддержжки исполнения, тестирования и анализа [4-6], а также доступность методов и инструментальных средств широкому кругу специалистов, ответственных за системы управления К А и технологические циклы управления в целом [7-9].

Мультиверсионное программирование как методология проектирования отказоустойчивых и высоконадежных систем ПО позволяет успешно решать указанные задачи при условии интеграции с методами инженер-

ного проектирования ПО и при условии адекватного отражения технологии управления КА, в результате чего возможно использовать многолетний опыт и интуицию проектировщиков систем управления КА, ответственных за его функционирование на орбите и выполнение целевых функций.

Таким образом, существует важная народно-хозяйственная проблема: создание системы инженерного проектирования высоконадежного, отказоустойчивого ПО технологии управления К А, для успешного решения которой необходимо разработать модели и методы исследования, отражающие процессы управления КА и позволяющие осуществлять синтез, анализ, коррекцию этой технологии, учет этих факторов в составе многоатрибутивных методов и моделей мультиверсионного программирования, ориентированных на специалистов предметной области.

Уверенность в успешном научно-техническом решении сформулированной проблемы базируется на оценке результатов отечественных и зарубежных ученых в смежных областях и проблемах. Это работы в области управления и синтеза структур сложных систем Растригина JI.A., Цвиркуна А.Д., Акинфиева В.К., в области индустриальной разработки программных средств и качества ПО Липаева В.В., Асафьева Ю.В., Серебровского JLA.; в области структурного проектирования надежных программ встроенных ЭВМ Штрик A.A., Осовецкого Л.Г., Мессих И.Г., работы по методам синтеза оптимальных модульных систем обработки информации и управления Мамиконова А.Г., Кульбы В.В.; работы по соответсвующим разделам инженерной методологии надежностного и избыточного программирования Авициениса A.A., Бермана О.Н., Гросс-питча Е.К.; Боэма Б.У.; работы в области многоатрибутивного принятия решений при синтезе информационно-управляющих систем с учетом полной или нечетко заданной информации Ашрафи А.Е., Белли Ф.Е.. Хванга С.Л., Циммерманна М.Н. и многих других.

В диссертации обобщены результаты работы в области программного обеспечения систем управления КА, которая ведется в течение ряда лет в научных коллективах кафедр "Системы автоматизации управления и проектирования" Красноярского государственного технического университета и "Системный анализ и исследование операций" Сибирской аэрокосмической академии. Исследования, результаты которых составили основу настоящей работы, проводились в соответствии с НИР "Тель-Р" в рамках темы 477 по НПО Прикладной механики, утвержден-

ной Приказом N 255 по Минобщемашу СССР и продолжаются в рамках Программы развития системы спутниковой связи и вещания "Россия", принятой решением коллегии Министерства связи Российской федерации от 4-1 от 14 февраля 1992 г.

Актуальность диссертационной работы признана рядом Российских и международных фондов и организаций, осуществляющих финансирование авторских проектов (гранты носят индивидуальный характер и выиграны лично автором), среди которых Немецкая служба академических обменов (DAAD), Исследовательской фонд FFMS (Flughafen FrankfurtMain Stiftung), фонд Сороса и др.

Работы в этой области инженерного проектирования ПО технологии управления КА требуют больших затрат, однако современные масштабы разработок и внедрения систем реального времени на основе космических комплексов не оставляют сомнений в экономической целесообразности, своевременности и актуальности поставленных задач исследования.

Целью настоящей работы является разработка системы мультивер-сионного формирования программного обеспечения управления космическими аппаратами, реализующей на основе разработанных методов и формальных моделей целеориентированный подход в инженерном проектировании программных средств.

Поставленная цель определила следующие основные задачи исследований:

- анализ реализуемости, коррекция и оптимальное конструирование ТЦУ КА на основе разработанного комплекса детерменированных и стохастических моделей;

- проведение анализа реальных процессов инженерного программирования ТЦУ КА, жизненного цикла и проблем проектирования управляющего ПО;

- формальное описание постановок оптимизационных задач мульти-версионной методологии инженерного программирования с последующим построением системы многоатрибутивных моделей при сложных алгоритмически заданных целевых функциях и ограничениях;

- обоснование и построение математических методов и алгоритмов решения многокритериальных мультиверсионных моделей инженерного программирования в интерактивном режиме;

- программная реализация и внедрение разработанной системы в практику инженерного проектировния ПО технологических циклов управле-

ния К А.

Методы исследования. Системный анализ и методы математической оптимизации. Методы теории вероятностей, анализ риска и теория статистических решений. Методы анализа сетей, стохастические сети, методы оценки и пересмотра планов. Теория множеств, комбинаторика и теория графов. Многоатрибутивные методы принятия решений и прикладные аспекты теории нечетких множеств.

Научная новизна работы.

1. Разработано унифицированное сетевое представление процессов управления КА на базе СЕКГ-подобной узловой логики, обеспечивающее анализ реализуемости, коррекцию и конструирование оптимальных по заданному параметру технологических циклов управления КА на базе решающей СЕИТ-модели.

2. Получены математические модели мультиверсионного проектирования программного обеспечения ТЦУ КА и логики функционирования БКУ, учитывающие алгоритмически заданные на комплекске СЕЯТ-сетевых моделей ограничения и целевые функции задач.

3. Предложен комплекс математических моделей мультиверсионного программирования, отражающий надежностный фактор одно- и многофункционального отказоустойчивого программного обеспечениия КА.

4. Сформирована математическая модель многоатрибутивного выбора состава мультиверсионного ПО, применяемая для выработки решения в условиях неопределенности и являющаяся обобщением и развитием известных в литературе задач анализа риска и теории статистических решений целеориентированного программирования.

5. Предложены комбинированные алгоритмы решения оптимизационных задач мультиверсионного программирования, являющиеся развитием многоатрибутивных методов принятия решений, которые до настоящего времени в практике инженерного проектирования ПО не применялись.

Практическая ценность. Разработанная в диссертации система мультиверсионного формирования ПО управления КА применена при программировании ТЦУ КА и проектировании высоконадежного ПО систем управления КА. Созданные на их базе в составе САПР БКУ и САПР управления движением объекта системы автоматизации формирования мультиверсионного ПО сокращают сроки и снижают стоимость разработки, увеличивают надежность и улучшают сопровождение ПО. На-

дежностное проектирование ПО позволяет решать новые задачи по качественной оценке и быстрому восстановлению системы ПО при оптимальной избыточности программных версий. В рамках целеориентированно-го подхода к программированию ТЦУ КА упрощается организационно-технологическая схема разработки ПО путем замены промежуточных этапов формализации и кодирования процедурами мультиверсионного программирования, причем разработка осуществляется силами специалистов по управлению КА.

Реализация результатов работы. Под руководством и при непосредственном участии автора диссертации выполнены х/д НИР, в ходе которых разработана и передана в составе САПР управления движением объекта (НПО ПМ, г. Красноярск) программная система диалогового формирования мультиверсионного ПО систем управления КА военного и гражданского назначения, находящихся в данное время в эксплуатации (К А типа "Галс", "Экспресс", К А системы "Глонасс"). Комплекс программ модельного обеспечения ТЦУ КА применяется при разработке и реализации наземного комплекса управления народно-хозяйственного назначения (первый этап) и Центра управления полетом (г. Красноярск-26). В составе САПР БКУ К А связи и ретрансляции автоматизирован этап синтеза отказоустойчивого ПО многофункционального назначения.

Материалы диссертационной работы введены в учебные курсы и используются при чтении лекций для студентов Красноярского государственного технического университета и Сибирской аэрокосмической академии. Эти материалы нашли отражение в учебном пособии "Технология программирования задач автоматизации управления в технических системах", г. Красноярск, КГТУ, 1993 г. и в учебном пособии "Modelling, optimization and computer-realization of control cyclograms", Krasnoyarsk: SAA Press, 1996 г., написанном на английском языке в соавторстве с О.И. Антамошкиной.

Основные тезисы, выносимые на защиту.

1. Задачи анализа реализуемости, коррекции и конструирования оптимальных технологических циклов управления КА формализуются в виде оптимизационных детерминированных и стохастических задач, базирующихся на GERT-сетевых моделях технологии управления КА.

2. Предложенная аналитико-оптимизационная процедура позволяет решать указанные задачи на основе комбинаций алгоритмического обеспечения методов случайного поиска и методов анализа сетей в интерак-

тивном режиме.

3. Для задач формирования состава мультиверсий высоконадежного, отказоустойчивого ПО разработан комплекс мультиверсионных моделей инженерного программирования ТЦУ К А, учитывающий сложные алгоритмически заданные ограничения и целевые функции на GERT-сетевых моделях и отражающий надежностный фактор ПО при одно- и многофункциональном исполнении компонентов.

4. Разработанная процедура определения дохода от информации при мультиверсионном программировании обеспечивает эффективное специально организованное сопровождение ПО при выполнении базовых требований методологии к разнообразию методов проектирования мультиверсий и определения глубины мультиверсионности.

5. Комбинированный метод многоатрибутивного принятия решений при мультиверсионном программировании позволяет эффективно решать многокритериальные оптимизационные задачи выбора состава мультиверсий при нечетко заданной информации, обеспечивая привлечение на этом этапе специалистов по технологии управления КА.

6. Разработанная система, реализующая мультиверсионный подход инженерного программирования ТЦУ КА с целью проектирования высоконадежного и отказоустойчивого ПО, применим для широкого класса сложных информационно-управляющих систем, критичных по надежности.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы прошли всестороннюю апробацию на всесоюзных, всероссийских и международных конференциях, научных семинарах и научно-практических конференциях. В том числе, на всесоюзных конференциях "Живучесть и реконфигурация информационно-вычислительных и управляющих систем" (Москва, 1989), "Проблемы математического обеспечения и архитектуры бортовых вычислительных систем" (Ташкент, 1989), республиканском семинаре "Информационные технологии в локальных вычислительных сетях для разработки программ встроенных ЦВМ систем реального времени" (Севастополь, 1990), научно-технических конференциях ГНПП НПО "Полюс" (Томск, 1990, 1991 и 1996), 12-й Международной конференции "Mathematische Optimierung"(Селлин/Рюген, 1990), Всесоюзном координационном совещании "Случайный поиск как метод адаптации и оптимизации сложных систем" (Дивногорек, 1991), Международных AMSE конференциях (Лион, 1993 и Брно, 1995), на 3-й Междуна-

родной конференции IFIP "Optimization-Based Computer-Aided Modeling and Design" (Прага, 1994), Международных симпозиумах no исследованию операций SOR'94 (Берлин, 1994), SOR'95 (Пассау, 1995), SOR'96 (Брауншвайг, 1996), 17-й Международной конференции IFIP "System Modelling and Optimization" (Прага, 1995), Международных семинарах Немецкого общества по исследованию операций DGOR (Куба и Бад Ли-бенцелль, 1997), научно-практической конференции "Информатизация региона" (Красноярск, 1995 и 1996) научных семинарах кафедры Систем автоматизации управления и проектирования Красноярского государственного технического университета (1989-1997) и кафедры Системного анализа и исследования операций Сибирской аэрокосмической академии (1993-1997), Института математики и прикладных исследований аэрокос