автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Системный анализ и моделирование распределенных информационно-управляющих систем для автоматизированных полигонных комплексов

На правах рукописи Киреичев Сергей Валерьевич

Системный анализ и моделирование распределенных информационно-управляющих систем для автоматизированных полигонных комплексов

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (оборонная и гражданская техника)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2010

Работа выполнена в Московском университете)

энергетическом институте (техническом

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент Поляков Аркадий Константинович

доктор технических наук, профессор Алдошин Владимир Михайлович

кандидат технических наук, профессор Смирнов Николай Алексеевич

ОАО «Тулаточмаш»

Защита состоится « Ç> » июля 2010 года в « часов на заседании диссертационного совета ДМ 850.001.01 при Государственном образовательном учреждении Московская академия рынка труда и информационных технологий (ГОУ «МАРТИТ») по адресу: 121351, г. Москва, Молодогвардейская улица, д.46, кор. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ «МАРТИТ» по адресу: 121351, г. Москва, Молодогвардейская улица, д.46, кор. 1.

Автореферат разослан «3» июня 2010 года.

Ученый секретарь диссертационного совета ДМ 850.001.01

кандидат технических наук, профессор

Чересов Ю. И.

Общая характеристика работы

До появления современных средств микропроцессорной и телекоммуникационной техники системы управления сложными объектами были совокупностью контуров управления, требующих либо постоянного контроля оператора, либо, для особо ответственных объектов, построения дорогостоящих пультов управления. Особенно трудной была задача автоматизации территориально протяженных объектов.

Современные средства микропроцессорной и телекоммуникационной техники обеспечивают возможность построения распределенных информационно-управляющих систем (РИУС) в таких областях как: контроль состояния окружающей среды, управление энергетическими и химическими установками, магистральными потоковыми комплексами, космической и телекоммуникационной техникой и ряде других областей.

Распределенная информационно-управляющая система, работающая в реальном времени, может быть определена как система, отображающая внутреннее состояние и управляющая внешним по отношению к ней объектом, получающая, обрабатывающая и возвращая информацию в темпе функционирования управляемого объекта. РИУС стали неотъемлемой частью современных высокотехнологичных автоматизированных технических комплексов (АТК), и, в частности, комплексов полигонного оборудования, используемых в вооруженных силах РФ для обеспечения требуемого уровня боевой подготовки.

АТК являются сложными, комплексными системами, включающими управляющую и операционную части - систему управления (СУ) и объект управления (ОУ). Системы управления АТК являются автоматизированными организационно-техническими системами. Автоматизированная система управления (АСУ) АТК предполагает обязательное участие персонала в информационных процессах и процессах управления. АСУ АТК обеспечивает выполнение двух функций:

3

предоставление персоналу информации, необходимой для принятия принципиальных решений, и освобождение персонала от выполнения рутинных действий в однородных типовых ситуациях. Функционирование АСУ поддерживается техническими средствами — информационно-управляющими системами (ИУС), автоматизирующими процессы сбора, накопления, преобразования и выдачи информации и являющимися обязательной составной частью АСУ АТК.

Одним из важных частных видов АТК является автоматизированный полигонный комплекс (АПК). АПК используется для обучения личного состава сухопутных войск. АПК предназначен для автоматизации проведения боевых стрельб на полигонах ВС РФ. В функции АПК входят имитация действий условного противника, боевой обстановки, оценка действий личного состава, как индивидуально, так и в составе подразделений, а также обеспечение эксплуатации полигонного оборудования.

Актуальность исследований в этой области обуславливается необходимостью разработки АПК нового поколения, так как жизненный цикл оборудования большинства полигонов российской армии завершен или близок к завершению. АПК нового поколения требуют исследования и разработки новых ИУС, обеспечивающие требуемые тактико-технические характеристики АПК, так как средства управления существующим полигонным оборудованием предыдущих поколений были разработаны в 60-70е годы прошлого века.

Объектом исследования данной диссертационной работы являются распределенные информационно-управляющие системы - РИУС, используемые для построения автоматизированных полигонных комплексов.

Предметом исследования являются структура и способы организации процессов обработки данных в РИУС, встраиваемых в АПК и

обеспечивающие их тактико-технические характеристики, в первую очередь временные и надежностные параметры работы АПК.

Целью данной диссертационной работы является исследование новых способов организации РИУС для АПК и создание моделей для оценки временных характеристик РИУС АПК, имеющих предложенную структурную и функциональную организацию, а также применение разработанных метода и средств при создания реальной РИУС АПК и их апробация в условиях натурных испытаний.

Основными задачами, решаемыми в диссертационной работе, являются:

- анализ требований к РИУС, предъявляемых АПК и существующих разработок в данной области;

- системный анализ структурной и функциональной организации РИУС, предназначенных для работы в составе АПК, с учетом решений, применяемых в смежных областях.

- создание аналитической модели РИУС АПК, позволяющей рассчитывать ее временные характеристики;

- разработка имитационной модели РИУС АПК как средства, позволяющего детально исследовать временные характеристики систем данного класса и верифицировать аналитические модели;

- разработка методики выбора элементов структурной и функциональной организации РИУС и применения результатов аналитического и имитационного моделирования для оценки временных характеристик РИУС АПК;

- апробация разработанных моделей и методики в процессе проектирования реальной РИУС АПК при оценке вариантов ее структуры и алгоритма функционирования и проведение натурных экспериментов на макете реальной РИУС АПК, анализ погрешностей аналитической и имитационной моделей систем;

Научная новизна работы:

- Применение методов системного анализа структурной и функциональной организации в области исследования и построения РИУС АПК.

- Полученный в результате исследования способ организации РИУС, основанный на представлении системы в виде многоуровневой иерархической сети, обмен информацией в которой происходит с постоянным опросом узлов нижележащих уровней и накоплением информации в вышележащих узлах сети.

- Аналитические и имитационные модели РИУС, отвечающих предложенному в работе способу организации и позволяющих проводить оценку временных параметров РИУС АПК.

- Методика выбора элементов структурной и функциональной организации РИУС и применения результатов аналитического и имитационного моделирования для оценки временных характеристик РИУС АПК.

Методы исследования. Исследования проводились с применением аппарата дискретной математики, теории передачи информации, методов имитационного моделирования и статистического анализа.

На защиту выносится:

- Полученный в результате исследования способ организации РИУС, основанный на представлении системы в виде многоуровневой иерархической сети, обмен информацией в которой происходит с постоянным опросом узлов нижележащих уровней и накоплением информации в вышележащих узлах сети.

- Аналитическая и имитационная модели РИУС АПК.

- Методика выбора элементов структурной и функциональной организации РИУС и применения результатов аналитического и имитационного моделирования для оценки временных характеристик РИУС АПК.

- Результаты системного анализа, моделирования и разработки РИУС АПК нового поколения «Автоматизированный комплекс полигонного оборудования с использованием радиосвязи (АКПО-Р)».

Практическая ценность полученных результатов. На базе предложенных автором способа организации РИУС АПК, его моделей, а также методики выбора и оценки элементов структурной и функциональной организации был создан действующий прототип РИУС, вошедшей в состав АПК нового поколения. Этот АПК, названный Автоматизированным Комплексом Полигонного Оборудования с использованием Радиосвязи - АКПО-Р, имеет тактико-технические характеристики, отвечающие требованиям полигонных комплексов нового поколения.

Внедрение результатов исследований. Разработанный с участием автора аппаратно-программный комплекс прошёл этап опытно-конструкторской разработки и был внедрён в опытную эксплуатацию.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы обсуждались на следующих конференциях:

1. XV международная научно-техническая конференция «Информационные средства и технологии», Москва, 2007.

2. V научно-техническая конференция «Перспективы развития технических средств обучения для подготовки войск (сил), органов управления тактического звена Сухопутных и Воздушно-десантных войск, береговых войск ВМФ на период до 2020 года», Тула, 2010.

Публикации по теме. Основное содержание диссертации отражено в четырех научных работах, из них одна в ведущем журнале, рекомендованном ВАК РФ, одном отчете по ОКР, одной заявке на патент.

Структура и объём работы. Результаты работы изложены на 125 страницах текста, содержащего 16 таблиц, 24 рисунков. Список использованных источников включает 66 наименований. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы.

Краткое содержание работы Во введении представлена тематика работы, обосновывается актуальность темы и освещается состояние вопроса, рассматривается цель, задачи, методы исследования, описывается структура работы.

В первой главе «РИУС АПК и постановка задачи исследования» рассмотрено назначение системы, требования к РИУС, дан обзор известных разработок, поставлены теоретические и практические задачи диссертационного исследования.

Современные АПК представляют собой сложные технические комплексы. Важнейшей составной частью технического комплекса является АСУ - автоматизированная система управления. Отличительная свойство АСУ - автоматизация процессов принятия решений. Важной подсистемой АСУ является информационно-управляющая система (ИУС). Проектирование ИУС во многом определяет эффективность функционирования создаваемой АСУ, а, следовательно, и технического комплекса в целом. ИУС АПК, управляющую большим числом территориально рассредоточенных объектов следует рассматривать как распределенную ИУС (РИУС).

Проведенный обзор и анализ существующих АПК показал, что пока не решена задача создания отечественного комплекса полигонного оборудования, обладающего большой дальностью связи (десятки километров) и позволяющего легко изменять мишенную обстановку. Существующие комплексы имеют существенные ограничения по количеству используемых объектов управления, максимальному количеству одновременно работающих устройств, возможности масштабирования. Это не позволяют проведения масштабных учений с привлечением большого количества личного состава ВС. Подобная ситуация в данной области показывает необходимость разработки нового АПК, в котором отсутствуют или уменьшаются до минимума недостатки существующих. Перед перспективным АПК, именуемым АКПО-Р

(«Автоматизированных Комплекс Полигонного Оборудования с использованием Радиосвязи»), в проектировании которого принимал участие диссертант, ставилась задача возможности создания мобильных обстановок на большой площади с различными типами пехотных и танковых стационарных и движущихся мишеней. АКПО-Р должен быть предназначен для автоматизации управления объектами на стрельбовых полигонах по линиям радиосвязи, решать задачу развертывания общевойсковых, танковых и артиллерийских полигонов как на стационарных площадках, так и на неподготовленных в инженерном и топогеодезическом отношении местностях.

Основными задачами РИУС для АПК являются:

- сбор, обработка, хранение и передача информации о состоянии оборудования АПК;

- представление оператору информации о состоянии оборудования АПК;

- предоставление оператору возможности управления оборудованием АПК;

- реакция на возникновение нештатных ситуаций в автоматическом режиме (без участия оператора).

Для достижения поставленной цели в работе сформулирован ряд теоретических и практических задач.

Во второй главе «Системный анализ и выбор структурной и функциональной организации РИУС АПК» представлены структурная и функциональная организация РИУС, обзор наиболее распространённых протоколов передачи информации в промышленных сетях, критерии и обоснование выбора протокола, анализ источников искажения информации и методы повышения надежности передачи информации.

Анализ назначения узлов РИУС показал, что данную систему лучше всего организовать в виде многоуровневой иерархической системы, с отсутствием связей между узлами одного уровня. Такая структура позволяет упорядочить взаимодействие между узлами РИУС разных

уровней, установить четкую специализацию узлов каждого из уровней, сократить количество связей между узлами.

Квалифицированный номер устройства первого уровня (центрального узла), равен 1, идентификатор этого узла - S[l], Квалифицированные номера устройств нижележащего, второго уровня, подчиненных узлу S[l], имеют вид 1.1, ..., l.pi, ..., l.n(l), где п() - число устройств, подчиненных узлу с номером указанным в скобках. Идентификаторы этих устройств S[l.l],..., S[l.pi],...,S[l.n(l)]. Если S[l..pm] - произвольное устройство обработки данных ш-го уровня иерархии, то подчиненные ему узлы (т+1)-го уровня будут иметь номера l..pm.l, ..., l..pm.pm+i, ..., l..pm.n(l..pm), где n(l..pm), как уже было сказано, — число устройств подчиненных устройству S[l..pJ.

На рис 1 представлена многоуровневая иерархическая система:

На рис. 1:

к - число уровней в системе.

S[..] - узел системы, с номером указанным в скобках. S[l] — узел первого уровня.

n(i) - число узлов подчиненных узлу с номером, указанным в скобках.

Структура конкретной РИУС может быть задана множеством квалифицированных номеров ее устройств. Данная структурная организация РИУС позволяет организовать эффективное управление узлами АПК, определить четкую специализацию узлов каждого из уровней, имеется возможность проводить изменения на каком-либо из уровней, не затрагивающие узлы других уровней. Кроме того, можно вводить дополнительные уровни и это незначительно отразится на функционировании всей системы. Связь между узлами РИУС двусторонняя, физически может быть организована различными способами: радиосвязь, проводная связь, оптоволоконная связь, причем между узлами различных уровней могут быть различные варианты способов связи.

С точки зрения функциональной реализации узлов РИУС, каждый узел должен представлять собой вычислительное устройство, способное хранить, обрабатывать и передавать информацию.

Основная задача РИУС АПК - передача информации от конечных узлов на центральный узел, а также передача команд от центрального узла к конечным. Одними из основных критериев оценки эффективности РИУС являются временные характеристики системы, в частности период работы системы Тс, представляющий собой период времени, в течении которого центральный узел РИУС получает информацию о состоянии всех узлов РИУС.

Для обмена информацией в РИУС предлагается метод обмена информацией с промежуточным накоплением. Данный метод обмена характеризуется накоплением на узле уровня ¡-1 информации о состоянии всех связанных с ним узлов уровней [..к. Информация передается на вышестоящий узел при наличии запроса от него. Обмен между узлом уровня ¡-1 и узлами уровня 1 производится поочередно. Т. е. производится обмен с первым узлом уровня затем со вторым и так далее, после обмена с последним узлом снова начинается обмен с первым. При параллельной

работе узлов всех уровней происходит распараллеливание процессов обмена информацией на узлах 2..к-1 уровней с узлами нижестоящих уровней, что приводит к уменьшению периода системы (Тс).

Рассмотрим пример, поясняющий метод обмена информацией с накоплением промежуточных данных. В качестве примера системы возьмем трехуровневую систему с одним узлом первого уровня, двумя узлами второго уровня и четырьмя узлами третьего уровня. Допустим, что узлы третьего уровня равномерно распределены между узлами второго уровня (по два узла третьего уровня на каждый из узлов второго уровня).

Параметры обмена информацией (скорость передачи информации, объем передаваемой информации, задержки обработки информации) для наглядности примера подобраны так, что обмен между любыми двумя узлами в системе занимает одно и то же время. Временная диаграмма процесса обмена информацией между узлами системы показана на рис. 2 (по горизонтали - дискретное время, по вертикали - узлы системы):

В момент времени 1 узел S[l] посылает команду узлу S[l.l], который

принимает эту команду в м узлу S[l], а также начинает Sfl.l.l]. Получив ответ от

гомент времени 2, и начинает передавать ответ 1 передачу команды узлу нижестоящего уровня узла S[l.l] узел S[l] посылает команду узлу Sfl.2], Таким образом, цикл обмена информацией узла уровня S[l] с узлами второго уровня составляет 4 единицы времени. Как можно заметить, цикл обмена узлов второго уровня с принадлежащими им узлами третьего уровня составляет также 4 цикла. Однако при получении ответа узлом первого уровня от узла второго уровня, информация, пришедшая в ответе, может содержать устаревшую информацию об узлах третьего уровня, принадлежащих этому узлу второго уровня. Подсчитаем время получения узлом третьего уровня обновленной информации обо всех узлах системы (период системы). Оценку сделаем для установившегося режима обмена, начиная, например, с момента времени 5. В этот момент узел S[l] посылает команду на узел Sfl.l] однако получает устаревшую информацию о состоянии узлов Sfl.l.l] и S[1.1.2]. Эта информация на узле Sfl.l] обновится в момент времени 10, как раз при очередном запросе информации узлом уровня Sfl]. Таким образом обновленная информация об узлах Sfl.l], Sfl.l.l] и Sfl.1.2] на узле Sfl] появится в момент времени 12. В момент времени 7 узел Sfl] посылает команда' на S[1.2], получая обновленную информацию об узлах Sf 1.2], Sfl.2.1] и Sf 1.2.2] только при следующем запросе к узлу Sfl.2], в момент времени 13. Таким образом, период рассмотренной системы составляет 8 единиц времени.

При использовании метода с промежуточным накоплением информации, начиная со второго уровня системы, обмен информацией происходит в параллельном режиме. Т.е. обмен информацией между различными узлами второго уровня и связанными с ними нижестоящими узлами хотя и начинается не одновременно, но потом промежуточные узлы не зависят друг от друга. Это позволяет добиться существенного

уменьшения периода системы по сравнению с методом передачи информации без ее накопления.

Практическая реализация системы предполагает выбор физических интерфейсов и протоколов передачи информации в РИУС. В работе проведен обзор наиболее распространенных физических интерфейсов и протоколов передачи информации, даны рекомендации по их выбору в зависимости от выбранной среды передачи информации.

В ходе анализа характеристик рассмотренных протоколов передачи информации в работе сделан вывод, что наиболее подходят для использования в РИУС протоколы CAN, Modbus и Ethernet. Они характеризуются высокой максимальной скоростью передачи информации, относительно большим объемом передаваемой информации, большой максимально допустимой дальностью передачи информации.

Анализ источников искажения передаваемой информации и методов повышения надежности передачи информации, проведенный в работе, позволяет рекомендовать следующие способы борьбы с источниками ее искажения:

- квитирование передаваемой информации;

- помехоустойчивое кодирование;

- введение таймаута на передачу информации;

- скремблирование.

В третьей главе «Аналитическое и имитационное моделирование РИУС АПК. Оценка временных характеристик систем с использованием моделей» дан обзор существующих систем моделирования информационно-управляющих систем, имеющих распределенную сетевую организацию. Приведены разработанные автором аналитическая и имитационная модели РИУС АПК. Для имитационной модели построены модели узлов и модели отдельных вариантов РИУС. Дано описание методики выбора элементов структурной и функциональной организации и

применения разработанных моделей для оценки периода работы РИУС АПК.

Для оценки временных параметров системы в аналитической модели будем считать, что нам известны следующие её характеристики:

Количество уровней в системе - к.

Количество узлов каждого уровня N. Обозначим как N. - количество узлов уровня 1, где 1 = 1..к;

Количество узлов уровня 1, связанных с вышестоящим узлом уровня ] — Ьц, где 1 = 2..к,} = 1..(Ы);

Объем передаваемой информации между узлами - Б. Обозначим как 1 - объём информации, передающийся от узла, находящегося на уровне 1 к узлу, находящемуся на уровне И, - объём информации,

передающийся от узла, находящегося на уровне ¡-1 к узлу, находящемуся на уровне

Скорость передачи информации между узлами - V. Обозначим как ¥¡,¡.1 -скорость передачи информации от узла, находящегося на уровне 1 к узлу, находящемуся на уровне 1-1, - скорость передачи информации от

узла, находящегося на уровне ь1 к узлу, находящемуся на уровне ь При рассмотрении решения поставленной задачи примем У^ц =

Время задержки информации на каждом из узлов (время обработки) -Т2. Здесь под временем задержки узла будем понимать временные задержки, вносимые интерфейсом канала связи, обработкой принятой и передаваемой информации. Пусть Тгцл - время задержки информации, полученной от узла, находящегося на уровне 1, на узле, который находится на уровне И, Тги,! - время задержки информации, полученной от узла, находящегося на уровне ь1, на узле, который находится на уровне 1.

Вероятность искажения одного бита информации в канале связи р. Обозначим как р,_и - максимальная вероятность искажения 1 бита информации при передаче между узлами уровней 1 и М.

Оцениваемые параметры:

Тс - период системы. Время обновления информации о состоянии всех нижестоящих узлов на узле первого уровня.

РС(ТС) - вероятность, с которой период системы будет составлять рассчитанное значение.

Тм>! - время обмена информацией между узлами уровней 1 и (¡-1) о состояния узла уровня \ = 2..к.

Т0и,; - время обновления информации на узле уровня (1-1) о состоянии всех связанных с ним узлов уровня 1 (обмена информацией со всеми связанными узлами), 1 = 2..к.

Тсу - время обновления информации на узле уровня ] о состоянии всех связанных с ним узлов уровня 1,1 - 2..к, ] = 1.Л-1, ]<ь Стоит заметить, что

То1,к = Тс.

В таком случае период системы Тс при использовании метода обмена информацией с промежуточным накоплением информации определяется (1):

Тс * ¿¿[V.-« м + V.™ (1)

¡=2 М

Для равномерного распределения узлов уровня \ между узлами уровня \-1, где 1 = 2,3,..,к (т.е. все узлы уровня ¡-1 связаны с одинаковым количеством узлов уровня ¡, Ьу.]= N1 / N¡.1) будет сгфаведливо следующее неравенство (2):

Тс ±ЬЪ-Щ / ч,у Щ,н)УУи-х + (*/ +7^,)] (2)

Вероятность получения периода системы, оцененного в (1), если вероятность искажения одного бита информации в канале связи между уровнями 1 и И будет ненулевой рь1,! > 0 (3):

ад^Ш-л-м)" (3)

1-2

Для системы без промежуточного накопления информации период системы составляет (4):

Ги <±[±[Nk* (D,._u + DJtH )] / F, .,„ + ^ * (T-2M, + rZl. „ )] (4)

1=2 J-t

Видно, что выгоднее использовать метод передачи информации с промежуточным накоплением информации, т.к. всегда Ly.i mm < Nk и

Li,i-i max < Nk-

Уточнить оценки, полученные с помощью аналитической модели можно с помощью более точной имитационной модели.

В работе был проведен анализ существующих систем имитационного моделирования сетей. В результате для построения имитационных моделей была выбрана программа OPNET Modeler 14.0. Ее средствами были построены имитационные модели узлов РИУС, а также модели различных вариантов ее структуру, например см. рис. 3:

Рис.3 Модель РИУС АПК

Для сравнения результатов аналитического и имитационного моделирования РИУС в работе рассмотрено несколько вариантов систем.

Сравнение результатов моделирования показало, что при использованных допущениях имитационное моделирование в целом подтверждает результаты аналитического моделирования, давая порядка 10% разницу в результатах, что связанно с более точным представлением конфигурации сети. Оценки периода системы, полученные для метода обмена информацией с промежуточным накоплением во всех рассмотренных примерах меньше, чем при методе обмена информацией без промежуточного накопления информации и по мере увеличения количества используемых узлов в системе разница только увеличивается. На базе этих моделей в работе предложена методика выбора элементов, структурной и функциональной организации РИУС и оценки периода работы РИУС АПК.

В четвертой главе «Практические вопросы разработки РИУС для АПК с радиоканалами передачи информации» представлена реализация специфицированной в главе I структурной и функциональной организации РИУС АПК. Дано описание структуры и алгоритма функционирования реальной РИУС, являющейся прототипом систем, предназначенных для работы в составе перспективных радиоуправляемых АПК. Приведено сравнение результатов натурных экспериментов на прототипе системы с результатами имитационного и аналитического моделирования. Показано, что модели обеспечивают точность оценки временных характеристик систем достаточную для того, чтобы их можно было использовать как средство проектирования РИУС АПК. Проведено сравнение характеристик разработанного с участием диссертанта АПК с известными отечественными и зарубежными аналогами.

АПК, именуемый АКПО-Р («автоматизированный комплекс полигонного оборудования с использованием радиосвязи») в проектировании которого принимал участие диссертант, предназначен для

автоматизации управления объектами на стрельбовых полигонах по линиям радиосвязи, решает задачу развертывания общевойсковых, танковых и артиллерийских полигонов, как на стационарных площадках, так и на неподготовленных в инженерном и топогеодезическом отношении местностях.

Количество объектов управления, которыми должен управлять АКПО-Р может составлять несколько тысяч штук, площадь, занимаемая объектами управления, может составлять несколько десятков квадратных километров. Специфичной особенностью АКПО-Р является то, что объекты управления располагаются не равномерно по всей предполагаемой площади комплекса, а в виде групп, количество которых может меняться от нескольких единиц до нескольких десятков, в зависимости от количества объектов управления. С учетом подобной специфики расположения было принято организовать трехуровневую систему, состоящую из вычислительного устройства пульта управления (ВУ ПУ), являющегося узлом первого уровня (центральным узлом), вычислительных устройств ретрансляторов (ВУ РТ), являющихся узлами второго уровня и вычислительных устройств объектов управления (ВУ ОУ), являющихся узлами третьего уровня (конечными узлами). Общий вид структуры АКПО-Р представлен на рис. 4:

Рис.4 Структура АКПО-Р РИУС АКПО-Р обладает следующими параметрами (таблица 1):

Таблица 1. Параметры структуры сети

Структурный параметр Значение

Число уровней структуры (к), шт. 3

Число узлов первого уровня (ВУ ПУ) (N1), шт. 1

Число узлов второго уровня (ВУ РТ) (N2), шт. не более 30

Число узлов третьего уровня (ВУ ОУ) (N3), шт. не более 3000

Число узлов третьего уровня на один узел второго уровня (N23), шт. не более 100

Разрабатываемый комплекс должен иметь возможность быстрого развертывания на инженерно неподготовленной местности, что приводит к отказу от проводных линий связи и передаче информации по радиоканалу. Одновременно, требования государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ) накладывают жесткие ограничения на диапазон частот и мощностей передатчиков. Для обмена информацией между ВУ ПУ и ВУ РТ скорость передачи данных при подобных ограничениях составляет 38400 бит/с, время переключения передатчиков с приема на передачу и наоборот - порядка ЮОмс. Для обмена информацией между ВУ РТ и ВУ ОУ используется другой частотный диапазон, а также передатчики меньшей мощности и скорости, поэтому скорость передачи информации составляет 9600 бит/с, время переключения передатчиков с приема на передачу и наоборот - порядка 20мс.

В качестве базового протокола передачи информации был взят протокол МосИшб, который подвергся некоторой модификации в соответствии с нуждами поставленной задачи.

РЙУС АКПО-Р имеет следующие характеристики сети передачи информации (таблица 2):

Параметр Значение

Скорость передачи информации между узлами первого и второго уровней (\\2, У2,1), бит/с 38400

Скорость передачи информации между узлами второго и третьего уровней (Уг.з, Узд), бит/с 9600

Объем информации, характеризующий состояние узла второго уровня (Е>1_2, В2,1), бит 80

Объем информации, характеризующий состояние узла третьего уровня 0Э2,з, ГЭз.г), бит 80

Задержка информации на узле первого уровня от узла второго уровня (Т21.2), мс 120

Задержка информации на узле второго уровня от узла первого уровня (Т^О, мс 120

Задержка информации на узле второго уровня от узла третьего уровня (Т22>3), мс 20

Задержка информации на узле третьего уровня от узла второго уровня (Тгзд), мс 20

Вероятность искажения 1 бита информации между узлами первого и второго уровней (Рг.О. мс 10"5

Вероятность искажения 1 бита информации между узлами второго и третьего уровней (Рз,2), мс ю-5

Автор участвовал в создании программного обеспечения ПУ, является разработчиком программного обеспечения РТ и ОУ. Объем программного кода, написанного для реализации функций каждого из устройств, превышает 2000 строк. Средой разработки программного обеспечения РТ и ОУ была выбрана Cross Works for ARM 1.7, языком разработки - С. Средой разработки программного обеспечения ПУ была выбрана Microsoft Visual Studio 2005, языком разработки - С++.

Для проверки результатов, полученных с помощью аналитического и имитационного моделирования, был проведен натурный эксперимент. Так как созданный АПК доступен для экспериментов лишь в «стендовом» виде, количество имеющихся в наличии ОУ сильно ограничено.

Для измерения времен, характеризующих информационный обмен в сети было доработано программное обеспечение ВУ ПУ, ВУ РТ и ВУ ОУ. При использованных параметрах сети натурное моделирование в целом подтвердило результаты аналитического и имитационного моделирования, давая незначительную разницу (не более 10%) в результатах с имитационным моделированием, что может быть связанно с точностью измерений при натурном моделировании, а также с тем, что заявленное время на переключение прием/передача у устройств передачи радио сигнала может отличаться от фактического, что влияет на время обработки информации на узлах (Т2).

В заключении приведены основные результаты диссертации.

В работе выполнен обзор и проведен анализ отечественных и зарубежных автоматизированных полигонных комплексов (АПК), сформулированы требования к распределенной информационно-управляющей системе (РИУС) АПК, построены аналитическая и имитационная модель системы. Предложена методика выбора элементов структурной и функциональной организации и применения разработанных моделей для оценки периода работы РИУС АПК.

1) Для РИУС АПК был предложен и детально исследован способ организации, основанной на представлении системы в виде многоуровневой иерархической сети, обмен информацией в которой происходит с постоянным опросом узлов нижележащих уровней и накоплением информации в вышележащих узлах сети. Такая организация позволяет существенно уменьшить временные затраты на передачу информации между элементами сети и уменьшить период системы.

2) Выполнен обзор существующих промышленных протоколов передачи информации, проведен выбор протокола для использования в специализированной сети управления, разработана структура передаваемой информации для конкретной реализации РИУС.

3) Проведен анализ источников искажения передаваемой информации и предложены методы повышения надежности передачи информации в РИУС.

4) Разработана аналитическая модель многоуровневой сети РИУС, позволяющая оценивать период системы. Проведено аналитическое моделирование РИУС с различными параметрами.

5) Проведен обзор существующих систем моделирования информационных сетей. Построены имитационные модели отдельных узлов РИУС и всей сети в целом. Проведены модельные эксперименты, показавшие совпадение результатов аналитического и имитационного моделирования.

6) На базе разработанных моделей предложена методика выбора элементов структурной и функциональной организации и применения разработанных моделей для оценки периода работы РИУС АПК.

7) Выполнены работы по созданию программного обеспечения узлов РИУС с использованием современных методов модульного и структурного программирования (более 10000 строк кода).

8) Получены результаты экспериментальных исследований прототипа РИУС, подтверждающие достоверность теоретических расчетов и модельных экспериментов.

9) Разработанный АПК (АКПО-Р) доведен до стадии опытной эксплуатации и проходит государственные испытания.

Предложенные методы расчета и моделирования РИУС позволяют существенно сократить объем экспериментальных исследований, что дает возможность значительно снизить затраты материальных ресурсов, денежных средств и времени на разработку автоматизированных полигонных комплексов.

Результаты исследований информационно-управляющей системы, приведенные в работе, могут представить практический интерес и при

проектировании новых и модернизации существующих

автоматизированных полигонных комплексов.

Публикации по теме диссертационной работы: Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Киреичев C.B. Оценка временных характеристик передачи информации в иерархических многоуровневых сетях различными методами // Вестник МЭИ, № 2. - М.: Изд. МЭИ, 2009. - С. 153-161.

Публикации в других изданиях:

2. Киреичев С.В, Студенов В.В, Лебедев П.В. Операционная система реального времени QNX в задачах автоматизации // Труды научных сессий МИФИ. Научная сессия МИФИ-2003. Т. 10. - Изд. МИФИ, 2003. -С. 113-115.

3. Киреичев C.B. (в составе группы исполнителей). Разработка программно-аппаратного комплекса автоматизированного комплекса полигонного оборудования: Отчет по ОКР «Трансформация» / ЗАО «ТЕХНОР» -Москва, 2004, 87с.

4. Киреичев С. В. Анализ способов повышения надежности передачи данных по радиоканалу // Труды XV международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии». T. 2.-М.: Изд. МЭИ, 2007.-С. 169-171.

5. Киреичев C.B. Методический подход к созданию локальных сетей полигонов для стрелковой подготовки личного состава // НМС №2 (507), вып. 2 ЦНИИ Минобороны России, 2008 - С. 130-134.

6. Киреичев C.B., Савин А.Н., Софронов П.Д. Система управления появляющейся мишенью. Заявка на патент №2010122019 от 1 июня 2010г.

Разрешено к печати 27 мая 2010 Формат 60x84/16 Тираж 60 экз.

2009197796

2009197796