автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Средства структурно-параметрического синтеза систем обработки информации тренажеров операторов энергосистем

На правахрукописи

Запевалова Лариса Юрьевна

СРЕДСТВА СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА СИСТЕМ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ТРЕНАЖЕРОВ ОПЕРАТОРОВ ЭНЕРГОСИСТЕМ

Специальность 05.13.01 «Системный анализ, управление и обработка информации» (энергетика)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г. Сургут 2004

Работа выполнена на кафедре «Автоматики и компьютерных систем» Сургутского государственного университета ХМАО

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор

Цапко Геннадий Павлович

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Певзнер Леонид Давидович

- кандидат технических наук, доцент Шошин Евгений Леонидович

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт

Автоматики и электромеханики при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники, город Томск

Защита состоится 16 июня 2004 года в 1500 часов на заседании диссертационного совета КР 800.005.42 в аудитории № 213 главного корпуса Сургутского государственного университета по адресу: 626400 г. Сургут, ул. Энергетиков, 14

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СурГУ.

Автореферат разослан « мая 2004 г,

«

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Иванов Ф. Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Современное состояние развития систем управления не позволяет отказаться от использования в контуре управления человека. Для человеко-машинных систем характерны высокая функциональная гибкость и, в тоже время, субъективизм в оценке ситуации, что может привести к выработке ошибочного управляющего воздействия. Такое развитие событий может способствовать переходу объекта управления в нештатные режимы. В особенности это актуально для таких удаленных объектов управления как космические аппараты вследствие невозможности обеспечения доступа к ним для устранения сбоев.

Бортовая система энергопитания космического аппарата является одной из ключевых подсистем обеспечения его живучести и выполнения целевой задачи. Значительная часть функций управления бортовой системой энергопитания возлагается на наземные комплексы управления, в структуру которых включаются центры управления полетами, обслуживаемые оперативным персоналом.

Большинство аварий, происходящих в сложных технических системах (порядка 80-85%), являются результатом неправильных действий персонала в конкретной создавшейся ситуации, что объясняется недостаточной подготовленностью операторов. В связи с этим особую актуальность приобретает задача качественной подготовки операторов с использованием полномасштабных тренажеров.

Основными компонентами полномасштабного тренажера являются вычислительный комплекс, осуществляющий имитацию функционирования подсистем космического аппарата, и наземный управляющий комплекс, включающий пульты управления оперативного персонала. Для их согласования и обеспечения максимальной достоверности процедуры тренажиро-вания необходимо внедрение в состав полномасштабных тренажеров специализированных систем обработки информации и сопряжения компонентов тренажера. При реализации средств подобного рода широко используется микропроцессорная техника, что расширяет функциональные возможности данных систем.

Процесс синтеза микропроцессорных систем (МПС) основывается преимущественно на опыте проектанта, поэтому велико количество решений, принимаемых на интуитивном уровне. Осуществить комплексный процесс синтеза и верификации аппаратного и программного обеспечений МПС возможно с применением специальных средств математического моделирования, что значительно снижает материальные и временные затраты, позволяя оценить адекватность проектных решений до их реализации. Эти

обстоятельства являются предпосылкой создания специализированных методов и средств модельного описания и исследования МПС.

Целью диссертационной работы является разработка средств структурно-параметрического синтеза систем обработки информации, позволяющих на модельном уровне непротиворечиво описывать структуру и функциональные характеристики аппаратного и программного обеспечения данных систем с учетом длительности протекания и динамики развития внутрисистемных процессов и в рамках единой модели производить комплексное исследование их функционирования.

В работе требовалось решить следующие задачи:

- разработать средства структурно-параметрического синтеза систем обработки информации тренажеров операторов энергосистем;

- выбрать математический аппарат имитациошюго моделирования для описания аппаратной структуры микропроцессорных систем и протекающих в них процессов обработки информации.

- разработать метод моделирования микропроцессорных систем, позволяющий представлять, с требуемым уровнем детализации, конфигурацию аппаратного обеспечения данных систем, осуществлять исполнение модели под управлением целевого программного обеспечения и проводить верификацию аппаратного и программного обеспечения.

- произвести апробацию возможности использования предложенного метода в качестве способа реализации структурно-параметрического синтеза системы обработки информации, входящей в состав тренажера операторов энергосистем.

Методы исследования.

Для решения поставленных задач в диссертационной работе применены методы сетевого имитационного моделирования, теории аппаратных сетей Петри, Е-сетей, АЕ-сетей, использованы положения теории планирования экспериментов, теории систем, структурного программирования. Проверка предложенных в работе теоретических положений и метода проводилась экспериментально.

Научная новизна работы,

1. Разработано новое расширение формального аппарата Е-сетевого имитационного моделирования - АЕ-сети, позволяющие непротиворечиво представлять структуру микропроцессорных систем и отражать протекающие в них процессы передачи и обработки информации

2. Разработан метод АЕ-сетевого моделирования МПС, позволяющий представлять, с требуемым уровнем детализации, конфигурацию аппаратного обеспечения данных систем и в рамках единой модели описывать его взаимодействие с программным обеспечением, организовать выполнение

модели под управлением целевых программ и выявлять ошибки в аппаратном и программном обеспечении.

3. Показана возможность сопряжения модели МПС с программным обеспечением, а также доказана возможность выполнения программ моделью. Разработаны принципы данного сопряжения.

4. Разработана методика создания АЕ-сетевых моделей компонентов микропроцессорных систем.

5. Предложено, для организации структурно-параметрического синтеза систем обработки информации, использовать математический аппарат АЕ-сетей и метод АЕ-сетевого моделирования МПС, позволяющие выбрать требуемую конфигурацию аппаратного и программного обеспечений.

Положения, представляемые к защите.

1. Формальный аппарат АЕ-сетевого имитационного моделирования, структурные и функциональные возможности которого позволяют описывать компоненты микропроцессорных систем, а также отражать происходящие в них процессы передачи и обработки информации.

2. Метод АЕ-сетевого моделирования МПС позволяющий в рамках единой модели, с учетом временных характеристик событий, описывать взаимодействие и проводить верификацию аппаратного и программного обеспечения данных систем.

3. Методика создания АЕ-сетевых моделей компонентов МПС, учитывающая характерные особенности цифровых и микропроцессорных устройств.

Практическая ценность работы.

1. Разработанный аппарат АЕ-сетевого имитационного моделирования позволяет создавать менее избыточные модели вычислительных систем, по сравнению с моделями, представленными Е-сетями.

2. Разработанный метод АЕ-сетевого моделирования МПС позволяет производить структурный и параметрический синтез аппаратного и программного обеспечения МПС, осуществляя на модельном уровне их стыковку и взаим1гую отладку.

3. Создана библиотека ЛЕ-сетевых моделей компонентов микропроцессорных систем, включающая модели микропроцессоров, программируемых интерфейсных контроллеров и схем малой степени интеграции, используемых при создании АЕ-сетевых моделей проектируемых микропроцессорных устройств.

Реализация результатов работы.

Разработанный математический аппарат АЕ-сетевого имитационного моделирования и предложенный метод АЕ-сетевого моделирования МПС использованы в Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно-производственный центр «Полюс»» (г. Томск) в процессе созда-

ния системы обработки отчетной информации. Кроме того, математический аппарат и метод используются в учебном процессе в Сургутском государственном университете при проведении лабораторного практикума и курсового проектирования по дисциплине «Моделирование систем». Внедрение результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими Актами.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- Всероссийской научной конференции «Северный регион: экономика и

социокультурная динамика» (Сургут, 2000),

- Третьей окружной конференции молодых ученых ХМАО (Сургут,

2002),

- Девятой международной открытой научной конференции (Воронеж,

2004),

- Научных семинарах кафедры Автоматики и компьютерных систем

Сургутского государственного университета.

Публикации.

По теме диссертационной работы опубликовано 10 статей и тезисов докладов.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 157 страницах машинописного текста, включает 23 рисунка, 5 таблиц, список литературы из 119 наименований, список сокращений. Работа дополнена 21 приложением. Общий объем работы -192страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обоснование актуальности темы, формулируется цель, указывается научная новизна и практическая ценность полученных результатов, описывается основное содержание работы.

В первой главе отражен анализ текущего состояния проблемы, относящейся к теме, и сформулирована задача исследований.

Характерной чертой состояния современного общества является значительная информатизация всех его сфер. Развитие Интернет и геоинформационных технологий, навигационных метеорологических, коммуникационных и других систем невозможно без использования специализированных космических аппаратов (КА) ретрансляции и связи, которые позволяют оперативно предоставлять информацию одновременно множеству потребителей, расположенных в пространстве "видения" спутника связи.

КА ретрансляции и связи являются специфическими сложными системами, проектируемыми с учетом целого ряда особенностей и требований. К

их числу относится: требование выполнения целевой задачи, обеспечение управляемости со стороны наземного комплекса управления (НКУ) и др.

Космический аппарат представляет собой сложную автономную систему с функционально разнородными подсистемами. Все подсистемы КЛ имеют тесную взаимосвязь. Одной из наиболее ответственных подсистем КЛ, с точки зрения обеспечения его живучести и возможности реализации им целевой задачи, является бортовая система энергопитания (СЭП). Сложность системы энергопитания и высокая значимость ее для реализации целевой задачи КА обуславливает необходимость непрерывного контроля ее состояния наземными комплексами управления и операторами центра управления полетом.

В задачу наземных комплексов управления входит оперативная обработка поступающей со спутников отчетной информации, оценка состояния КА и формирование, при необходимости, управляющих команд. От адекватности оценки возникающих разнообразных ситуаций и скорости принятия решения зависит управляемость и живучесть космического аппарата. В составе наземных комплексов управления присутствуют автоматизированные обрабатывающие комплексы и центры управления полетами, обслуживаемые оперативным персоналом. Приоритет полномочий операторов в структуре наземных комплексов управления наивысший.

Эффективность и качество управления бортовыми системами энергопитания в значительной степени определяются квалификацией операторов, для качественной подготовки которых необходимо использование тренажеров. В настоящее время развиваются две основные концепции тренажеров операторов автоматизированных систем управления - компьютерные тренажеры и полномасштабные тренажеры. Компьютерные тренажеры целесообразно использовать на первичном этапе подготовки операторов. Качественное обучение персонала работе со сложным оборудованием, без переноса на объект отрицательных навыков, возможно только с использованием полномасштабных тренажеров, точно имитирующих рабочее место оператора.

Таким образом, задачами создания тренажеров операторов бортовых энергосистем являются: приобретение операторами профессиональных навыков управления системами энергопитания в штатных и нештатных ситуациях, а также создание и верификация алгоритмов работы наземных обрабатывающих комплексов. Особую актуальность задача тренажирова-ния приобретает при подготовке к вводу в эксплуатацию КА новых типов или КА с модернизированными подсистемами.

Вследствие сложности космического аппарата традиционно при подготовке операторов и создании программного обеспечения наземных комплексов управления используется большое количество стендовых испыта-

ний. Возможности воспроизведения в ходе стендовых испытаний физических условий эксплуатации КА существенно ограничены. Сложно воспроизвести резкие температурные перепады при смене теневых и освещенных участков орбиты, влияние невесомости, вакуума и т.д. Данные обстоятельства сказываются на полноте проводимых экспериментов, не позволяя осуществить полномасштабное обучение операторов и верификацию алгоритмов работы наземных комплексов управления. Для устранения отмеченных ограничений в процессе тренажирования, в особенности на данном этапе, широко используются средства математического моделирования и имитации функционирования подсистем КА.

Основными компонентами полномасштабного тренажера являются вычислительный комплекс, осуществляющий имитацию функционирования подсистем космического аппарата, и наземный управляющий комплекс, включающий пульты управления, полностью соответствующие рабочим местам оперативного персонала.

Космические аппараты являются телеуправляемыми системами. Тренажерный комплекс целесообразно конфигурировать таким образом, чтобы вычислитель, имитирующий функционирование КА, передавал НКУ телеметрический сигнал по структуре и параметрам полностью соответствующий реальному.

Требование обеспечения возможности разноформатности и многоре-жимности трансляции телеметрической информации обуславливает необходимость создания специальных средств обработки модельной информации и сопряжения моделирующего вычислительного комплекса с аппаратурой наземных комплексов управления полетом. Данные средства призваны разгрузить вычислительный комплекс, освободив его от выполнения работ по формированию телеметрического сигнала. Кроме того, они необходимы для согласования электрических параметров сигналов вычислителя и НКУ.

Существенно расширить функциональные возможности средств сопряжения позволяет реализация их на основе микропроцессорной техники. Микропроцессорные устройства обработки информации и управления хорошо адаптируются под изменения конфигурации систем и условия их функционирования. Таким образом, при создании тренажеров актуальной является задача разработки микропроцессорных средств обработки информации для сопряжения вычислительного ядра с пультами управления.

Современные микропроцессорные системы обработки информации и управления, в соответствии с принципами их организации и спецификой решаемых задач, можно отнести к классу сложных систем. Создание данных систем без моделирования их функционирования становится все более трудоемким, длительным во времени и не всегда эффективным. Зачастую

проектирование сложных микропроцессорных систем (МПС) осуществляется на интуитивном уровне с применением неформализованных методов, основанных на практическом опыте разработчиков и дорогостоящих натурных экспериментах.

При создании МПС необходимо учитывать их особенность, связанную с идеологией построения и функционирования данных систем. Любая система этого класса является симбиозом программного и аппаратного обеспечения (ПО и АО), поэтому существует значительная зависимость работоспособности технических средств и ПО друг от друга. Ошибки, допущенные при создании любого из этих компонентов, делают систему не работоспособной. Существуют средства, предоставляющие возможность параллельного проектирования аппаратного и программного компонентов МПС, но они не позволяют произвести их комплексную взаимную отладку, поскольку решают только свои специфические задачи. Невозможно полно -стью верифицировать ПО, не зная соответствующей реакции аппаратного окружения на действия микропроцессора. Кроме того, возможны ситуации, когда в АО возникает конфликт из-за неверно поданных или рассинхроии-зированных во времени инструкций процессора. Поэтому правомерно утверждение, что в настоящее время на модельном уровне недостаточно эффективно решена задача отладки, настройки и взаимной адаптации программного и аппаратного обеспечения МПС.

В задачах создания МПС и верификации их аппаратного и программного обеспечения применяют математические и экспериментальные методы исследования. Применение экспериментальных методов, как правило, усложняет процесс внесения корректив в структуру системы в случае обнаружения ошибок, что влечет дополнительные затраты и сказывается на сроках создания.

Для математического описания вычислительных систем широко используются средства сетевого имитационного моделирования, позволяющие оценить динамику развития процессов в моделируемой системе, при этом в ходе проведения экспериментов допускается изменение реального масштаба времени. В настоящее время наиболее распространенным сетевым формализмом является аппарат сетей Петри и всевозможные его расширения.

В результате проведенного анализа различных математических аппаратов сетевого имитационного моделирования, в том числе аппаратных сетей Петри и Е-сетей, сформулирован вывод о присущих им особенностях и недостатках, затрудняющих их использование для описания МПС. В частности отмечена недостаточная их приспособленность для описания процессов передачи информации между ресурсами МПС и как следствие сущест-

венная избыточность моделей, а также отсутствие четких механизмов диагностики конфликтных ситуаций.

В заключение главы сделан вывод о необходимости разработки нового математического аппарата сетевого имитационного моделирования, являющегося развитием Е-сетей и аппаратных сетей Петри (APN), позволяющего лаконично и непротиворечиво описывать структуру МПС. Сформулированы требования к данному математическому аппарату имитационного моделирования.

Во второй главе определены ключевые аспекты построения и функционирования МПС Произведено рассмотрение данных систем как объектов модельных исследований, представлена их обобщенная структура, описаны виды архитектур вычислительных систем.

Для решения поставленных задач моделирования МПС предложены аппаратные Е-сети (АЕ-сети, AEN), являющиеся новым расширением Е-сетей. Структурно АЕ-сети наиболее близки к Е-сетям. Функционально они сохраняют преемственность APN и Е-сетей. АЕ-сети можно рассматривать как дальнейшее развитие данных сетей. Они позволяют адекватно описать и наглядно отобразить в графическом представлении модели все компоненты аппаратного обеспечения МПС. Формально, АЕ-сети представляются в виде тройки:

aen = <p,t,saem>, 0)

где Р - конечное непустое множество позиций; Т - конечное непустое множество переходов; - функциональные правила, определяющие выполнение АЕ-сети.

Понятие позиции в АЕ-сетях расширено по сравнению с APN и Е-сетями. Все множество позиций представляется совокупностью девяти непересекающихся подмножеств: Р = {Ps, PI, Pf, Pa, Pc, Pr, Pm, Pd, Ph}. Соответственно позиции, входящие в данные подмножества, обозначаются: S, L, F, А, С, R, M, D, Н. Их графическое представление дано в таблице 1.

В АЕ-сетях претерпело существенные изменения множество позиций-очередей, характерных для Е-сетей. Функционально позиции-очереди в АЕ-сетях наиболее близки к позициям аккумулирующего типа в APN. Позиции-очереди представляются тремя подмножествами {Pj, Pf, Р,}, в соответствии с принципом хранения в них информации. Компонентами подмножества позиций-очередей являются очереди магазинного типа или очереди L. Они соответствуют стеку LIFO - последний вошедший - первым выходит. Элементы подмножества позиций-очередей Pf соответствуют обратному магазину или типу FIFO - первый вошедший первым выходит. Левое поле графической интерпретации определяет тип позиции, а правое отражает состояние текущей маркировки. Подмножество позиций-очередей составляют очереди произвольного доступа, что соответствует

запоминающим устройствам произвольного доступа. Однако существенно изменилась трактовка правого поля «№>. Для устройств, моделируемых данными позициями характерна определенная емкость или количество ячеек. Емкость остается неизменной вне зависимости от объема внесенной информации. Поэтому, в данном случае, поле «№> характеризует емкость запоминающего устройства.

Таблица 1. Набор позиции А 3-сетей.

Наименование позиции Тип Графическое обозначение Допустимая маркировка

Простая Р$ О а,р

Очередь LIFO Pi (Li N ) Р

Очередь FIFO Pf Ct N ) Р

Память произвольного доступа P. (А ! N ) а

Синхронизатор Рс О а> Р

Разрешающая Pr □ -

Мажоритарность Pm > -

Дислокационная Pd О —

Останов Pb о а

В АЕ-сетях, по сравнению с Е-сетями, расширена номенклатура разрешающих или управляющих позиций. Помимо традиционных разрешающих позиций Рг добавлены подмножества позиций Рс, Рт и Рё. Со всеми управляющими позициями связаны функциональные выражения, определяющие маршрут движения фишек или их размещение в других позициях. Подмножество Рс составляют синхронизирующие позиции. Только наличие активной фишки в позиции С разрешит выполнение перехода. Позиция снабжается входной и выходной дугами.

Подмножество Рт составляют позиции-мажоритарность. Позиции данного подмножества управляют маршрутизацией фишек. По результатам вычисления функционального выражения они определяют минимальное количество фишек, присутствие которых необходимо во входных позициях

перехода для его срабатывания. Подмножество позиций Pd определяет адрес или дислокацию информации в позициях-память Ра. В очередях LIFO и FIFO доступ к информации упорядочен самой их структурой.

Подмножество Ph составляют позиции, останавливающие выполнение сети. Попадание фишки в данную позицию свидетельствует о конфликте, возникшем при движении фишек по сети или об ошибках вычислений.

Множество переходов в АЕ-сетях состоит из 13 подмножеств элементарных переходов: Т = {Тт, TF> Т,, Тс, Тм, TY, Тх, Tw, TR, Ть TG) Tv, Тн}. По составу элементарных переходов АЕ-сети наиболее близки к Е-сетям. Однако, по сравнению с последними в множество переходов АЕ-сетей добавлены пять новых подмножеств: Все множество элементарных переходов определяет структуру базисного набора элементарных АЕ-сетей, который представлен в таблице 2.

Таблица 2. Базисный набор элементарных АЕ-сетей

Наименование

1

Простой переход

Размножение

Объединение

Синхронизатор

Мажоритарностъ

Выборка/ мультиплексор

Тип

М

Графическое обозначение

хОЮт

-Юг

Х0*0у2

ко

с®*-" xiOXX

я

xrO

mD»

хо

хОЦОт

хОН

"rCF" хО гО-*-*Оу

ю-

Окончание таблицы 2.

1 2 3

Переключатель/ демультиплексор X RO хО Orl Oy2

Запись W DO> хО> хО M4« 1 г

Чтение R D О** xbliL> Z2 О

Прерывание I +Оу2

Генератор G HD Y

Поглотитель V

Останов н rO xO -On -Ют2

Функциональные правила, определяющие выполнение АЕ-сети, задаются в виде следующего выражения:

saen = (Pre, Post, m°, m, с, g, <p, т, k, p, ex), (2)

где Рге - функция предшесвования. Рге: РхТ -> {0,1} - функция предшествования или функция: прямой инцидентности для перехода, причем Pre(p,t) - 1, если существует входная дуга в переход t € Т от позиции р еР, и Pre(p,t) = 0 при отсутствии такой дуги;

Post - функция следования. Post: РхТ -> {0,1} - функция следования или функция обратной инцидентности для перехода, причем Post (p,t) = 1, если существует выходная дуга из перехода в t е Т в позицию реР,и Рте (p,t) = 0 при отсутствии таковой;

га0 - функция начальной маркировки сети;

m - функция текущей маркировки сети представляется двумя подмножествами - активной та и пассивной маркировки тр: т= {ш», Шр}.

По сетевому графу могут передвигаться только активные фишки, отображая процесс передачи и обработки информации. Пассивные фишки хранят образ покинувшей позицию активной фишки. Данные виды маркировок представлены на рисунке 1.

© ©

а) б)

Рисунок 1. Графическое представление маркировки позиции: а) активной, б) пассивной

Фишки АЕ-сети обладают так же раскраской, представляемой набором атрибутов.

С - конечное непустое множество переменных или алфавит АЕ-сети, С= {С„С8}. Подмножест^З^вляется подмножеством атрибутов фишек, С8 - подмножество глобальных переменных.;

О - множество функций выбора, определяющих маршрутизацию фишек в переходах, содержащих управляющие или разрешающие позиции. Поэтому вся совокупность функций выбора представлена тремя подмножествами в = {во С<1„ Ога};

Б» - множество функций или правил выполнения переходов или элементарных сетей.

- множество функций преобразования атрибутов фишек и переменных

сети;

- множество функций определения временных задержек срабатывания переходов;

к - функция ассоциативной связности для определения допустимости использования подмножеств позиций в качестве входных и/или выходных для различных типов переходов;

р - функция пассивизации ассоциируется с определенным переходом и предназначена для принудительного преобразования активной маркировки в пассивную. Необходима для обеспечения срабатывания перехода при поступлении в его входную позицию активной фишки, в случае если выходная позиция содержит также активную фишку. Это обеспечивает корректное отображение процессов чтения и записи информации, происходящих в МПС.

В работе показана возможность замены элементарных АЕ-сетей эквивалентными Е-сетями, при этом объем описания существенно возрастает. Сравнительный анализ затрат ресурсов сети показывает, что для реализации элементарных АЕ-сетей эквивалентными Е-сетями коэффициент увеличения количества использованных переходов колеблется от 3 до 12 раз, а коэффициент увеличения количества позиций - от 1 до 4 раз. В связи с тем, что в каждой конкретной МПС присутствует различное число ресурсов, то сложно формально определить количественное соотношение позиций и переходов, использованных для реализации модели в терминах АЕ-сетей и Е-сетей.

Предложенный математический аппарат, по сравнению с Е-сетями, обладает большей наглядностью при моделировании процессов, протекаю-

щих в МГТС, и меньшей избыточностью. Подтверждающим примером могут служить модели процессов информационного обмена с некоторым условным ресурсом МПС, представленные на рисунках 2 и 3.

Рисунок 2. Граф Е-сстевой модели процессов информационного обмена с условным ресурсом МПС

В качестве ресурса может рассматриваться любой регистр или триггер. Информационный обмен с данным ресурсом заключается в исполнении процедур записи или чтения информации.

НО- НОН

Т2 С1 ТЗ Т4 С2 Т5

Рисунок 3. Граф АЕ-сетевой модели процессов информационного обмена с условным ресурсом МПС

Поскольку базовые наборы позиций и элементарных Е-сетей являются подмножествами соответствующих наборов АЕ-сетей, то можно утверждать, что моделирующая мощность АЕ-сетей не ниже моделирующей мощности Е-сетей.

Таким образом, разработано новое расширение математического аппарата АЕ-сетей, ориентированное на модельное представление МПС и обеспечивающее возможность корректного и более лаконичного модельного описания процессов информационного обмена между компонентами данных систем.

В третьей главе разработан метод АЕ-сетевого моделирования МПС. Данный метод заключается в следующем:

1. Создается АЕ-сетевая модель АО МПС на основании функциональной или принципиальной схемы из библиотечных компонентов.

2. Модели линий связи компонентов, как места потенциальных конфликтов, оснащаются модельными «ловушками>, представляющими собой элементарную АЕ-сеть «останов».

3. Создается текст ПО, который затем обрабатывается транслятором для получения исполняемого кода программы.

4. Создается стратегия моделирования, в которой устанавливается связь моделей запоминающих устройств с файлами исполняемых кодов, задаются контрольные точки регистрации модельных параметров, определяется формат отчетной информации и задается масштаб модельного времени.

5. Организуется запуск модели на исполнение под управлением программы, записанной в модель ЗУ. Для верификации аппаратного обеспечения осуществляется мониторинг срабатывания модельных «ловушек», в ходе которого определяется место возникновения ошибки или причина конфликта.

6. Проводится анализ параметрических модельных отчетов для проведения верификации ПО МПС.

Достоинством метода является возможность отладки целевого программного обеспечения на модели аппаратного обеспечения, а так же наглядность определения конфликтных и аварийных ситуаций в системе при помощи модельных «ловушек».

Путем исключения из модели стохастических параметров и функций генерирования случайных величин созданная модель из средства статистической оценки преобразуется в имитационную модель, генерирующую процесс функционирования МПС, в соответствии с заложенной программой.

Представленные положения метода являются его базовыми составляющими. В зависимости от целей исследования в него могут быть добавлены некоторые положения локального характера. При модельном исследовании цифровых устройств, не снабженных микропроцессором, метод упрощается, поскольку из него удаляются пункты, соответствующие работе с программным обеспечением.

Функциональные особенности АЕ-сетей позволяют создать модельные описания всех компонентов МПС. Несмотря на существенные различия в структуре и функциональных возможностях, компоненты МПС обладают рядом общих свойств и характеристик: значения напряжений, соответствующие уровням «лог.О» и «лог.1»; быстродействие; возможность перевода выходных линий в высокоимпедансное состояние; двунаправленность выводов; наличие входов синхронизации выборки, записи и чтения и др.

Это обстоятельство позволило выработать единую методику создания АЕ-сетевых моделей компонентов МПС и на основе ее создать библиотеку более чем из 100 моделей. Методика заключается в следующем:

устанавливается соглашение, по которому любая смена значения логического уровня сигнала должна сопровождаться поступлением фишки,

несущей в своих атрибутах новое значение сигнала, при этом состоянию «лог.О» соответствует равенство атрибута нулю, а состоянию «лог.1» - равенство его единице;

при переводе выхода микросхемы в высокоимпедансное состояние модель должна генерировать фишку, у которой атрибут, несущий информацию о значении сигнала, устанавливается в единицу и, кроме того, в дополнительном атрибуте формируется признак высокоимпедансного состояния;

индивидуальные входы микросхем описываются с помощью элементарных сетей Т, при этом целесообразно дополнять их функцией пассиви-зации;

для описания групповых входов микросхем целесообразно использовать элементарные сети С, J или М, причем их также можно снабдить функцией пассивизации;

при создании моделей логических устройств, имеющих входы синхронизации, используется элементарная сеть С, при этом позиция С соответствует входу синхронизации, а позиции S - информационным входам;

ряд логических устройств обладает двунаправленными выводами, информация по которым, в зависимости от режима, может передаваться в разных направлениях, для описания данных выводов используются отдельные фрагменты модельного графа, соответствующими входным и выходным цепям;

в состав моделей запоминающих устройств включаются элементарные сети W и R, либо только R, в зависимости от вида запоминающего устройства;

быстродействие элементов определяется временем задержки распространения сигналов, которое задается в виде времени задержки срабатывания переходов.

Предложено, в связи с отсутствием систем АЕ-сетевого имитационного моделирования и существующей возможностью замены элементарных АЕ-сетей эквивалентными Е-сетями использовать, в качестве инструментария, для апробации метода АЕ-сетевого моделирования МПС систему Е-сетевого моделирования.

По литературным источникам проведен сравнительный анализ существующих систем для реализации метода АЕ-сетевого моделирования МПС. Результаты анализа показывают, что в настоящее время наиболее приемлемой для проведения модельных исследований, в предметной области, является система Е-сетевого имитационного моделирования EVA. Применение данной системы приведет к некоторым ограничениям при работе с АЕ-сетевыми моделями.

Для исключения данных ограничений в третьей главе (предложена концепция организации автоматизированной среды моделирования МПС. Разработана ее структура. Определены функции компонентов системы и их взаимосвязи.

В четвертой главе на основе предлагаемого метода моделирования МПС рассмотрены принципы структурно-параметрического синтеза систем обработки информации тренажеров операторов энергосистем.

Одним из вариантов организации тренажера является использование в качестве вычислителя комплекса моделирования и имитации (КМИ). Он предназначен для моделирования функционирования бортовой СЭП в различных режимах и имитации ее отчетной информации. КМИ состоит из персонального компьютера (ПК) и специализированного телеметрического адаптера (ТМА). Для апробации нового метода в работе обоснован выбор в качестве объекта исследований телеметрического адаптера (ТМА), являю -щегося микропроцессорной системой сопряжения ПК с пультами управления. ТМА должен вносить минимальную задержку в процесс передачи информации от вычислителя к пультам управления.

В процессе выполнения модели КМИ формирует мгновенные вектора отчетной информации о состоянии СЭП. В вектор включается состояние сигнальных и аналоговых параметров. Подготовленный информационный массив передается телеметрическому адаптеру, который формирует непрерывный поток телеметрической информации, состоящий из псевдокадров (ПСК), и передает его в аппаратуру приема телеметрии.

В процессе синтеза рассмотрено несколько альтернативных вариантов структурной и параметрической организации ТМА, различающихся структурой и емкостью ОЗУ межпроцессорного обмена, а также алгоритмами обработки имитационной информации. Каждый вариант описывался соответствующей АЕ-сетевой моделью. Структурная схема ТМА с двухбанко-вой организацией ОЗУ приведена на рисунке 4, а соответствующий граф АЕ-сетевой модели - на рисунке 6.

Согласно теории планирования эксперимента проведено стратегическое и тактическое планирование, в результате чего определены контролируемые факторы, их уровни, а также оценена длительность проведения эксперимента для получения достоверного результата.

Рисунок 4. Структурная схема ТМА с двухбайтовым ОЗУ

Для оценки результатов моделирования выбран векторный показатель эффективности и для приведения его к обобщенному (\№об) использован метод «затраты-эффект»:

(3)

где ! = 1.....ш1 - номера показателей эффективности, значения которых желательно увеличить;

1 — т1 + 1,..., п - номера показателей эффективности, значения которых желательно уменьшить.

Значения обобщенных показателей эффективности для каждого из вариантов конфигурации ТМА представлены на рисунке 5.

ю

2 в ж

Ж

5 6

X *

° 4 4

ос

I 2 0

8,95 — ...........Г........

1 1 .............1.............

4.1

------1,08-- Г~1 .... Г -0,в8 " •п 2,05 -1,03— т

I банк 1 ПСК 2 бани по I 2 Сама по 2 2 банка по 2 2 баюа по 4 2 банка по 8 ПСК ПСК (лнн.) ПСК (ими.) ПСК ПСК

Рисунок 5. Значения обошенных показателей эффективности вариантов конфигурации ТМА

Рисунок 6. Граф АЕ-сетевой модели структуры ТМА с двухбанковой организацией ОЗУ

В результате модельного эксперимента произведена оценка показателя эффективности каждого варианта конфигурации и выбран лучший без использования патурных экспериментов.

Для выбранного варианта конфигурации разработана функциональная схема ТМА и го библиотечных компонентов создана ее АЕ-сетевая модель. Дальнейшая верификация аппаратного и программного обеспечения проводилась по результатам работы модели, функционирующей под управлением целевых программ. Для верификации аппаратного обеспечения в структуру АЕ-сетевого графа внедрены модельные «ловушки», по результатам мониторинга которых выявляются ошибки аппаратного обеспечения. Верификация программного обеспечения проводится по информации, представленной в параметрических отчетах, сформированных моделью.

По результатам модельных экспериментов выбрана структура ТМА и проведена верификация его аппаратного и программного обеспечения.

В заключении приведены выводы по диссертации, сформулированы полученные научные и практические результаты.

В приложении к диссертации приведены графы АЕ-сетевых моделей ТМА различных конфигураций, модели компонентов МПС, блок-схемы алгоритмов и листинги целевых программ, фрагменты параметрического отчета, акты внедрения результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. На основании анализа тенденций развития тренажеров операторов бортовых систем энергопитания и причин возникновения внештатных и аварийных ситуаций определена актуальность задачи создания и развития полномасштабных тренажеров, и обоснована необходимость внедрения в их состав микропроцессорных систем обработки информации.

2. Определены роль и место МПС в архитектуре средств сопряжения вычислительного ядра полномасштабных тренажеров с аппаратурой пультов управления и сформулирована задача моделирования структуры и верификации программно-алгоритмического обеспечения микропроцессорных систем обработки информации.

3. Для адекватного модельного представления микропроцессорных систем, с учетом особенностей режимов обработки и передачи информации, впервые предложен математический аппарат АЕ-сетей, являющийся расширением Е-сетей, разработан базовый набор элементарных АЕ-сетей и определены правила их выполнения.

4. Разработана методика создания модельных описаний компонентов аппаратного обеспечения микропроцессорных систем, в соответствии с

которой созданы более 100 АЕ-сетевых моделей интегральных микросхем различной степени интеграции, в том числе и модели микропроцессоров.

5. Разработан новый метод АЕ-сетевого моделирования МГТС и верификации их программного обеспечения, позволяющий модельно описать конфигурацию аппаратного обеспечения МПС, с детализацией каждого компонента системы, осуществить сопряжение модели с целевым программным обеспечением и организовать выполнение модели под управлением данного ПО, сформировав при этом файл параметрического отчета. Достоинством метода является возможность отладки целевого программного обеспечения на модели аппаратного обеспечения, а так же наглядность идентификации конфликтных и аварийных ситуаций в моделируемой системе.

6. Доказана возможность сопряжения модели МПС с целевым программным обеспечением и возможность функционирования ее под управлением данного программного обеспечения.

7. Доказана целесообразность использования предложенного метода для комплексных исследований логико-динамической картины функционирования микропроцессорных систем в различных режимах работы и верификации их программно-алгоритмического обеспечения.

8. Предложены принципы и структура организации автоматизированной среды моделирования микропроцессорных систем.

9. Проведена апробация метода АЕ-сетевого моделирования МПС на примере создания и исследования модели телеметрического адаптера, представляющего собой специализированное устройство сопряжения вычислительного ядра тренажера с пультами операторов, в ходе которой подтверждена достоверность научных положений предложенного аппарата АЕ-сетей и разработанного метода.

Достоверность научных положений и выводов, полученных в диссертационной работе, подтверждается совпадением результатов моделирования с натурными экспериментами. Результаты диссертации могут быть использованы при проектировании и анализе как микропроцессорных систем обработки информации, так и любых других устройств цифровой техники. Предложенный метод может быть внедрен в процесс профессионального обучения специалистов соответствующего профиля.

ПЕРЕЧЕНЬ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гришмановский, П.В. Диалоговое моделирование в научно-исследовательской работе / П.В. Гришмановский, А.В. Запевалов, Л.Ю. Запевалова // Сб. науч. тр. Сургутского гос. ун-та. Вып. 4. - Сургут: Изд-во СурГУ, 1998.-С. 160-163.

2. Запевалова, Л.Ю. Средства отладки программного обеспечения микропроцессорных систем на основе Е-сетей / Л.Ю. Запевалова, А.В. Запева-лов, Д.Б. Одинцов // Сб. науч. тр. Сургутского гос. ун-та. Вып. 5. - Сургут: Изд-во СурГУ, 2000. - С. 30-33.

3. Запевалов, А.В., Организация среды автоматизированного проектирования микропроцессорных систем / А.В. Запевалов, Л.Ю. Запевалова // Сб. науч. тр. Сургутского гос. ун-та. Вып. 5. - Сургут: Изд-во СурГУ, 2000. -С. 33-38.

4. Запевалов, А.В., Применение аппарата Е-сетевого имитационного моделирования в задачах исследования детерминированных систем / А.В. За-певалов, Л.Ю. Запевалова // Сб. науч. тр. Сургутского гос. ун-та. Вып. 5. -Сургут: Изд-во СурГУ, 2000. - С. 38-45.

5. Запевалов, А.В. Модельный анализ алгоритмов программного обеспечения сложных микропроцессорных систем управления / А.В. Запевалов, Д.Б. Одинцов, Л.Ю. Запевалова // Северный регион: экономика и социокультурная динамика: Сб. тез. Всерос. науч. конф. Ноябрь 2000, Ханты-Мансийск - Сургут / Под ред. В.В. Мархинина, Г.И. Назина. - Сургут: Изд-во СурГУ, 2000. - С. 263-264.

6. Запевалов, А.В. Особенности моделирования сложных микропроцессорных систем управления / А.В. Запевалов, Л.Ю. Запевалова // Северный регион: наука, образование, культура: Научный и культурно-просветительский журнал. - Сургут: Дефис, 2002. - С. 32-38.

7. Запевалова, Л.Ю. Возможности расширения аппарата Е-сетей для моделирования цифровых и микропроцессорных систем / Л.Ю. Запевалова // Северный регион: наука, образование, культура: Научный и культурно-просветительский журнал.- Сургут: Дефис, 2002. - С. 39-46.

8. Запевалова, Л.Ю. Применение имитационного моделирования в задачах проектирования микропроцессорных систем / Л.Ю. Запевалова, А.В. За-певалов, Д.В. Тараканов // Наука и инновации Ханты-Мансийского автономного округа: Сб. тез. докл. третьей окружной конф. молодых ученых ХМАО. - Сургут: Изд-во СурГУ, 2002. - С. 242-245.

9. Запевалова, Л.Ю. Имитационные модели микропроцессорных систем как средство отладки программного обеспечения / Л.Ю. Запевалова // Современные проблемы автоматизации в системах моделирования, программирования и телекоммуникациях: Сб. тр. Вып. 9 (по итогам IX международной открытой научной конференции). - Воронеж: Научная книга, 2004.-С. 335-336.

10. Запевалова, Л.Ю. АЕ-сети - как средство модельного описания микропроцессорных систем / Л.Ю. Запевалова // Информационные технологии моделирования и управления: Междунар. сб. науч. тр. / Под ред. О.Я. Кравца. Вып. 15. - Воронеж: Научная книга, 2004. С. 39-49.

15- 9 3 64

Запевалова Лариса Юрьевна

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

СРЕДСТВА СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗА СИСТЕМ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ТРЕНАЖЕРОВ ОПЕРАТОРОВ ЭНЕРГОСИСТЕМ

Специальность 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (энергетика)

Оригинал-макет подготовлен в редакционном отделе Издательского центра СурГУ в авторской редакции

Подписано в печать12.05.2004 г. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,4. Уч.-изд. л. 1,2. Печать трафаретная. Тираж 100 экз. Заказ № 55.

Отпечатано полиграфическим отделом Издательского центра СурГУ г. Сургут, ул. Лермонтова, 5. Тел. (3462) 32-33-06.

Сургутский государственный университет - ХМАО. 626400, Россия, Тюменская обл., Ханты-Мансийский автономный округ, г. Сургут, ул. Энергетиков, 14. Тел. (3462) 52-47-00. Факс (3462) 52-47-29.

Список сокращений.

Введение.

Глава 1. Задачи структурно-параметрического синтеза систем обработки информации при создании тренажеров операторов энергосистем.

1.1. Задачи создания тренажеров операторов энергосистем.

1.2. Постановка задачи структурно-параметрического синтеза систем обработки информации в составе тренажеров.

1.3. Методы и средства формализованного описания сложных систем.

Выводы по главе 1.

Глава 2. Аппаратные Е-сети - как средство формального описания микропроцессорных систем.

2.1. Микропроцессорные системы - как объекты модельного исследования.

2.2. Аппаратные Е-сети.

Выводы по главе 2.

Глава 3. АЕ-сетевое моделирование микропроцессорных систем.

3.1. Метод АЕ-сетевого моделирования микропроцессорных систем.

3.2. Методика создания АЕ-сетевых моделей компонентов микропроцессорных систем.

3.3. Сравнительный анализ систем Е-сетевого имитационного моделирования.

3.4. Принципы организации автоматизированной среды имитационного моделирования микропроцессорных систем.

Выводы по главе 3.

Глава 4. Апробация метода АЕ-сетевого моделирования МПС в качестве средства структурно-параметрического синтеза систем обработки информации тренажера оператора энергосистем.

4.1. Выбор микропроцессорной системы обработки информации в структуре тренажера для модельного исследования.

4.2. Структурно-параметрический синтез микропроцессорной системы обработки информации.

4.3. Модельная верификация аппаратного и программного обеспечения микропроцессорной системы обработки информации.

Выводы по главе 4.

Актуальность темы

В настоящее время происходит все большее усложнение технологических процессов. Для обеспечения их успешного, безаварийного протекания необходимы системы управления, которые, в подавляющем большинстве, являются автоматизированными. Современное состояние развития данных систем не позволяет отказаться от использования в контуре управления человека. Для человеко-машинных (эргатических) систем характерны высокая функциональная гибкость и адаптируемость к возникающим в процессе управления ситуациям. Вместе с тем, присутствие человека в контуре управления вносит субъективизм в оценку состояния объекта. Это может привести к выработке ошибочного управляющего воздействия либо к запоздалому формированию требуемого воздействия, которое становится равносильно ошибочному. Такое развитие событий может способствовать переходу объекта управления в нештатные режимы и выходу его из-под контроля. В особенности это актуально для таких удаленных объектов управления как космические аппараты вследствие невозможности обеспечения доступа к ним для устранения сбоев. При этом увеличивается опасность потери контроля над данными объектами, что влечет за собой крупные экономические убытки.

Бортовая система энергопитания космического аппарата является одной из ключевых подсистем обеспечения его живучести и выполнения целевой задачи. В управлении бортовой системой энергопитания участвуют бортовой и наземный комплексы управления. Бортовой комплекс осуществляет управление системой энергопитания в штатных режимах эксплуатации. Наземный комплекс, производит непрерывный контроль состояния системы энергопитания и, обладая большими интеллектуальными и вычислительными ресурсами, принимает участие в прогнозировании и 7 выводе системы из предаварийных и аварийных ситуаций. Отмеченные задачи обуславливают необходимость тщательной подготовки наземных комплексов управления к выполнению возложенных на них задач. В структуру наземных комплексов включаются информационно-измерительные системы и центры управления полетами, обслуживаемые оперативным персоналом. Операторы осуществляют непрерывный дублирующий контроль состояния определенных подсистем космического аппарата.

Эффективность и качество управления бортовыми системами энергопитания в значительной степени определяются квалификацией операторов. В связи с этим необходимо обеспечить требуемый уровень их подготовки. В настоящее время в деле подготовки операторов значительное внимание уделяется их обучению на тренажерных комплексах. Современные тренажеры позволяют осуществить подготовку операторов с отработкой их действий в штатных и нештатных ситуациях. Наиболее результативно обучение проходит при использовании полномасштабных тренажеров, так как в них повторяются конфигурации реальных пультов управления [55,56]. В ходе тренировок операторы анализируют поступающую к ним информацию, соответствующую реальной.

Особую актуальность данная задача приобретает при обучении операторов и переводе наземных комплексов на управление новыми типами космических аппаратов. Значительный объем данных мероприятий проводится до ввода космического аппарата в эксплуатацию, поскольку системы управления должны быть обучены управлению новым объектом.

Вследствие сложности космического аппарата традиционно при подготовке операторов и создании программного обеспечения наземных комплексов управления используется большое количество стендовых испытаний, натурных и полунатурных экспериментов. В процессе их проведения космический аппарат или его подсистемы вводятся в определенные режимы, в ходе которых оценивается управляемость подсистемами и возможность 8 выполнения аппаратом целевой задачи. Существенные различия физических условий реальной эксплуатации космического аппарата и условий наземных стендовых испытаний не позволяют провести полномасштабное обучение операторов и верификацию алгоритмов работы наземных комплексов управления. Поэтому в процессе тренажирования и, особенно на данном этапе, широко используются средства математического моделирования и имитации функционирования подсистем космического аппарата.

Основными компонентами полномасштабного тренажера являются вычислительный комплекс, осуществляющий имитацию функционирования подсистем космического аппарата, и наземный управляющий комплекс, включающий пульты управления, полностью соответствующие рабочим местам оперативного персонала.

Поскольку необходима поверка всего тракта обработки отчетной информации о состоянии подсистем космического аппарата и комплексная верификация алгоритмического обеспечения наземных комплексов управления, то возникает задача преобразования модельной информации в телеметрический сигнал, по форме и параметрам полностью соответствующий реальному. Требование обеспечения возможности разноформатности и многорежимности трансляции телеметрической информации обуславливает необходимость создания специальных средств обработки модельной информации и сопряжения моделирующего вычислительного комплекса с аппаратурой наземных комплексов управления полетом.

При реализации средств подобного рода широко используется микропроцессорная техника. Внедрение микропроцессорных устройств в состав систем обработки информации, контроля и управления расширяет функциональные возможности данных систем.

Усложнение задач тренажирования и увеличение объема обрабатываемой тренажером информации приводит к тому, что микропроцессорные устройства сопряжения сами становятся сложными 9 системами. Традиционный процесс синтеза микропроцессорных систем (МПС) основывается преимущественно на опыте проектанта, поэтому велико количество решений, принимаемых на интуитивном уровне. Зачастую сложно произвести сравнительный анализ альтернативных вариантов проектируемой системы.

Корректность реализации функций, возложенных на микропроцессорную систему обработки информации, зависит от структуры ее аппаратной и программной конфигурации, причем характерной чертой ' всех МПС является тесная взаимозависимость аппаратного и программного обеспечений. Значительные трудности вызывает процесс взаимной отладки аппаратного и программного обеспечения данных систем. Для оценки динамической картины 4 функционирования микропроцессорных систем и полноты реализуемых ими функций традиционно используется большое количество натурных и полунатурных экспериментов, в ходе которых не всегда удается обеспечить полноценную отработку всех возможных ситуаций поведения системы, в особенности в аварийных и нештатных ситуациях. Кроме того, достаточно сложны процедуры диагностики ошибок, поскольку процессы протекают в реальном времени.

Существенно облегчает и ускоряет процесс создания МПС применение различных систем автоматизированного проектирования [43,46,80,81,86,91], однако они не позволяют в полной мере оценить работоспособность составляющих МПС обеспечений и связать их воедино. В системах эмуляции, предназначенных для отладки программного обеспечения, априори предполагается, что в конфигурации аппаратного обеспечения системы нет ошибок [40]. В этой ситуации осуществить комплексный процесс проектирования, тестирования и отладки возможно только с применением специальных средств математического моделирования. Применение моделирования значительно снижает материальные и временные затраты при синтезе и отладке систем, позволяя оценить адекватность проектных решений до их реализации.

Данные обстоятельства являются предпосылкой создания специализированных методов и средств модельного описания и исследования МПС. Существующие средства, моделирования МПС не позволяют в полной мере проводить совместную комплексную верификацию их аппаратного и программного обеспечений. Способ решения данной задачи представлен в настоящей диссертационной работе.

В настоящее время доказана высокая эффективность исследования сложных систем при помощи средств имитационного моделирования [90]. В силу специфики структурной организации и принципов функционирования, МПС хорошо описываются сетевыми аппаратами имитационного моделирования. Разработан ряд таких аппаратов [47,75], каждый из которых ориентирован на решение широкого круга задач. В силу их избыточности для решения определенных специфических задач были разработаны различные расширения [11,12,51,108,111,112,113,114,118,119]. Среди наиболее удобных математических аппаратов, используемых для моделирования процессов, протекающих в вычислительных системах, являются аппаратные сети Петри (APN) и Е-сети (EN). Они позволяют:

- описывать разнородные процессы;

- отражать их временные характеристики;

- описывать параллелизм протекания событий.

В то же время данные формальные аппараты обладают рядом ограничений, которые усложняют модельное описание и затрудняют адекватное отображение процесса функционирования вычислительных систем. В частности, это характерно для описания процессов хранения, чтения и перезаписи информации в данных системах. Процедура чтения информации из некоторого ресурса МПС организуется по способу копирования, т.е. исходная информация из ресурса-источника не удаляется.

Однако, в APN и EN перенос информации из одного ресурса системы в другой моделируется движением фишек по сети, при этом из источника информация изымается. Для обеспечения возможности многократного извлечения информации необходимо организовать тракты восстановления информации в ресурсе-источнике. Аналогичные трудности возникают и при моделировании процессов перезаписи информации, поскольку перед записью новой информации в ресурс необходимо изъять из него предыдущую информацию. В реальных же системах запись новой информации происходит с замещением прежней.

Для устранения присущих APN и EN ограничений в работе предложено новое расширение математического аппарата Е-сетевого имитационного моделирования - аппаратные Е-сети (АЕ-сети), - которые являются развитием данных аппаратов. Возможности предложенного математического аппарата в полной мере позволяет раскрыть представленный в данной диссертационной работе метод АЕ-сетевого моделирования МПС.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является разработка средств структурно-параметрического синтеза систем обработки информации, позволяющих на модельном уровне непротиворечиво описывать структуру и функциональные характеристики аппаратного и программного обеспечения данных систем, с учетом длительности протекания и динамики развития внутрисистемных процессов и в рамках единой модели производить комплексное исследование их функционирования. В работе требовалось решить следующие задачи: разработать средства структурно-параметрического синтеза систем обработки информации тренажеров операторов энергосистем; выбрать математический аппарат имитационного моделирования для описания аппаратной структуры микропроцессорных систем и протекающих в них процессов обработки информации. разработать метод моделирования микропроцессорных систем, позволяющий представлять, с требуемым уровнем детализации, конфигурацию аппаратного обеспечения данных систем, осуществлять исполнение модели под управлением целевого программного обеспечения и проводить верификацию аппаратного и программного обеспечения. произвести апробацию возможности использования предложенного метода в качестве способа реализации структурно-параметрического синтеза системы обработки информации, входящей в состав тренажера операторов энергосистем.

Методы исследований

Для решения поставленных задач в диссертационной работе применены методы сетевого имитационного моделирования, теории аппаратных сетей Петри, Е-сетей, АЕ-сетей, использованы положения теории планирования экспериментов, теории систем, структурного программирования. Проверка предложенных в работе теоретических положений и метода проводилась экспериментально.

Научная новизна работы

1. Разработано новое расширение формального аппарата Е-сетевого имитационного моделирования — АЕ-сети, позволяющие непротиворечиво представлять структуру микропроцессорных систем и отражать протекающие в них процессы передачи и обработки информации

2. Разработан метод АЕ-сетевого моделирования МПС, позволяющий представлять, с требуемым уровнем детализации, конфигурацию аппаратного обеспечения данных систем и в рамках единой модели описывать его взаимодействие с программным обеспечением, организовать выполнение модели под управлением целевых программ и выявлять ошибки в аппаратном и программном обеспечении.

3. Показана возможность сопряжения модели МПС с программным обеспечением, а также доказана возможность выполнения программ моделью. Разработаны принципы данного сопряжения.

4. Разработана методика создания > АЕ-сетевых моделей компонентов микропроцессорных систем.

5. Предложено, для организации структурно-параметрического синтеза систем обработки информации, использовать математический аппарат АЕ-сетей и метод АЕ-сетевого моделирования МПС, позволяющие выбрать требуемую конфигурацию аппаратного и программного обеспечений.

Положения, представляемые к защите

1. Формальный аппарат АЕ-сетевого имитационного моделирования, структурные и функциональные возможности которого позволяют описывать компоненты микропроцессорных систем, а также отражать происходящие в них процессы передачи и обработки информации.

2. Метод АЕ-сетевого моделирования МПС позволяющий в рамках единой модели, с учетом временных характеристик событий, описывать взаимодействие и проводить верификацию аппаратного и программного обеспечения данных систем.

3. Методика создания АЕ-сетевых моделей компонентов МПС, учитывающая характерные особенности цифровых и микропроцессорных устройств.

Практическая ценность работы

1. Разработанный аппарат АЕ-сетевого имитационного моделирования позволяет создавать менее избыточные модели вычислительных систем, по сравнению с моделями, представленными Е-сетями.

2. Разработанный метод АЕ-сетевого моделирования МПС позволяет производить структурный и параметрический синтез аппаратного и программного обеспечения МПС, осуществляя на модельном уровне их стыковку и взаимную отладку.

3. Создана библиотека АЕ-сетевых моделей компонентов микропроцессорных систем, включающая модели микропроцессоров, программируемых интерфейсных контроллеров и схем малой степени интеграции, используемых при создании АЕ-сетевых моделей проектируемых микропроцессорных устройств.

Реализация результатов работы

Разработанный математический аппарат АЕ-сетевого имитационного моделирования и предложенный метод АЕ-сетевого моделирования МПС использованы в Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно-производственный центр «Полюс»» (г. Томск) в процессе создания системы обработки отчетной информации. Кроме того, математический аппарат и метод используется в учебном процессе в Сургутском государственном университете, при проведении лабораторного практикума и курсового проектирования по дисциплине «Моделирование систем». Акты о внедрении результатов кандидатской диссертационной работы приведены в Приложении 1.

Апробация результатов диссертационной работы

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- Всероссийской научной конференции «Северный регион: экономика и социокультурная динамика» (Сургут, 2000),

- Третьей окружной конференции молодых ученых ХМАО (Сургут, 2002),

- Девятой международной открытой научной конференции (Воронеж, 2004),

- Научных семинарах кафедры Автоматики и компьютерных систем Сургутского государственного университета.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 7 статей [13,32,33,35,36,37,96] и тезисы 3-х докладов [34,38,39].

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 157 страницах машинописного текста, включает 22. рисунка, 5 таблиц, а также содержит список использованной литературы, включающий 119 наименований и 21 приложение. Общий объем работы -192 страницы.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4

1. Предложено использовать в качестве объекта исследований для апробации метода моделирования микропроцессорных систем в задачах структурно-параметрического синтеза систем обработки информации тренажеров операторов энергосистем микропроцессорный телеметрический адаптер, предназначенный для сопряжения вычислительного комплекса моделирования и имитации с пультами операторов, управляющих бортовыми системами энергопитания космических аппаратов.

2. Предложено 6 вариантов организации исследуемой системы обработки информации с целью выбора варианта, обладающего наибольшим быстродействием и вносящего минимальную дополнительную задержку в суммарную величину времени распространения отклика тренажера на управляющие воздействия оператора.

3. Выявлено, в результате сравнительного анализа отчетной информации, полученной в ходе модельных экспериментов, что наиболее полно удовлетворяет требованиям, предъявленным к исследуемой системе, вариант ее организации с двухбанковым оперативным запоминающим устройством межпроцессорного обмена, емкостью по одному кадру отчетной информации.

4. Показано, что метод АЕ-сетевого моделирования микропроцессорных систем может быть использован для модельной верификации аппаратного и программного обеспечения микропроцессорных систем и предложена методика ее проведения.

5. Доказано, что возможности математического аппарата АЕ-сетей и метода АЕ-сетевого моделирования микропроцессорных систем позволяют осуществить структурно-параметрический синтез и модельную верификацию аппаратного и программного обеспечения систем данного класса с единых методологических позиций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе для решения задач структурно-параметрического синтеза микропроцессорных систем обработки информации, входящих в состав тренажеров операторов энергосистем предложены: формальный аппарат АЕ-сетевого имитационного моделирования и метод АЕ-сетевого моделирования микропроцессорных систем. При этом получены следующие основные научные и практические результаты работы.:

1. На основании анализа тенденций развития тренажеров операторов бортовых систем энергопитания и причин возникновения внештатных и аварийных ситуаций определена актуальность задачи создания и развития полномасштабных тренажеров, и обоснована необходимость внедрения в их состав микропроцессорных систем обработки информации.

2. Определены роль и место МПС в архитектуре средств сопряжения вычислительного ядра полномасштабных тренажеров с аппаратурой пультов управления и сформулирована задача моделирования структуры и верификации программно-алгоритмического обеспечения микропроцессорных систем обработки информации.

3. Для адекватного модельного представления микропроцессорных систем, с учетом особенностей режимов обработки и передачи информации впервые предложен математический аппарат АЕ-сетей, являющийся новым расширением Е-сетей, разработан базовый набор элементарных АЕ-сетей и определены правила их выполнения.

4. Разработана методика создания моделей компонентов аппаратного обеспечения микропроцессорных систем, в соответствии с которой созданы более 100 АЕ-сетевых моделей интегральных микросхем различной степени интеграции, в том числе и модели микропроцессоров.

5. Разработан новый метод АЕ-сетевого моделирования МПС, который позволяет создавать модели микропроцессорных систем с необходимым уровнем детализации, ввести в них механизмы поиска ошибок, осуществить сопряжение модели с целевым программным обеспечением и организовать выполнение модели под управлением данного ПО, провести верификацию аппаратного и программного обеспечений системы.

6. Метод обеспечивает организацию структурно-параметрического синтеза микропроцессорных систем и отладку их целевого программного обеспечения на модели аппаратного обеспечения, а так же обладает возможностью мониторинга конфликтных и аварийных ситуаций в моделируемой системе

7. Предложены принципы и структура организации автоматизированной среды моделирования микропроцессорных систем.

8. Проведена апробация метода АЕ-сетевого моделирования микропроцессорных систем на примере создания и исследования модели телеметрического адаптера, представляющего собой специализированное устройство сопряжения вычислительного ядра тренажера с пультами операторов, в ходе которой подтверждена достоверность научных положений предложенного аппарата АЕ-сетей и разработанного метода.

Результаты диссертационной работы внедрены в Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно-производственный центр «Полюс»» (г. Томск) в процессе создания системы обработки отчетной информации и в учебный процесс в Сургутском государственном университете, при проведении лабораторного практикума и курсового проектирования по дисциплине «Моделирование систем», что подтверждено актами внедрения. Предложенный математический аппарат и метод исследования носят принципиально новый характер, отражают особенности функционирования микропроцессорных систем и позволяют отладить целевое программное обеспечение на модели аппаратного обеспечения, сокращая при этом временные и материальные затраты на их создание. Для реализации всех преимуществ математического аппарата АЕ-сетей требуется дальнейшая работа по созданию системы АЕ-сетевого имитационного моделирования, а так же автоматизированной среды моделирования микропроцессорных систем, принципы и структура организации которой описана в данной диссертационной работе

Результаты диссертации могут быть использованы при проектировании и анализе, как микропроцессорных систем, так и любых других устройств цифровой техники. Предложенный метод может быть внедрен в процесс профессионального обучения специалистов соответствующего профиля.

1. Альянах, И.Н. Моделирование вычислительных систем / И. Н. Альянах. Л.: Машиностроение, 1988. - 223 с.

2. Армстронг, Дж. Р. Моделирование цифровых систем на языке VHDL / Дж. Р. Армстронг Пер. с англ./ М.: Мир, 1992. 172 с.

3. Бенькович, Е. С. Практическое моделирование динамических систем / Е.С. Бенькович, Ю. Б. Колесов, Ю. Б. Сениченков. СПб.: БХВ

4. Петербург, 2002. 464 е.: ил.

5. Бибило, П. Н. Основы языка VHDL. Серия системы проектирования / П. Н. Бибило. 2-е изд., доп. - М.: Солон-Р, 2002. - 200 с.

6. Бибило, П. Н. Синтез логических схем с использованием языка VHDL. Серия ситемы проектирования / П. Н. Бибило. М.: СОЛОН-Р, 2002. -283 с.

7. Боборыкин, А. В. Однокристальные микроЭВМ: Справочник / А. В. ^ Боборыкин, Г. П. Липовецкий, Г. В. Литвинский и др. М.: МИКАП,1994.-400 с.

8. Бородин, В. Б. Микроконтроллеры: Справочник / В. Б. Бородин, И. И. Шагурин. М.: ЭКОМ, 1999. - 395 с.

9. Бусленко, Н. П. Моделирование вычислительных систем / В. Н. Бусленко. Л.: Машиностроение, 1988. - 223 с.

10. Васильев В. В. Сети Петри и моделирование асинхронных процессов ввычислительных устройствах // Докл. АН УССР. Сер. А / В. В. Васильев, В. В. Кузьмук, Е. Б. Лисицин. 1987. - №2. - с. 72 - 76.

11. Гришмановский, П. В. Предикатно-матричные сети в задачах анализа и синтеза систем управления: Дис. на соиск. уч. степени к.т.н. / П. В. Гришмановский. Томск. - 2000. - 148 с.

12. Гультяев, А. К. Имитационное моделирование в среде Windows: Практическое пособие / А. К. Гультяев. СПб.: КОРОНА принт, 1999. -288 с.л 15. Диалоговая система имитационного моделирования ДСИМ. Описаниеприменения. ПБА. 10201-01 31 01. М.: МИЭТ, 1985.

13. Диалоговая система имитационного моделирования ДСИМ. Руководство системного программиста. ПБА. 10201-01 32 01. М.: МИЭТ, 1985.

14. Диалоговая система имитационного моделирования ДСИМ. Руководство программиста. ПБА. 10201-01 33 01. М.: МИЭТ, 1985.

15. Диалоговая система имитационного моделирования ДСИМ. Описание ^ языка. ПБА. 10201-01 35 01. М.: МИЭТ, 1985.

16. Дмитриев, А. К. Основы теории построения и контроля сложных систем / А. К. Дмитриев, П. А. Мальцев Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние , 1988. - 192 с.

17. Дмитриева, Е. А. Объектно-ориентированная среда Е-сетевого моделирования бортовых комплексов управления / Е. А. Дмитриева / дис. на соиск. уч. степени к.т.н., Томск, ТПУ. 1992.

18. Дмитриева, Е. А. Система Е-сетевого имитационного моделирования EVA: Методические указания к выполнению лабораторных работ покурсу «Моделирование и анализ сложных систем» / Е. А. Дмитриева.

19. Томск: Изд-во ТПУ, 1992. 30 с.

20. Древе, Ю. Г. Моделирование систем: Учебное пособие / Ю. Г. Древе. -Сургут: Изд-во СурГУ, 2001. 71 с.

21. Запевалов, А. В. Разработка и исследование метода моделирования и имитации сложных управляемых динамических реконфигурируемых систем / А. В. Запевалов / дис. на соиск. уч. степени к.т.н., Томск, ТПУ. 1995.