автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Структуры и организация памяти для систем отображения информации в АСУТП

ВВВДЕНИЕ.

I. АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ СИСТЕМ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ АСУТП

1.1. Основные требования к системам отображения информации для АСУТП.Ю

1.2. Требования к изображениям в АСУТП с учетом возможностей человека.

1.3. Характеристики устройств отображения информации и методы формирования'изображения на экране УОИ

1.4. Методы описания изображений в системах отображения информации для АСУТП.

1.5. Архитектура СОИ для АСУТП. Постановка задачи исследования

Выводы по главе.

П. АНАЛИЗ СТРУКТУР ДИСПЛЕЙНЫХ ФАЙЛОВ.

2.1. Подход к организации структуры дисплейного файла.

2.2. Оценка характеристик дисплейного файла при сегментации по неупорядоченным образующим.

2.3. Оценка характеристик дисплейного файла при сегментации по упорядоченным образующим

2.4. Структура описания образующей

2.5. Структура дисплейного файла.

Выводы по главе.

Ш. ИССЛЕДОВАНИЕ ОРГАНИЗАЦИИ ПАМЯТИ УСТРОЙСТВ ОТОБРАЖЕНИЯ

ИНФОРМАЦИИ.

3.1. Функциональные схемы преобразования дисплейного файла в видеосигнал.

3.2. Анализ структур дисплейных файлов для описания динамической части изображения.

3.3. Оценка структуры элемента управления загрузкой памяти устройства отображения информации.

3.4. Организация памяти устройства отображения информации.

3.5. Общая структура устройства отображения информации

Выводы по главе.ИЗ

1У. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУР ОРГАНИЗАЦИИ ПАМЯТИ УОИ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ В СОИ АСУТП. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ УОИ.

4.1. Особенности описания графической информации на уровне дисплейного файла

4.2. Преобразование дисплейного файла в матричное описание при отображении графической информации.

4.3. Методы повышения качества отображения графической информации на растре.

4.4. Структура модуля отображения графической информации в СОИ АСУТП.

4.5. Примеры технической реализации УОИ.

Выводы по главе.

Современное состояние производства характеризуется большой сложностью технологических операций, высокой скоростью технологических процессов и, как следствие, высокими требованиями к точности и быстродействию контроля и управления. Это диктует необходимость автоматизированного управления /67, 88, 114/. В материалах ХХУ1 съезда, в постановлении ЦК КПСС и Совета Министров о мерах по ускорению научно-технического прогресса в народном хозяйстве и других документах партии и правительства подчеркивается о необходимости дальнейшего развития и повышения эффективности сети автоматизированных систем управления, совершенствования вычислительной техники и средств обработки информации с применением модульного принципа построения. Для координации работ в направлении автоматизации технологических процессов постановлением ГКНТ и Госплана СССР № 473/249 от 12.12.80 г. утверждена программа 0Ц.026 "Автоматизация управления технологическими процессами, производствами, станками и оборудованием с использованием мини-и микроЭВМ". Одним из разделов программы является создание методологии проектирования систем отображения информации (СОИ) в АСУТП с непрерывным характером производства для решения задач управления технологическим процессом в реальном времени на базе видеотерминалов.

Автоматизированное управление невозможно без участия человека, ибо только он может давать оценку всех состояний технологического процесса и выполнять функции, которые не в состоянии выполнять ЭВМ. При этом выполнение оператором своих обязанностей может быть обеспечено только с помощью средств, основой которых является вычислительная техника /95/.

Развитие средств вычислительной техники привело к созданию систем автоматизированного управления на базе ЭВМ и разработке специализированных управляющих вычислительных комплексов (УВК).

Неуклонное повышение централизации управления производством связано с появлением новых средств вычислительной техники. Однако^ связи с низкой надежностью и ограниченной гибкостью централизованных систем, сложностью их программного обеспечения, а также серийным выпуском микропроцессоров и микро-ЭВМ,наметилась тенденция к децентрализации автоматизированного управления технологическими процессами /47, 90/.

Если в централизованных системах в задачу ЭВМ входит, наряду с централизованным контролем, обработка первичной информации, то в распределенных системах управления класс задач по первичной обработке распределяется между отдельными ЭВМ (обычно микро-ЭВМ). Системы с распределенным управлением дают выигрыш в надежности системы за счет увеличения обеспечивающих технических средств.

Технические структуры как централизованных, так и децентрализованных систем управления необходимо рассматривать двояко. С позиции конкретного технологического процесса и с точки зрения наличия в них общих технических средств, к которым относятся мини-ЭВМ для централизованной АСУТП и ряда микро-ЭВМ для децентрализованной АСУТП. Общими техническими средствами структур систем управления являются также источники информации, исполнительные механизмы, устройства управления, а также устройства отображения оперативной информации (УОИ).

Оперативная информация ,с точки зрения воздействия на технологический объект управления в АСУТП»является наиболее важной. Объем оперативной информации, необходимый оператору для управления технологическими процессами,в настоящее время стал очень велик и поэтому традиционные устройства отображения информации, которые использовались на начальных этапах развития централизованного контроля и управления (регистрирующие приборы, табло, мнемощиты и т.п.) перестали удовлетворять потребностям управления /84/. В систему управления потребовалось включать специализированные системы отображения информации, задачами которых является такое представление информации оператору, которое обеспечивало бы оперативность, высокую помехоустойчивость, надежность восприятия информации и наибольший комфорт оператору /86/. Эти задачи будут в полной мере решены, если информация, представляемая оператору в СОИ,будет отображаться в удобном виде, т.е. способы и вид ее представления будут согласованы с физиологическими и психологическими возможностями человека. С другой стороны, технической основой АСУТП является мини-и микроЭВМ, и поэтому СОИ не должна требовать значительных ресурсов от управляющей машины. Обмен между УОИ и управляющей ЭВМ должен занимать минимальное время при заданном объеме и скорости вывода отображаемой информации.

Технической основой таких СОИ могут быть видеотерминалы типа дисплеев для отображения алфавитно-цифровой информации /44/ и УОИ универсальные, позволяющие получать на экране статические и динамические картины технологических процессов. Однако,в связи с рядом особенностей, к которым относятся возможности отображения только алфавитно-цифровой информации для алфавитно-цифровых дисплеев и сложное программное обеспечение для универсальных, они не пригодны для СОИ в АСУТП,работающей в реальном времени. Необходимо отметить! что существующие дисплеи таких типов не могут широко применяться в СОИ АСУТП. Дисплеи, предназначенные для использования их в СОИ АСУТП пока специально не разрабатывались. Между тем, современное развитие АСУТП требует разработки и использования видеотерминалов, рассчитанных на конкретных пользователей /19/.

Управление технологическими процессами происходит по цепочке оператор - СОИ - технологический процесс. При этом,основной задачей в этой системе является вооружение оператора наилучшими техническими средствами, позволяющими оперативно принимать и реализовы-вать решения, что требует специальной разработки УОИ.

Таким образом, СОИ является необходимым звеном любой АСУТП, в котором связь ЭВМ с УОИ осуществляется на уровне интерфейса с помощью дисплейных файлов, организация которых влияет на основные параметры и структуру УОИ, а также реализацию памяти. СОИ должна обеспечить оперативность, наглядность, легкую воспринимаемость информации, реально отображать динамику технологического процесса и одновременно минимально нагружать ЭВМ.

Для обеспечения работы СОИ в реальном времени необходимо уменьшить время формирования изображений. Обеспечение комфорта восприятия информации пользователем связано с повышением качества отображаемой информации, которое можно достичь с помощью универсальных растровых УОИ. Однако,это требует большого объема памяти УОИ, что, в свою очередь, приводит к росту времени программирования изображений и требует больших ресурсов ЭВМ. Следовательно, необходимо разрабатывать структуры памяти УОИ, которые позволили бы улучшить качество и уменьшить время формирования изображений.

ЦЕЛЬЮ НАСТОЯЩЕЙ РАБОТЫ является разработка и исследование структур и организации памяти для систем отображения информации в АСУТП.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ:

- исследование методов реализации памяти, позволяющих на базе УОИ строить СОИ, работающие в АСУТП реального времени, с временем синтеза и формирования изображений,согласованным с возможностями восприятия информации человеком и быстродействием протекания технологического процесса;

- организации структур памяти, позволяющих реализовать модульный принцип построения УОИ;

- методов повышения качества формирования изображений графической информации на телевизионном растре;

- провести исследование структур дисплейных файлов на уровне — интерфейса,с целью уменьшения приходящейся на него нагрузки и уменьшения времени трансформации изображений. АУЧНУЮ НОВИЗНУ РАБОТЫ СОСТАВЛЯЮТ: подход к организации дисплейного файла, основанный на объединении в сегмент образующих, мало отличающихся друг от друга по одному или нескольким параметрам; метод анализа структур дисплейных файлов при сегментации по не-порядоченным и упорядоченным образующим при одноуровневой и ,вухуровневой сегментации; общая структура УОИ на основе типовых модулей памяти; метод повышения качества отображаемой графической информации. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ.

Разработаны описания различных классов изображений и структу->ы дисплейных файлов, позволяющие программировать изображения с 1инимальными затратами и уменьшить время формирования изображений, [риведены практические рекомендации по структурам организации памя-"и УОИ. Предложен метод формирования изображений, позволяющий ис-юльзовать его для любых матричных экранов.Реализация предложенно-'о способа повышения качества графической информации позволяет фиблизить качество отображаемых кривых при растровом способе к векторному. Приведены оценки снижения нагрузки на интерфейс и повышения быстродействия программирования изображений.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения системы отображе-шя информации в Управлении Транссибирскими магистральными нефте-¡роводами составляет 96,8 тысяч рублей, Управлении магистральных 1ефтепроводов Центральной Сибири 48,5 тысяч рублей и в АСУТП химической технологии - 20 тысяч рублей в год.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приводится анализ СОИ АСУТП, рассматриваются гребования к СОИ для АСУТП, требования к изображениям, с учетом возможностей человека, приводятся характеристики устройств отобра-кения информации, методы формирования изображений на экране УОИ, а гакже методы описания изображений в СОИ для АСУТП. На основе требований и методов описания изображений приводится совокупность функций, средств реализации и характеристик архитектуры СОИ.

Во второй главе анализируются структуры дисплейных файлов, приводятся оценки характеристик дисплейного файла при сегментации по неупорядоченным и упорядоченным образующим. На основе анализа структур дисплейных файлов уточняется структура описания образующей применительно к описанию изображений в АСУТП, рассматривается окончательная структура дисплейных файлов с учетом организации описания изображения и организации памяти ЭВМ.

Третья глава посвящена исследованию организации памяти УОИ. При этом рассматриваются функциональные схемы преобразования дисплейного файла в видеосигнал, анализируются структуры дисплейных файлов для описания динамической части изображения, дается оценка структуры элемента управления загрузкой памяти УОИ, рассматривается организация памяти УОИ и общая структура УОИ.

В четвертой главе излагаются особенности описания графической информации на уровне дисплейного файла, рассматривается преобразование дисплейного файла в матричное описание при отображении графической информации, описываются методы повышения качества отображаемой графической информации на растре, предлагается структура модуля отображения графической информации в СОИ АСУТП, приводятся экспериментальные данные по технической реализации УОИ.

• I. АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ СИСТЕМ ОТОБРАЖЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ АСУ ТП

Выводы по главе

Анализ особенностей отображения графической информации показал, что на уровне дисплейного файла необходимо иметь полное описание кривой. Это позволяет получать изображения кривых с минимальными искажениями при Трансформациях. Показано, что структура элементов описания 5 ,Д , £ и М дисплейного файла определяет возможности УОИ по трансформациям изображений и структуру контроллера модуля отображения графической информации, а структура растра на экране УОИ - качество формируемых изображений.

Разработанные структуры дисплейных файлов совместно с предложенными схемами контроллера позволяют преобразовывать дисплейный файл в координатное описание и формировать изображения с большой точностью.

Для получения качественных графических изображений предложен метод преобразования координатного описания в видеосигнал. Метод состоит в применении дополнительной адресации и позволяет без увеличения числа точек в телевизионной строке и числа строк получать плавные изображения кривых. Улучшение качества кривой происходит за счет уточнения координат образующих. Применение рассмотренного метода при формировании изображений кривых позволяет приблизить растровые УОИ по своим характеристикам к векторным.

Приведена структура модуля для отображения графической информации. Показаны отличия модуля отображения графической информации от модулей для отображения алфавитно-цифровой и мнемосимвольной информации. Дана оценка объема памяти модуля отображения графической информации по сравнению с модулями алфавитно-цифровой и мнемосимвольной информации. Увеличение объема модуля графической информации оправдано снижениеп нагрузки на интерфейс и снижением времени формирования графических изображений за счет избирательного пере--программирования.

Приведены примеры технической реализации памяти УОИ цветного графического дисплея, плата дисплейного процессора для микро-ЭВМ "Электроника-бО", их общий вид и видеограммы реального технологического процесса, полученные с помощью разработанных устройств.

151 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация посвящена решению вопросов, связанных с исследованием структур и организации памяти для систем отображения информации в АСУТП при формировании различных классов отображения информации. При решении этих вопросов были получены следующие основные результаты:

1. На основе сформулированных требований к изображениям с учетом психофизиологических возможностей человека, а также методов описания изображений на разных уровнях СОИ приведена совокупность функций, методов описания изображений, средств реализации и характеристик архитектуры СОИ для АСУТП. На основе анализа характеристик СОИ сформулированы задачи исследования, которые сводятся к построению таких описаний изображений на уровне интерфейса и к выбору такой структуры памяти УОИ, которые позволили повысить быстродействие и качество формируемых изображений.

2. Предложен подход к организации дисплейного файла, основанный на объединении в сегмент образующих, мало отличающихся друг от друга по одному или нескольким параметрам. В качестве меры близости для образующих выбрано расстояние, вычисленное по соответствующему параметру или параметрам. Определены области применения различных структур дисплейных файлов. Показано, что структуры дисплейных файлов при одноуровневой и двухуровневой сегментации по упорядоченным образующим эффективны при формировании статических изображений. Для динамических изображений применение второго уровня сегментации невыгодно из-за повышенной сложности реализации программного обеспечения. Проведенный анализ структур дисплейных файлов при сегментации по неупорядоченным и упорядоченным образующим при одноуровневой и двухуровневой сегментации, а также для связных изображений показал, что при сегментации по неупорядоченным образующим возможно получить сокращение требуемого объема памяти по сравнению с координатным описанием примерно в 1,2 - 1,6 раза. На основе анализа структур дисплейных файлов, в которых учитывается связность изображений,показано, что возможно снижение требуемого объема памяти ЭВМ для таких изображений как тексты, таблицы в 2 - 3 раза и в 5 - 15 раз для изображений мнемосхем и графиков.

3. Показано, что общая структура УОИ реализуется на базе типовых модулей памяти, имеющих общую входную и выходную шины данных и позволяющих гибко определять архитектуру технических средств СОИ. Показано, что структура каждого модуля УОИ при реализации должна быть согласована со структурой описания соответствующего класса изображения. При этом выделены три типа основных модулей УОИ в СОИ АСУТП - модуль для отображения алфавитно-цифровой информации, мнемосимвольной и графической.

На основе анализа функциональных схем преобразования дисплейного файла в координатное, а затем матричное описание определен перечень базовых команд контроллера УОИ.

Приведены оценки времени программирования изображения на экране УОИ, которые определяются длиной описания изображения и временем цикла используемых элементов памяти. Предложенные структуры организации памяти позволили уменьшить время программирования изображений в (1,5 - 2) раза.

Рассмотрены две реализации модулей отображения информации, позволяющих формировать алфавитно-цифровые и мнемосимвольные изображения на базе мини-ЭВМ СМ-2 и микро-ЭВМ "Электроника-60".

4. Рассмотрены особенности описания и отображения графической информации, связанные с отображением динамики процесса и с повышенными требованиями к качеству изображений. Предлагаются методы и структурные схемы УОИ, позволяющие повысить быстродействие и качество формирования изображений графической информации.

5. Рассмотрена структура контроллера для формирования изображений кривых. Показано, что погрешность формирования кривых на растре зависит от разрядности, требуемой для представления приращения по координатам X и У. Для увеличения качества отображения графиков предложено ввести дополнительную адресацию точек, что позволило повысить качество изображения кривых и приблизить возможности растрового метода к векторному.

6. Приведена структура модуля для отображения графической информации. Показано, что объем памяти модуля намного больше, чем при алфавитно-цифровой и мнемосимвольной информации. Однако такое увеличение памяти оправдано снижением нагрузки на интерфейс за счет буферного хранения дисплейного файла в УОИ и снижения времени формирования изображения за счет избирательного программирования памяти.

1. A.c. 1084862 А (СССР). Устройство для отображения информации/ В.П.Бондаренко, Ю.А.Логинов, Ю.И.Сулимов. - Опубл. в БИ, 1984, № 13.

2. A.c. 489I3I (СССР). Устройство для регистрации и контроля работы транспортных средств/ Г.И.Передельский, А.И.Власов, В.П.Иванов, В.А.Суворов, Ю.И.Сулимов. Опубл. в БИ, 1975, № 39.

3. Агапов B.C., Прищенко В.А. Отображение на телевизионном экране прямых линий базовыми отрезками. Управляющие системы и машины, 1981, № 2, с. 59 - 62.

4. Айлиф Дж. Принципы построения базовой машины. М.: Мир, 1973. ■ 117 с.

5. Александров В.В., Шепавальников А.Н., Шнейдеров B.C. Машинная графика физиологических данных. -Л.: Наука, 1981, с. 28.

6. Анер Б., Шобер Р. ЗУ в технике обработки информации. "Зарубежная радиоэлектроника", 1980, № 2, с. 64-69.

7. Беляев А.И. Принципы построения телевизионных систем отображения информации. Автоматика, телемеханика и связь, 1980, № 10, с. 7 - 9.

8. Бондаровская В.М. Эргономический анализ работы человека с видеотерминалом. Приборы и системы управления, 1983, № 7, с. 6 7.

9. Бондаренко В.П., Власов А.И., Логинов Ю.А., Сулимов Ю.И. Специализированный дисплей для АСУТП. В кн.: Автоматизированное управление магистральным нефтепроводом Центральной Сибири.

10. Томск: Из-во Томского ун-та, 1981, с. 198 203.

11. Бондаренко В.П., Власов А.И., Сулимов Ю.И. Структура и алгорит! интерфейса цветного графического терминала. В кн.: Совершенствование качества устройств электронной техники. - Томск: Изд-во Томского ун-та, 1981, с. 99 - 103.

12. Бондаренко В.П., Логинов Ю.А., Сулимов Ю.И. Специализированное устройство отображения информации для АСУТП. В кн.: Совершенствование качества устройств электронной техники. -Томск: Из-во Томского ун-та, 1981, с. 106 - 109.

13. Борисюк A.A. Матричные системы отображения информации. Киев Техника, 1980.-223 с.

14. Боумен У. Графическое представление информации. М.: Мир, 1971. - 225 с.

15. Валиев К.А., Орликовский A.A. Полупроводниковые интегральные схемы памяти на биполярных транзисторных структурах. М.: Со радио, 1979. - 296 с.

16. Валихметов Б.А., Николаев Ю.Н., Пилипчатин E.H., Постевка Д.П Цветной графический терминал. В кн.: Современные методы и устройства отображения информации. - М.: Радио и связь, 1981, с. 55 - 60.

17. Венда В.Ф. Видеотерминалы в информационном взаимодействии (иьженерно-психологические аспекты). М.: Энергия, 1980. - 200 с.

18. Венда В.Ф. Инженерная психология и синтез систем отображения информации. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1982. - 343 с.

19. Венда В.Ф. Эргономические требования к отображению оперативной информации. Социалистический труд, 1970, № 2, с. 61 - 69.

20. Венда В.Ф. и др. Организация труда операторов. М.: Экономика, 1978, - 223 с.аз. Bishop A. BLspíaj makers stick with CRT;s- Eíectrorucs, 1981, V54, N7, p.1114,106.

21. Bo K. Hardware Jor computer graphics and computer aided design. Lect. Notes Comput Sei, 1980, N89,p. 294 328.

22. Boisvert Conrad I. CRT controffer adds sistern capacities Comput. Des.,1980, V19, U4, p.15^160.

23. Вудсон У., Коновер Д. Справочник по инженерной психологии для инженеров и художников-конструкторов. М.: Мир, 1968. - 517 с

24. Вуль В.А. Оперативные графические диалоговые системы и их применение. Зарубежная радиоэлектроника, 1980, № I, с. 57-83

25. Гилой В. Интерактивная машинная графика. М.: Мир, 1981. -380 с.

26. Глазов Г.Я., Дризовский JI.M., Меньшикова Л.А., Розанова E.H., Тинина Н.В. Алфавитно-цифровые дисплеи (обзорная информация). Вып. 3. М.: ЦНИИТЭИ приборостроения, 1982. - 55 с.

27. Глушков В.М. Основы безбумажной информации. М.: Наука, 1982 552 с.

28. Говоров B.C. Отображение машинных решений на экранах ЭЛТ. ft Сов.радио, 1975. - 192 с.

29. ГОСТ 21480-76. Мнемосхемы. Общие эргономические требования. •33,34,35,36,37,38