ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ БОРТОВЫХ РАСПРЕЖЕЛЕННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Чан Ван Хань

Аспирант, Московский физико-технический институт (Государственный университет)

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ МЕТОДОВ ОПТИМИЗАЦИИ БОРТОВЫХ РАСПРЕЖЕЛЕННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ

Аннотация

 Рассматривается задача аппаратной оптимизации бортовых распределенных систем управления в масштабе реального времени с целью повышения эффективности функционирования и обеспечения работоспособности системы. Показываются преимущества реализации автономного подхода оптимизации системы на основе бортовой сетевой информации. Отмечается особенность алгоритма реализации данного подхода.

Ключевые слова:  бортовая распределенная система управления реального времени, бортовая сетевая информационная среда, аппаратная оптимизации, автономный алгоритм реализации, работоспособность системы управления.

Tran van Khanh

Postgraduate student, Moscow Institute of Physics and Technology (State University)

RESEARCH AND DEVELOPMENT ADVANCED METHODS FOR IMPROVING THE QUALITY OF ON-BOARD DISTRIBUTED REAL-TIME CONTROL SYSTEMS

Abstract

 In this paper, we consider the problem of hardware optimization of onboard distributed real time control systems in order to improve the effectiveness functioning and workability of the system. Shown the benefits of implementing autonomous approach optimization control systems based on the onboard network information. Note the features of the algorithm implementing this approach.

Keywords: distributed real time control systems, on-board network information environment, hardware optimization, autonomous algorithm implementation, workability control system.

Современная бортовая система управления представляется сложной высоко-динамической системой с пространственным распределением своих компонентов. В качестве примера таких систем могут служить система управления автомобиля, бортовая система управления космическим аппаратом, система управления подводной лодкой и т.п. Поддержание высокого уровня работоспособности бортовых систем при наличии отказов в системе связи  или сбоев отдельных ее компонентов является очень важным качеством современных бортовых распределенных систем управления реального времени (БРСУРВ).

Существуют различные методы обеспечения данного качества в процессе проектирования, эксплуатации и реализации бортовых систем управления (рис.1). Качество бортовой системы управления закладывается в процессе проектирования  и обеспечивается при ее реализации.  Одну из важных задач, которые необходимо решать в процессе эксплуатации системы, с целью улучшения качества бортовых систем управления следующего поколения, заключается в сборе и обработке статических данных, которые характеризуют причины ухудшения ее качества. Данная техническая задача требует большой степень автономности и гибкости механизма ее реализации и является одной из главных функций  системы контроля и мониторинга. Можно перечислить некоторые эффективные методы повышения качества БРСУРВ, применяемые при проектировании, например, построение наиболее упрощенных систем с использованием высоконадежных элементов и ограниченными последствиями отказов элементов; применение метода  встроенного контроля, автоматических проверок; сохранение состояния системы на основе контрольных блоков с целью восстановления системы при отказе и т.п. К методам обеспечения работоспособности  бортовых систем управления, применяемым при реализации, относят различные методы верификации, контроля и испытания полной системы и ее частей.

Рис.1 - Методы повышения качества БРСУРВ при проектировании, реализации и эксплуатации

Выбор того или иного метода определяется не только  эффективностью данного метода, свойствами самой системы управления, но  и  целями управления и условиями работы исследуемой системы. В большинстве случаев при разработке современных высококачественных бортовых систем обычно принимает не один метод,  а комплекс методов с целью обеспечения необходимого уровня работоспособности. Одним из таких  методов является применение механизмов резервирования и контроля в различных процессах проектирования, изготовления или эксплуатация бортовых систем. Оба механизма можно реализовать  на различных этапах разработки системы в программном обеспечении и  на аппаратуре.

Резервирование является основным и широким используемым методом повышения надежности и безопасности функционирования бортовых систем управления. В некоторых случаях данный метод позволяет не только обеспечить высокий уровень работоспособности системы,  но и повысить степень достоверности процесса обработки данных.  Существуют различные виды резервирования. Их целесообразно разделять по разным признакам,  например, по способу включения резерва или восстанавливаемости резерва, по степени нагруженности, по способу соединения элементов и т.п. Подробно о конкретном типе резервирования и методах их применения можно смотреть в работах [1,2].

Отметим некоторые особенности реализации резервирования. Одной из главных задач в процессе его реализации является нахождение отказавшего узла, и обеспечение минимального времени перехода на резерв. Существует механизм тройного дублирования, который широко используется в авиационной технике. Преимущество данного механизма заключается в автоматическом выборе истинного варианта выполнения благодаря возможности обнаружения отказа в одном из трех вариантов. Недостатком данного механизма является требование большого объема используемой аппаратуры. Для устранения такого недостатка предлагается метод двойного дублирования с контролем. Сущность данной идеи заключается в использовании цифрового узла для контроля и обнаружения отказа вместо третьего запасного варианта.

Заметим что, для распределенной системы обеспечение надежности  процесса приема и передачи данных играет очень важную роль с точки зрения поддержания полной ее работоспособности. Для этого широко используется информационное резервирование в виде многократной передачи информации по каналу связи или добавления избыточных кодов в ее формате.

 Параллельно с применением резервирования, реализация механизма контроля является мощным подходом обеспечения высокого уровня работоспособности бортовой системы. В отличие от механизма резервирования, основное назначение процесса контроля заключается в обнаружении и предупреждении отказа, что на самом деле не повышает качество системы управление, но позволяет возможное долгое сохранение этого качества при эксплуатации системы. Существуют различные методы контроля. Они могут реализовываться в процессе проектирования, изготовления или оптимизации системы. Контрольными аспектами  БРСУРВ являются   параметры, значения которых характеризуют либо функциональные, т.е. свойства целевого назначения БРСУРВ, либо нефункциональные свойства. Примерами нефункциональных свойств могут служить производительность, безопасность, степень работоспособность и т.п.

Не смотря на то что, механизмы резервирования и контроля обладают огромными преимуществами в  процессе проектирования и реализации высоко-работоспособных бортовых систем управления, их трудно реализовать в процессе аппаратной оптимизации  существующих систем.  Традиционный подход реализации таких методов требует достаточного уровни понимания конструкции и алгоритма функционирования исследуемой системы. Наличие этого требования объясняется  необходимостями замены, изменения, или добавления какого-нибудь нового компонента, т.е. модифицирования существующей системы управления в процессе ее оптимизации.

Одной из особенностей БРСУРВ является наличие в ней сетевой информационной  среды, к которой подключаются  все блоки управления и контроля, датчики и исполнительные устройства. Благодаря такой особенности существует возможность оптимизации БРСУРВ на основе бортовой сетевой информационной среды. Подключение к этой среде  позволяет независимо от  структурной связи и функционирования компонентов системы получить полезную информацию для обеспечения задачи повышения эффективности функционирования и уровня работоспособности БРСУРВ. Преимущество использования цифровой сетевой информационной среды для решения задачи оптимизации и верификации бортовых системы управления заключается в простоте реализации таких задач. Информационная сетевая среда   позволяет сократить число дополнительных датчиков, не усложнять структуру системы связи, что улучшает эффективность подхода оптимизации на ее основе с точки зрения экономичности, времени изготовления. Все блоки и подсистемы управления в составе БРСУРВ могут играть роль эффективных интеллектуальных датчиков. Под эффективными интеллектуальными датчиками понимаются датчики, у которых  выходные данные являются не первично измеренной информацией, а обработанной по специальным алгоритмам преобразования. Таким образом, данный подход позволяет сократить не только количества датчиков, но и вместе с ними блоков управления, вычисления и линий связей.

В целях повышения качества БРСУРВ целесообразно обеспечить централизованный контроль всех ее подсистем. Это метод заключается в разработке некоторых блоков, которые контролируют работоспособность отдельных подсистем и полной системы в целом. Наличие центрального блока контроля работоспособности полной системы означает что, существует некоторый мастер бортовой сети. Связи между мастером сети и различными ее ведомыми назовем центральными, а связи ведомых узлов, если они существуют, горизонтальными.  В слабосвязанных распределенных бортовых системах управления, каждый ведомый является достаточной автономной подсистемой управления, поэтому горизонтальные связи практически отсутствуют, существуют только слабые центральные связи. В таких системах одним из мощных методов повышения качества систем управления является увеличение горизонтальных связей между подсистемами управления. На рис.2.1 и рис.2.2 показаны примеры структурных схем модели БРСУРВ и ее модификации  с осуществлением горизонтальных связей. Здесь М обозначается мастер или ведущий узел, S_i это Slaves или ведомые узлы.

 

Прямые связи между различными подсистемами, входящими в состав БРСУРВ используются в случае возможности выполнения некоторых алгоритмов, которые  реализуются  вне зависимости от функционирования центральной подсистемы с целью повышения скорости и эффективности функционирования. Кроме этого, эти связи могут использоваться для дальнейшей реализации на них различных методов повышения качества и обеспечения работоспособности системы. При получении требуемой информации с помощью горизонтальной связи, подсистемы управления может принимать свое решение при отсутствии команд управления мастера, т.е. данный механизм обеспечивает работоспособность полной бортовой системы управления.

Рассмотрим реализацию автономного механизма оптимизации БРСУРВ. Сущность данного механизма заключается в создании параметрических логических блоков управления и контроля. Параметры таких блоков должны задаваться простым способом в процессе их настройки. В качестве таких параметров могут служить параметры, с помощью которых определяются необходимые данные  для сохранения, анализа и обработки в блоках управления и контроля. Параметры могут быть заданны в виде таблицы признаков. В этой таблице предполагается записать адресы данных и соответствующие признаки, которые определяют, использовать ли эти данные. Чтение и запись в таблице признаков выполняются по цифровым интерфейсам.

Данные полученные по адресам и признакам, записанным в таблице признаков, являются входными данными блоков управления и контроля.  Задача обработки входных данных выполняется автономным образом.  Для этой цели чтение входных данных в такие блоки заменяется их фиксацией в сечении памяти процессоров рассматриваемой системы в каждом цикле регулировании. В данном подходе, процесс контроля и управления  выполняется параллельно с процессом функционирования существующей системы. Благодаря тому что, необходимые данные  для сохранения и анализа определяются интерфейсом и настройками блоков управления и контроля, вне зависимости от мастера и ведомых узлов,  данный механизм обладает большой степенью автономности и гибкости реализации и функционирования.

Осуществление горизонтальных связей между локальными подсистемами управления, и построения автономных блоков управления и контроля является  перспективным механизмом  повышения эффективности функционирования и обеспечения работоспособности бортовых систем управления.  Данный механизм  обладает не только высокой степенью автономности и гибкости реализации, но и позволяет обеспечить решение задачи оптимизации с наименьшим затратами аппаратуры и усложнением существующей системы.

Литература

1. Денисенко В.В. Аппаратное резервирование в промышленной автоматизации. Часть 1. /В.В. Денисенко //Современные технологии автоматизации. -2008. -№ 2. -С. 90-99.
2. Денисенко В.В. Аппаратное резервирование в промышленной автоматизации. Часть /В.В. Денисенко //Современные технологии автоматизации. -2008. -№ 3. -С. 94-98.