Модели и методы проектирования информационно-управляющих систем реального времени долговременных орбитальных станций: На примере МКС «Альфа»

Актуальность темы

.

В настоящее время результаты космических исследований все шире проникают в самые различные области человеческой деятельности: здравоохранение, метеорология, защита окружающей среды, сельское хозяйство, специальные производственные процессы и др. Исключительно высокую роль в интенсификации этого процесса играют долговременные орбитальные станции (ДОС), предназначенные для научной, производственной, испытательной, эксплуатационной, строительно-монтажной координационно-управляющей деятельности людей в космосе в течение длительного периода времени.

Функции управления режимами работы станции, обеспечения условий жизнедеятельности ее экипажа возложены на бортовые вычислительные машины (БЦВМ) и системы (ВВС), обеспечивающие функционирование различных систем обработки данных и управления ДОС в реальном масштабе времени (СОД РВ ДОС).

Эффективность и качество функционирования СОД РВ ДОС в значительной мере определяются соответствующими характеристиками программного и информационного обеспечения, предназначенного для автоматизации всего комплекса задач обработки данных и управления, решаемых в автоматическом режиме и по инициативе членов экипажа. Современные СОД РВ ДОС характеризуются большим разнообразием и сложностью взаимосвязей составляющих их элементов, обработкой заявок пользователей, поступающих в случайные моменты времени и требующих выполнения жестких ограничений на время обслуживания. Повышение эффективности проектирования СОД РВ ДОС связано, в первую очередь, с использованием методов синтеза оптимального состава модулей программного и информационного обеспечения на этапе технического проектирования системы. Вместе с тем имеющийся в настоящее время аппарат для формализации задач анализа и синтеза оптимальных модульных СОД РВ ДОС, реализуемых на современных ЭВМ, недостаточно эффективен, существующие методы проектирования СОД РВ ДОС не учитывают в достаточной мере возможностей современных ЭВМ и специфику синтеза систем, работающих в режиме реального времени.

В этой связи исследования, направленные на разработку моделей, методов и средств проектирования и отладки эффективных модульных структур программного и информационного обеспечения СОД РВ ДОС по заданным критериям эффективности и с учетом имеющихся технологических ограничений и возможностей членов экипажа, являются весьма актуальными.

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка моделей, методов и инструментальных средств создания оптимальных модульных автоматизированных информационно-управляющих систем реального времени долговременных орбитальных станций и их использование при проектировании систем управления МКС «Альфа».

Методыисследования. Основные результаты диссертационной работы получены и математически обоснованы с использованием аппарата теории' исследования операций, теории массового обслуживания-, теории графов, методов оптимизации и других раздёл0 В современной теории управления, а также путем проведения практических и экспериментальных расчетов на ЭВМ.

Научнаяновизна. В результате проведенных исследований, анализа и обобщения опыта проектирования и эксплуатации автоматизированных систем реального времени различного класса и назначения разработаны теоретические положения, модели и методы анализа, синтеза и отладки оптимальных модульных информационно-управляющих систем специального класса объектов — долговременных орбитальных станций.

На основе исследования ДОС, как специального объекта управления, разработаны модели, методы и инструментальные средства создания модульного программного и информационного обеспечения системы обработки данных реального времени (СОД РВ) МКС «Альфа».

На основе единой методологии и принципов модульности разработаны комплексный подход, методы формализации, модели, алгоритмы и программы проектирования оптимальных модульных СОД РВ ДОС, обеспечивающие формальный анализ технологии обработки данных, синтез программного и информационного обеспечения и его комплексную отладку.

Предложена единая методология определения требований и ограничений к реализуемым в СОД РВ ДОС функциям и задачам с учетом их интерфейса и характеристик членов экипажа станции и персонала наземного комплекса управления (НКУ), которая реализуется с использованием методов и средств имитационного моделирования и взаимосвязанной совокупности матричных моделей различного типа.

Разработана совокупность взаимосвязанных моделей и методов, позволяющих на основе формирования локальных сценариев диалога пользователей и выявления их требований кхарактеристикам диалога построить интегрированный упорядоченный граф диалоговой подсистемы СОД РВ ДОС и оценить его основные характеристики, необходимые для синтеза модульной диалоговой СОД РВ ДОС.

Представлены и решены задачи синтеза программного и информационного обеспечения модульных СОД РВ ДОС, работающих в режиме квантования времени обслуживания бесприоритетных и приоритетных заявок пользователей. Основными показателями, характеризующими эффективность функционирования СОД РВ ДОС являются их производительность и коэффициент готовности. Под производительностью СОД РВ ДОС понимается число заявок, обслуживаемых системой в единицу времени. Коэффициент готовности СОД РВ ДОС определяется как вероятность того, что система будет работать в произвольный момент времени или на заданном интервале времени. Задачи синтеза структуры СОД РВ ДОС рассматриваются для различных алгоритмов организации очередей при бесприоритетном обслуживании заявок: раньше пришел — раньше обслужен (РПРО), круговое циклическое обслуживание (КЦП), круговое циклическое обслуживание с доприбытием (КЦД), частично круговое обслуживание (ЧКЦ).

Для наземного комплекса управления ДОС рассмотрены стратегии оптимизации хранения и обработки данных в СУБД. Решена задача обеспечения требуемого уровня достоверности информации, хранимой в БД и получаемой на основе данных из БД, по критериям, коррелированным с максимизацией достоверности информации в БД с учетом ограничений на структуру и состав записей БД, структуру связей между ними, определяемых характеристиками СУБД. Разработаны основные положения методики по определению и анализу критичности функций и нештатных ситуаций на этапе космического полета МКС «Альфа».

Предложена совокупность матричных моделей, обеспечивающая формальный анализ и структурирование моделей развития и нештатных ситуаций (НШС), ориентированная на подготовку в диалоговом режиме информации для последующего анализа и предупреждения НШС. Разработаны соответствующие алгоритмы, реализующие предложенные модели.

Разработана концепция комплексной отработки ПО долговременных орбитальных станций, разработанная на основе методологии ранней функциональной интеграции и сценарного подхода.

На основе анализа основных требований к этапам, элементам и операциям системы комплексной отработки ПО на всех фазах жизненного цикла производства ПО разработана методология реализации процесса построения сценариев комплексной отладки ПО ДОС и его оптимизации по временным и стоимостным критериям.

Основой предложенной методологии и комплексного подхода является последовательное применение взаимосвязанных моделей, методов и алгоритмов, учитывающих особенности отдельных этапов проектирования и эксплуатации программного и информационного обеспечения оптимальных модульных СОД РВ ДОС, требования пользователей к информации, хранимой в базах данных, специфику предметной области и характеристики общесистемных программных и технических средств обработки данных.

Комплексный подход, модели и методы, изложенные в диссертации, позволяют формализовать, алгоритмизировать процесс проектирования оптимальных модульных СОД РВ ДОС, что обеспечивает существенное повышение эффективности и качества создаваемых систем.

Практическая ценность. Разработанные в диссертации комплексный подход, модели и методы проектирования оптимальных модульных СОД РВ ДОС позволяют оптимизировать структуру их информационного и программного обеспечения, сократить затраты и сроки создания таких систем в два-пять и более раз в зависимости от их состава и сложности, повысить эффективность и качество проектируемых систем за счет оптимизации проектных и эксплуатационных характеристик создаваемых систем.

Разработанные методы, алгоритмы и программные средства могут быть использованы при создании оптимальных модульных СОД РВ ДОС в научно-исследовательских институтах, проектных организациях и вычислительных центрах, разрабатывающих, внедряющих и эксплуатирующих системы обработки данных исследуемого класса и методы их автоматизированного проектирования.

Исследования проводились в соответствии со следующими официальными документами:

1.Соглашение между правительством Канады, правительством государств-членов Европейского космического агентства, правительством Японии, правительством Российской Федерации и правительством США относительно сотрудничества по МКС гражданского назначения. (Межправительственное соглашение по МКС, 1998 г.).

2.Меморандум о взаимопонимании между РКА и HACA относительно сотрудничества МКС гражданского назначения.

3.Соглашение между правительствами России и США от 16.12.94 г. по сотрудничеству в области исследования космического пространства в мирных целях (ратифицированное Государственной Думой).

4.Планы работ РАН РФ и РКК «Энергия».

Внедрение. Эффективность разработанных в диссертации моделей и методов проектирования оптимальных модульных СОД РВ ДОС подтверждена положительным опытом их применения в различных организациях. При непосредственном участии автора они внедрялись при разработке: программного и информационного обеспечения систем управления МКС «Альфа» и других объектов специального назначения.

Использование разработанных методов, алгоритмов и программ позволило сократить сроки проектирования и внедрения программного обеспечения и информационной базы данных СОД РВ ДОС в 2−5 раз по сравнению с традиционными способами их разработки.

Личный вклад. Все основные положения и результаты, выносимые на защиту, получены автором самостоятельно.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на втором межведомственном научно-практическом семинаре «Проблемы и технологии создания и использования космических систем и комплексов на базе малых КА и орбитальных станций» (ГК НПЦ им. М.В.

Хруничева, Москва, 1998 г.) — международной научно-практической конференции «Управление в XX веке: итоги и перспективы» (РГГУ, Москва, 1998 г.) — международной конференции по проблемам управления (ИПУ РАН, Москва, 1999 г.) — юбилейной международной научно-практической конференции «Теория активных систем «(ИПУ РАН,.

Москва, 1999 г.) — 6, 7 и 8-й международных конференциях «Проблемы управления безопасностью сложных систем» (ИПУ РАН, Москва, 1998, 1999, 2000 гг.) и других ведомственных и республиканских конференциях и совещаниях.

Публикации. По теме диссертации автором опубликованы 40 печатных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа содержит 532 страниц машинного текста, 46 рисунков, 19 таблиц, а также список литературы (137 наименований).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1.В результате проведенных исследований, анализа и обобщения опыта проектирования и эксплуатации автоматизированных систем реального времени различного класса и назначения решена важная народнохозяйственная задача, заключающаяся в создании теоретических основ, моделей и методов анализа, синтеза и отладки оптимальных модульных информационно-управляющих систем специального класса объектов — долговременных орбитальных станций. На основе исследования ДОС как специального объекта управления разработаны модели, методы и инструментальные средства создания модульного программного и информационного обеспечения системы обработки данных реального времени (СОД РВ) МКС «Альфа». На основе единой методологии и принципов модульности разработаны комплексный подход, методы формализации, модели, алгоритмы и программы проектирования оптимальных модульных СОД РВ ДОС, обеспечивающие анализ технологии обработки данных, синтез программного и информационного обеспечения и его комплексную отладку.

2. На основе анализа структуры управляемых процессов, реализуемых на ДОС, разработаны основные требования к их автоматизации. Показано, что система обработки данных и управления ДОС относится к классу систем жесткого реального времени, непосредственно включена в контур управления сложнопротекающими необратимыми процессами и реализует совокупность модулей, связанных между собой и обеспечивающих решение задач надежной обработки информации с требуемой точностью и заданной дискретностью выработки управляющих команд и сигналов. Проанализированы особенности реализации структуры ВВС, режимов, функций и основных задач управления МКС «Альфа» и ее Российским сегментом. На основе результатов анализа разработаны структура управления, граф-схема перехода из режима в режим, структура организации контроля состояния Российского сегмента, а также структура служебного программного обеспечения ЦВМ и ТВМ.

Проведен анализ этапов, требований и особенностей разработки программного и информационного обеспечения СОД РВ ДОС, на основе которого показано, что повышение эффективности проектирования систем такого класса связано, в первую очередь, с использованием методов синтеза оптимального состава модулей программного и информационного обеспечения на этапе технического проектирования СОД РВ ДОС.

3.Разработаны основные положения концепции комплексной отработки модульного программного обеспечения (ПО) МКС «Альфа», обеспечивающей его эффективную разработку и отладку на основе использования прототипов ПО, итеративной верификации требований, ранней функциональной интеграции и сценарного подхода. В рамках предложенной концепции на основе существующих методов и средств диагностического анализа сложных систем обработки данных и управления, включая САЭЕ-технологии, разработана единая методология определения требований и ограничений к реализуемым в СОД РВ ДОС функциям и задачам с учетом их взаимосвязей и характеристик пользователей, включая экипаж станции и персонал НКУ, обеспечивающая формирование необходимых исходных данных для синтеза оптимальной структуры программного обеспечения системы. Предложенная методология позволяет существенно (в 5−10 раз) снизить общее число ошибок в техническом задании на разрабатываемую СОД РВ ДОС.

Разработаны также методы представления, упорядочения и анализа сценариев диалога в СОД РВ ДОС, предложена совокупность взаимосвязанных моделей и методов, позволяющих на основе локальных сценариев диалога пользователей и их требований к характеристикам реализации диалога построить интегрированный упорядоченный граф сценария диалоговой подсистемы СОД РВ в целом и оценить ее основные характеристики.

4.Разработана имитационная модель, предназначенная для использования в средствах комплексного моделирующего стенда и позволяющая превентивно диагностировать и решать проблемы разработки эффективной системы «человек — машина», включая корректное определение требований к программно-техническому комплексу СОД РВ ДОС и квалификации членов экипажа станции. Модель обеспечивает получение следующих количественных характеристик: значения ограничений по реализации функциональных и диалоговых задач, приоритеты задач, режимов и технологий их реализацииэффективность ЧМК ДОС как функция численности экипажа и времени выполнения заданиявремена реализации задач и полетных заданийсредняя рабочая нагрузка на членов экипажа ДОС (в человеко-часах) — время на сверхурочные работы и ликвидацию нештатных ситуаций.

5.Рассмотрен состав критериев и ограничений и особенности постановки задач синтеза структуры программного и информационного обеспечения применительно к СОД РВ ДОС с бесприоритетным обслуживанием заявок в режиме разделения времени на однопроцессорных ЭВМ и с приоритетным обслуживанием заявок в операционных системах реального времени.

Поставлены и решены задачи синтеза программного и информационного обеспечения оптимальных модульных СОД РВ ДОС, в которых используются дисциплины организации вычислительного процесса с относительными и абсолютными приоритетами по критериям максимума производительности системы и максимума коэффициента готовности. Постановка и решение данных задач рассмотрена с учетом взаимосвязей между заявками при их обслуживании, ограничений на размещение информационных массивов системы и на надежность функционирования синтезируемых средств программного и информационного обеспечения. б. Определены основные требования к структуре и функционированию информационного обеспечения бортовой вычислительной системы ДОС, к интерфейсам, обмену данными, формированию и передаче программной телеметрии, статусных данных и данных командно-сигнального управления, приему и обработке функциональных массивов. Поставлена задача определения системы буферных массивов, предназначенных для хранения, централизованного их обновления и использования различными потребителями информации. Разработан алгоритм определения оптимального состава буфера текущих значений, минимизирующего время формирования результирующих массивов. Сформулированы и решены задачи синтеза оптимальной логической структуры БД по критерию максимума достоверности информации. Синтез оптимальной логической структуры БД осуществляется по критериям эффективности, коррелированным с достоверностью информации при хранении ее в БД: максимум числа точек входа и максимум числа альтернативных путей доступа или минимум длины путей доступа к типам элементов данных в логической структуре БД, определенных в канонической структуре БД. Определены ограничения, учитывающие характеристики используемых СУБД и технических средств обработки данных.

7.Разработана методика классификации элементов конфигурации программного обеспечения по категориям критичности для Российского сегмента, интегрированного с Европейским автоматическим транспортным кораблем. Предложена совокупность матричных моделей, обеспечивающая формальный анализ и структурирование моделей развития НШС и ориентированная на подготовку в диалоговом режиме информации для последующего анализа и предупреждения НШС.

Разработаны соответствующие алгоритмы, реализующие предложенные модели. Предложен метод построения матрицы достижимости информационных элементов в блок-треугольной форме, который позволяет конструировать путем формального вычисления недостающих элементов матрицу достижимости в форме, удобной для последующего анализа причин последствий НШС.

8.Исследована зависимость эффективности СОД РВ ДОС от качества реализации этапов отладки используемых в них программ, проведена классификация возможных ошибок в программном обеспечении системы. Показана необходимость разработки методологии планирования и организации отладочных работ, формальных моделей и методов оптимизации отладки, обеспечивающих выбор стратегии, методов и средств обнаружения ошибок в соответствии с заданными критериями эффективности.

На основе анализа основных требований к этапам, элементам и операциям системы комплексной отработки ПО на всех фазах жизненного цикла производства ПО разработана методология реализации процесса построения сценариев комплексной отладки ПО ДОС, и его оптимизации по временным и стоимостным критериям.

Разработана формализованная постановка задач выбора оптимальной стратегии реализации сценария комплексной отладки ПО ДОС, определяющего состав и последовательность отлаживаемых подструктур комплекса программ и обеспечивающей оптимизацию заданных показателей качества (минимум времени и минимум стоимости проведения отладочных работ).

Разработана функциональная структура автоматизированной системы отработки ПО МКС «Альфа», предназначенной для разработки бортового ПО, совместной отработки аппаратуры и программ, а также сопровождения испытаний и эксплуатации ПО.

9.Разработана функциональная структура системы управления Российским сегментом МКС «Альфа», включающая уровни управления служебного модуля и режимами Российского сегмента, управления режимами бортовых систем и комплексными режимами, управления приборами, управления обменом информацией в рамках конкретной операционной среды. Разработаны принципы и технические решения по управлению модулями Российского сегмента от наземного комплекса управления и экипажа станции. Разработана структура комплекса технических средств бортовой вычислительной системы PC МКС «Альфа», включающая центральную вычислительную машину, терминальную вычислительную машину, компьютер центрального поста, компьютеры Laptop в составе поста оператора служебного модуля, которые связаны между собой информационными магистралями, работающими в соответствии с ГОСТ 26 765.52−87 (MIL STD 1553В).

Разработаны структура программного и информационного обеспечения бортовой вычислительной системы PC МКС «Альфа», технические решения, определяющие назначение, функции и взаимосвязи программных модулей и соответствующего информационного обеспечения, которые гарантируют устойчивое функционирование программно-технического комплекса, реализацию механизма программно-временного управления функциями станции, обработку и хранение контекстных данных для рестарта ЦВМ и ТВМ, полноценный контроль аварийных событий и нештатных ситуаций на PC.

10. Эффективность разработанных в работе теоретических положений, моделей и методов подтверждена положительным опытом их использования при разработке модульного программного и информационного обеспечения систем управления МКС «Альфа» и других объектов специального назначения.