Многоуровневые распределенные системы автоматизации наблюдательных пунктов в радиоастрономии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.16, кандидат технических наук Зензин, Александр Степанович

• Зензин, Александр Степанович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Зензин, Александр Степанович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ПРЕДМЕТА ИССЛЕДОВАНИЯ. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Радиоастрономическая система как объект автоматизации!

1.2. Уровень реализации автоматизированных систем радиоастрономических комплексов

1.3. Особенности построения СКУ НП

1.4. Технические требования к СКУ НП

2. МОДЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ МНОГОУРОВНЕВОЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ НАБЛЮДАТЕЛЬНОГО ПУНКТА

2.1. Подход к построению модели СКУ НП

2.2. Общий вид модели СКУ НП

2.3. Иерархии частных описаний

2.4. Структура СКУ НП

3. АРХИТЕКТУРА СКУ НП

3.1. Требования к основным элементам архитектуры

3.2. Периферическая шина СКУ НП

3.3. Структурная схема СКУ НП

3.4. Структура программного обеспечения СКУ НП

3.5. Обеспечение надежности и отказоустойчивости СКУ НП

4. ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СКУ НП

4.1. Аппаратные средства подсистем СКУ НП

4.1.1. Блоки ввода-вывода дискретных сигналов

4.1.2. Блоки ввода-вывода аналоговых сигналов

4.1.3. Блоки управления подсистемами СКУ НП

4.1.4. Блоки взаимодействия

4.1.5. Блоки для реализации временной синхронизации подсистем73

4.1.6. Электропитание СКУ НП

4.1.7. Конструктивное исполнение

4.1.8. Структура аппаратного комплекса подсистем СКУ НП

4.2. Подсистемы СКУ НП

4.2.1. Система контроля и управления наведением антенны ТНА-

400-1

4.2.1.1. Назначение и состав управляющего комплекса

4.2.1.2. Алгоритм работы СКУА в режимах комплексной проверки и рабочем режиме автоматического управления антенной

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Многоуровневые распределенные системы автоматизации наблюдательных пунктов в радиоастрономии»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Развитие современной радиоастрономии базируется на создании новых инструментальных средств - радиотелескопов, в которых реализуется комплекс современных систем регистрации и обработки сигналов, радиометрических систем контроля параметров атмосферы и систем контроля параметров больших антенн, различных информационных систем на базе спутниковых и традиционных каналов связи. Кроме того, в состав радиотелескопа могут включаться радиотехнические системы контроля параметров траекторий искусственных спутников Земли (ИСЗ), системы контроля метеорологической и геофизической обстановки, сложные автономные системы частотно-временной синхронизации для обеспечения ра-диоинтерферометрического режима работы комплекса из нескольких радиотелескопов - наблюдательных пунктов.

Системы автоматизации наблюдательных пунктов должны обеспечивать контроль и управление комплексным оборудованием радиотелескопов и подсистемами сбора, передачи, обработки и представления экспериментальной и служебной информации. Особенности таких систем обусловлены спецификой параметров радиоастрономической аппаратуры (высокая чувствительность, широкая полоса регистрируемых частот и т. д.), широкой номенклатурой экспериментального оборудования радиоастрономических комплексов, часто производимого без учета возможностей его комплексирования в единую систему; длительной реализацией проектов, приводящих к необходимости разработки автоматизированных систем в условиях неполной и недостаточной априорной информации о постоянно совершенствующемся оборудовании и методиках; высокой динамичностью и необходимостью

обеспечения единой синхронизации объектов управления, удаленных друг от друга на тысячи километров; необслуживаемым режимом работы удаленных наблюдательных пунктов с загрузкой и диагностикой по информационным каналам из центра управления и обработки данных (ЦУОД); длительным сроком эксплуатации. На основе системного подхода необходим анализ этих особенностей, оценка математических моделей систем и разработка требований к проектированию аппаратно-программных средств.

Таким образом, построение концептуально целостной модели систем контроля и управления наблюдательными пунктами (СКУ НП), выбор системных архитектур, разработка аппаратно-программных средств и алгоритмов их взаимодействия, а также обеспечение отказоустойчивости систем представляют собой актуальную задачу для создания многоуровневых распределенных систем автоматизации в радиоастрономии.

Настоящая работа проводилась в рамках Постановления ЦК КПСС №137 - 47 от 27.01.86г. и решения Госкомиссии правительства РФ №171-11 от 18.03.92 г., а также в соответствии с планами НИОКР Конструкторско-технологического института вычислительной техники СО РАН по темам: "Система контроля и управления наблюдательного пункта КВАЗАР-КВО" (1989-91гг.); "Разработка алгоритмов профилактической тестирующей системы" (1992г.).

Целью работы является разработка, исследование и создание автоматизированной системы контроля и управления наблюдательного пункта ра-диоинтерферометрического комплекса КВАЗАР.

В соответствии с целью работы основные задачи исследования заключаются в следующем:

•анализ особенностей автоматизированной СКУ НП и определение требований, предъявляемых к ней в современной радиоастрономии;

•построение и исследование модели, разработка архитектуры СКУ НП;

•разработка унифицированных аппаратных средств и базовых конфигураций для построения локальных подсистем СКУ НП;

•создание и исследование экспериментального образца СКУ НП, его комплексные испытания и внедрение в радиоинтерферометрическом комплексе КВАЗАР.

Постановка задачи определила структуру диссертации, которая состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений.

В первой главе исследуются особенности наблюдательного пункта, входящего в состав радиоинтерферометрического комплекса, как объекта автоматизации, анализируется уровень реализации автоматизированных систем радиоастрономических комплексов, на основе анализа характеристик систем НП формулируются требования к СКУ НП. В заключении главы приведены технические характеристики СКУ НП.

Вторая глава посвящена исследованию модели и основных компонент многоуровневой распределенной системы автоматизации НП. На основе интерпретации принципов системного подхода определены этапы создания СКУ НП. Далее описывается модель СКУ НП как совокупность частных описаний с точки зрения объектов исследования, пользователей, решаемых задач и средств реализации. На основе введенных понятий базисных и функциональных процессов, процессов ТОУ, а также принятых соглашений при построении модели СКУ НП описаны иерархии частных описаний модели СКУ НП. В заключении главы рассмотрена структура СКУ НП.

В третьей главе описана архитектура СКУ НП. На основе анализа потоков информации сформулированы требования к периферической шине. Ее описание и расчет производительности приведены в приложении 1. Описана структура программных компонент системы, реализованная в соответствии с разработанной моделью и методы обеспечения отказоустойчивости СКУ НП.

В четвертой главе рассматриваются техническая реализация СКУ НП в целом, ее основные подсистемы и типовые конфигурации аппаратных средств для их реализации.

В заключении перечислены основные результаты диссертационной работы. В приложения помещены: описание локальной вычислительной сети СКУ НП, блок-схема алгоритма работы программы в режиме комплексной проверки и автономного управления антенной ТНА-400-1, протоколы обмена между модулями СКУ НП и аппаратурой системы наведения антенны ТНА-400-1, общий вид основных сооружений НП и копии документов о внедрении результатов работы.

Методы исследований, использованные в данной работе, основаны на применении системного подхода, общей теории систем, моделирования, теории вычислительных систем, а также методов и средств современной вычислительной техники.

Научная новизна:

•впервые определены требования, предъявляемые к СКУ НП в радиоастрономии, и функции, которые она должны выполнять для реализации радиометрического и радиоинтерферометрического режимов работы радиотелескопов;

•предложена модель автоматизированной СКУ НП, исследования которой подтвердили целесообразность её реализации как многоуровневой распределенной системы и позволили определить основные структурные компоненты системы;

•разработана архитектура СКУ НП, обладающая возможностью дистанционной переконфигурации по информационным каналам и позволяющая эффективно развивать систему по мере изменения и наращивания выполняемых функций;

•предложены способы повышения отказоустойчивости системы, обеспечивающие необходимый уровень живучести аппаратного комплекса СКУ НП за счёт совершенствования её структурной организации и уменьшения времени обнаружения отказа элементов при тестировании.

Практическая ценность и внедрение результатов работы: •разработана, создана и внедрена СКУ НП радиоинтерферометриче-ского комплекса КВАЗАР, проведены ее комплексные испытания с подсистемами наблюдательного пункта в ИПА РАН, г. Санкт-Петербург;

•разработан набор аппаратных и программных средств для построения многоуровневых распределенных систем автоматизации в радиоастрономии, включающий более 40 типов новых компонент и 7 типов унифицированных базовых конфигураций - станций и стендов для оснащения радиотелескопов. На Опытном заводе СО РАН освоен серийный выпуск этого оборудования в 1990-1993 г.г.;

•предложенная архитектура, а также ряд внедрённых в серийное производство аппаратных средств СКУ НП использованы при создании головной автоматизированной системы управления энергоблоками тепловых электрических станций.

Основные положения, выносимые на защиту:

•модели автоматизированной СКУ НП с учетом требований, предъявляемых к реализации радиометрического и радиоинтерферометрического режимов работы радиотелескопов;

•архитектура многоуровневой распределенной СКУ НП радиоинтер-ферометрических комплексов;

•многоуровневая распределенная система автоматизации наблюдательного пункта радиоинтерферометрического комплекса КВАЗАР;

•результаты исследований надежности и отказоустойчивости аппаратно-программных средств автоматизированной системы.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на XXI Всесоюзной радиоастрономической конференции (Ереван, 1989 г.), на XXIV Всесоюзной школе по автоматизации научных исследований (Апатиты, 1990 г.), на научно-технических семинарах (1990-91 гг.) Института прикладной астрономии АН СССР, на V Международной школе-семинаре "Автоматизация исследований в ядерной физике и астрофизике"(Сочи, 1992 г.) и на XXV Радиоастрономической конференции (Пущино, 1993 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, результаты исследований и разработок изложены также в 3 научно-технических отчетах и пояснительных записках по НИОКР, в которых автор являлся научным руководителем.

1. СОСТОЯНИЕ ПРЕДМЕТА ИССЛЕДОВАНИЯ. ЦЕЛЬ И

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Радиоастрономическая система как объект автоматизации

Наблюдательный пункт (НП) входит в состав многоканального радио-интерферометрического комплекса «Квазар» [1], обеспечивающего проведение радиоастрономических и радиоастрометрических наблюдений, сбор, предварительную обработку и передачу данных в Центр управления и обработки данных (ЦУОД) по спутниковым каналам связи в квазиреальном времени или пакетном режиме. Управление НП осуществляется либо из его пункта оперативного управления, либо из ЦУОДа по телеметрическим и спутниковым каналам связи.

НП включает в себя следующие основные системы и комплексы [1,2]: •наблюдений космических источников радиоизлучения (НКИРИ); •наблюдений искусственных спутников Земли (НИСЗ); •передачи данных (СПД);

•измерения электрических характеристик тропосферы (ЭХТ); •государственный водородный эталон времени и частоты, являющийся частью системы частотно-временной синхронизации радиоинтерферометри-ческого комплекса (ЧВС);

•геофизическая станция (ГС);

•радиоголографических измерений параметров антенны (РГПА); •энергоснабжения (Э).

Основная система НП - система наблюдений космических источников радиоизлучения функционально представляет собой радиотелескоп, оснащенный 32-метровой антенной ТНА-400 с диапазоном угловых перемещений в пределах ±45° и азимутальных - в пределах ±270 . Прием сигналов производится в 5-ти диапазонах длин волн сантиметрового диапазона. Полоса пропускания высокочастотного тракта от 340 до 500 МГц. Регистрация сигналов осуществляется по 64 каналам с разнесением частот по каналам кратным 2 МГц. Общая полоса регистрации может быть до 128 МГц.

В системе регистрации можно выделить 2 канала: канал амплитудной регистрации и канал частотной регистрации, которые и обеспечивают основные режимы работы НП (радиометрической и интерферометрический).

Процесс наблюдения включает два основных режима: подготовка к проведению наблюдений радиоисточника и рабочий. Длительность сеанса наблюдений составляет 15 минут. Из них 7,5 минут - время подготовки к проведению наблюдений. За сутки возможно проведение нескольких десятков наблюдений. Кроме 2-х основных режимов наблюдений в НП предусмотрены еще 3 вспомогательных режима: дежурный, режим тестового контроля и режим автономного функционирования подсистем НП.

Структурная схема и формирование потоков информации в НП приведены на рис. I.

На кодирующее устройство, являющееся частью системы регистрации данных (СРД), транслируется информация от всех основных систем НП. Данные сортируются, упаковываются и совместно с метками времени поступают на комплекс магнитной записи или на вход модемов, входящих в систему передачи данных (СПД) для трансляции через соответствующие каналы связи в ЦУОД.

Рис.

1 Структурная схема и формирование потоков информации в наблюдателном пункте

Основной поток информации формируется по тракту: антенна (А), радиометрические приемники (РП), система преобразования сигналов (СПС).

Сформированные в 64 каналах СПС сигналы поступают с одной стороны на вход цифрового выходного устройства радиометра для определения амплитудных характеристик, с другой стороны, на вход форматизатора входящего в состав СРД, где ограничиваются по амплитуде и фазовые переходы шумового сигнала транслируются на входы комплекса магнитной записи и на систему передачи данных.

Радиометрический приемник для атмосферных измерений, входящий в состав системы ЭХТ работает на длине волны Х= 1,5 см и обеспечивает получение информации для расчета электрических характеристик тропосферы.

Радиометрический приемник системы РГПА обеспечивает получение информации и управляющих сигналов для вычисления искажений диаграммы направленности антенны ТНА-400 при различных значениях угломест-ных координат.

Геофизическая станция формирует потоки информации о сезонных и суточных измерениях параметров земной коры в точке размещения НП.

Данные автоматизированной метеостанции используются для расчётов специальных параметров тропосферы и также поступают на вход кодирующего устройства.

Служба времени формирует метки для кодирующего устройства, обеспечивает когерентное преобразование сигналов и временную синхронизацию всех систем. Основной системой службы времени является государственный водородный эталон времени и частоты.

Система наблюдений ИСЗ является автономной системой со своим комплексом магнитной записи. Формирование данных в этой системе аналогично формированию данных в системе наблюдений источников радиоизлучения, но ее информация может использоваться в канале регистрации СРД.

СКУ НП обеспечивает взаимодействие систем НП во всех режимах работы, с ее помощью осуществляется контроль всех систем НП и обеспечивается централизованное управление.

1.2. Уровень реализации автоматизированных систем радиоастрономических комплексов

Анализ публикаций по автоматизированным системам радиоастрономических комплексов позволяет заключить, что в настоящее время отсутствуют работы, содержащие систематизированное изложение накопленного опыта в рассматриваемой области и аргументацию проблемы. В рамках монографий по АСНИ [3,4], учебных пособий [5,6] излагаются известные результаты по реализации систем автоматизации научных исследований, не ориентированные на адаптацию к конкретной предметной области. В публикациях [7 - 19] в основном приводятся описания отдельных систем и даются решения отдельных задач. В них не рассмотрена концептуальная база построения автоматизированных систем радиоастрономических комплексов и единый подход к их созданию.

Характерной особенностью автоматизированных систем радиоастрономических комплексов является реализация только информационного уровня [7, 8, 13].

Специфика аппаратной части радиотелескопов часто приводит к построению систем управления на специально разработанных контроллерах, обеспечивающих автоматизацию только фрагментов радиоастрономических комплексов. Радиотелескоп РТ-1 РИ АН УССР, например, оснащен подобной системой [11], в основе которой - специализированные контроллеры, подключенные через интерфейс И2 к МПИ микро-ЭВМ МС1201. Позднее была произведена замена микро-ЭВМ на IBM PC/AT, но в системе по-прежнему применён специализированный блок сопряжения [20]. Програм-

мирование этих систем осуществляется на стандартных инструментальных средствах микро-ЭВМ.

Автоматизация отдельных подсистем радиотелескопов часто осуществляется с использованием стандартных измерительных приборов, объединяемых в систему КОП-магистралью [13]. Это также локальные комплексы, использующие микро-ЭВМ с ее инструментальным обеспечением.

Большинство из известных и реализованных систем управления радиотелескопами используют оборудование в стандарте КАМАК. Простые системы строятся как одноуровневые, использующие микро-ЭВМ, которая через стандартный контроллер взаимодействует с регистрами крейтов КАМАК [10, 12, 14].

Некоторые системы построены путем аппаратного расширения интерфейсов ввода-вывода микро-ЭВМ [8, 15, 16]. Характерной особенностью этих систем является слабая унификация аппаратных и программных компонент, низкий уровень обработки информации, и, как следствие, отсутствие многофункциональности применения. Используемое оборудование требует лабораторных условий эксплуатации. Системы реализуются как АСНИ без встроенной диагностики, резервирования и других элементов повышения отказоустойчивости.

Для некоторых больших радиоастрономических комплексов созданы распределенные и многоуровневые системы управления. Автоматизированный комплекс для измерения параметров антенной системы Сибирского солнечного радиотелескопа реализован как распределенная система, управляемая ЭВМ СМ4 и СМЗ через модули КАМАК, установленные в крейтах последовательной ветви [7]. Программное обеспечение комплекса выполнено в виде модульной структуры, допускающей его расширение. Задание режимов работы системы может производиться в режиме диалога с оператором. Несмотря на распределенность и возможность расширения, эта система

все-таки обеспечивает автоматизацию только фрагмента радиоастрономического комплекса.

Трёхуровневый комплекс для автоматизации научных исследований на радиотелескопе РАТАН-600 [18] реализован как комплекс связанных ЭВМ. Многоканальная система управления антенной управляется центральной ЭВМ М-4030, которая производит расчёт уставок и передачу их в управляющие ЭВМ по последовательным каналам (протокол RS-232C). Управление приводами элементов антенны реализовано с использованием контроллеров, выполненных в стандарте КАМАК и подключенных к управляющей ЭВМ с помощью группового контроллера и вертикальной магистрали КАМАК (Branch САМАС). Многопользовательская система сбора наблюдательных данных для радиометров непрерывного спектра радиотелескопа РАТАН-600 работает автономно от системы управления приводами антенны [19]. В её составе содержатся три объединённые сетью ARCnet подсистемы управления каретками облучателей, включающие в себя комплексы сбора и управления радиометрами непрерывного типа, а также шлюз, обеспечивающий связь этой сети с сетью CAO (Ethernet 10 Mbit/s). Как и в предыдущем примере эта система также не обеспечивает комплексной автоматизации всего радиотелескопа, но обладает свойствами расширения и комплексирования с использованием высокоуровневых протоколов связи.

Двухуровневая система автоматизации радиоастрономических наблюдений на радиотелескопе РТ-22 ФИАН [16] содержит три управляющие ЭВМ, объединенные высокопроизводительной локальной шиной со скоростью обмена до 1.25 Мбит/с. Шина реализована по схеме кольца. На уровне сбора информации и управления используются микро-ЭВМ СМ1634.18 и СМ1634.14 (ТВСО-1 и ТВСО-2 соответственно). ЭВМ верхнего уровня СМ-2М используется для обработки данных, подготовки рабочих файлов, счета и работ по развитию системы. Модульное строение программного обеспечения и использование алгоритмического языка ФОРТРАН IV обеспечивают рас-

ширяемость системы. Программные комплексы работают в параллельном многозадачном режиме. Вся обработка спектральных наблюдений производится в ЭВМ верхнего уровня. Система реализована как единый локальный комплекс с достаточным уровнем обработки. Но в этих системах не реализуется многофункциональность применения радиоастрономических систем и не предусматривается их комплексирование в более сложную систему. Аппаратные средства также реализованы в лабораторном исполнении.

1.3. Особенности построения СКУНП

Анализ характеристик основных систем НП позволил определить особенности построения СКУ НП и выделить функции, которые они должны выполнять для реализации режимов работы НП.

НП представляет собой совокупность нескольких автономных подсистем, обеспечивающих научные исследования в области астрофизики, метеорологии, геофизики, измерений траекторий движений ИСЗ и ряда прикладных задач [1]. Это обстоятельство предполагает реализацию автономного управления подсистемами, т.е. ориентацию на "технологические" подсистемы. В то же время конфигурация этих подсистем в один комплекс обеспечивает комплексное решение задач радиоинтерферометрических измерений, что диктует необходимость введения централизованного управления всем комплексом подсистем [22].

Ряд задач, например, голографические юстировки параметров антенны, измерение траекторий ИСЗ с использованием комплекса магнитной записи основных каналов и др., требуют реализации логического (функционально-группового) управления частями общего комплекса в различных режимах. Создание СКУ НП в условиях таких противоречивых требованиях предполагает реализацию многоуровневой системы автоматизации.

Некоторые поставляемые производителями системы НП имеют в своем составе средства микропрограммного управления и предварительной обработки информации [23]. Взаимодействие СКУ НП с ними должно поддерживаться на уровне информационной совместимости, что также предполагает реализацию многоуровневой системы.

Многообразие решаемых НП задач, их частная модификация и неполная информация о них на этапе создания системы, требуют реализации ее архитектуры с возможностью переконфигурирования СКУ НП на объекте или дистанционно из ЦУОД [24].

Условия эксплуатации и требование обеспечения работоспособности системы в условиях периодического обслуживания не более I часа в сутки предполагают реализацию СКУ НП с определённым уровнем отказоустойчивости. Эта концепция требует проведения исследований надежности аппаратных средств, реализации ряда мер по увеличению надёжности аппаратных и программных средств, а также реализации распределенности управления подсистемами НП.

НП представляет собой комплекс сооружений: здание НП, антенна с азимутальной и подзеркальной кабинами, метеостанция, автономная станция наблюдений ИСЗ, электроэнергетические сооружения (общий вид основных сооружений приведен в приложении 4). Большие размеры объекта и необходимость размещения в них технических средств СКУ НП предполагает реализацию системы как распределенной с использованием локальных сетей передачи информации.

1.4. Технические требования к СКУ НП

СКУ НП должен обеспечивать одновременную и независимую работу всех подсистем НП в режимах наблюдения, юстировки, контроля и обслуживания.

СКУ НП должна охватывать основное и вспомогательное оборудование НП и реализовывать полный состав функций контроля и управления, включая:

•обмен информацией с ЦУОД;

•сбор, обработку и анализ информации о состоянии НП и системы; •принятие управляющих решений и выдачу команд на их реализацию как средствами дистанционного управления по инициативе и под контролем оператора НП (или оператора ЦУОД), так и средствами программно-логического управления;

•оперативное изменение режимов работы подсистем НП и формирование алгоритмов управления ими.

Суммарное число входных и выходных сигналов СКУ НП до 3 тысяч, в том числе:

•дискретных сигналов вывода ТТЬ уровня - 1216; •дискретных сигналов ввода ТТЬ уровня - 1200;

•выходных сигналов управления силовыми коммутирующими устройствами - 80;

•входных сигналов состояния коммутирующих устройств - 80;

•аналоговых входов - 161;

•числоимпульсных входов - 2;

•станций канала общего пользования - 8;

•каналов интерфейса ИРПР - 1;

•каналов интерфейса ИРПС - 37.

Оборудование СКУ НП по климатическим факторам должно относиться к группе 1 ГОСТ 21552-84 [25].

Оборудование, расположенное в кабинах антенн, должно обеспечивать устойчивость к воздействиям ускорения не более 0.5 м /с2, вибрации с частотой не более 200 Гц с амплитудой не более 0.3 мм

Эксплуатация СКУ НП должна обеспечиваться в условиях периодического обслуживания не более 1 часа в сутки.

Выводы:

1 .Анализ уровня реализации существующих автоматизированных систем радиоастрономических комплексов показал их индивидуальность в выборе способов и средств реализации, отсутствие преемственности развития таких систем и расширения функциональных возможностей. В них не реализуется многофункциональность применения радиоастрономических систем, не обеспечивается комплексная автоматизация и не предусматривается их комплексирование в более сложные системы по уровням иерархии. Аппаратные средства этих систем реализованы в основном в лабораторном исполнении.

2.0сновными требованиями к СКУ НП являются: реализация централизованного управления всем комплексом подсистем НП с возможностью автономного, т. е. ориентированного на «технологические» подсистемы, управления и построение многоуровневой системы автоматизации. Многофункциональность задач НП требует реализации архитектуры системы управления, ориентированной на частую локальную или производимую дистанционно из ЦУОД её переконфигурацию. СКУ НП должна быть распределённой с использованием локальных сетей передачи информации и принятия мер по увеличению её надёжности.

3.Существующие системы автоматизации радиоастрономических комплексов не могут быть использованы для реализации СКУ НП вследствие несоответствия их предъявляемым к СКУ НП требованиям и выполняемым ею функциям. Для реализации этих требований необходимо создание автоматизированной системы управления, адекватно соответствующей объекту управления, на основе построения и исследования её модели.

2. МОДЕЛЬ И ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ МНОГОУРОВНЕВОЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ НАБЛЮДАТЕЛЬНОГО ПУНКТА

2.1. Подход к построению модели СКУ НП

Радиоинтерферометрический комплекс, решающий отмеченные выше (п. 1.1.) задачи в целом является автоматизированной системой проведения научных исследований (АСНИ) в области радиоастрономии [1, 26], а СКУ НП является частью АСНИ, состоящей, в свою очередь, из совокупности компонент. В зависимости от точки зрения на систему в ней могут быть выделены различные совокупности компонент, которые могут также рассматриваться как система [27]. Место системы в более крупном образовании (метасистеме) определяется общесистемным свойством (или группой свойств) [28], которое формируется в результате взаимодействия компонент при их объединении в систему. Под формальной моделью СКУ НП, обеспечивающей проведение целого комплекса научных исследований в радиоастрономии, понимаем не одну модель, а систему взаимосвязанных моделей, отражающих различные аспекты научных исследований, проводимых с использованием НП [29].

Понятие целостности является одним из нормативов описания системных объектов [30], поэтому в качестве концептуальной базы для построения модели СКУ НП использован системный подход [31]. Концептуальной основой системного подхода является то, что система и ее окружающая среда как целостности могут быть структурированы на конечную совокупность взаимосвязанных некоторыми отношениями компонент (подсистем), а каждая компонента, в свою очередь, может быть рассмотрена как система и также

структурирована на конечную совокупность компонент, связанных некоторыми отношениями между собой и другими компонентами [32, 33]. Согласно системной концепции [29] существование системы как целого определяет существование отдельных выделенных в ней элементов, т.е. предполагается первичность системы как целого по отношению к элементам структурированной системы [34]. Это дает возможность рассматривать систему в целом и любую ее компоненту как целостность, в которой можно выделить совокупности компоненты, рассматриваемых как целостности.

В соответствии с принципом множественности описаний системы построение ее модели может быть реализовано на основе морфологического, функционального и информационного описаний системы [35]. Взаимодействие и взаимостимулирование этих описаний является основой развития представлений о системе и методе разработки новых систем.

В [27 и 29] введено общее представление системы

2= 14

где ^ - система, |-совокупность описаний системы, а - точка

зрения с которой осуществляется описание системы, И - совокупность отношений описаний друг с другом.

Это выражение отражает множественность описания системы в соответствии с совокупностью точек зрения на эту систему.

Важным принципом системного подхода является принцип иерархии [36]. Основным для концепции иерархии является понятие уровня. Существенными характеристиками иерархических структур являются следующие утверждения: подсистемы, составляющие данную систему, расположены непосредственно вертикально; подсистемы более высокого уровня имеют право вмешиваться в деятельность более низкого уровня; действия подсистем верхнего уровня зависят от фактических действий подсистем нижнего уровня. В [29] для построения модели и теоретической концепции создания АС-

НИ принят следующий принцип иерархичности: в системе можно выделить несколько иерархических структур различных типов или смешанных типов. При этом имеет место взаимодействие и тесная связь этих иерархий системы.

Интерпретируя изложенные выше принципы системного подхода применительно к задаче построения СКУ НП можно определить следующие этапы ее создания [29, 31]:

1. Разработать модель СКУ как метасистемы, определить место каждой компоненты в метасистеме и определить свойства метасистемы как целостности.

2. Произвести структурирование каждой компоненты. При этом должна быть построена иерархия моделей, отражающая отдельные аспекты метасистемы, выделенные как основные решаемые НП задачи в результате системного анализа проблемы.

3. Рассмотреть особенности взаимодействия системы с окружающей средой (технологическим объектом управления, оператором-исследователем, ЦУОД и т.д.) с учетом места этого образования в метасистеме, построить соответствующую иерархию моделей. Понимание этого взаимодействия, формализация такого взаимодействия позволит осуществить построение моделей процессов адаптации СКУ НП к задачам по рекомендации исследователя, а затем на основании такой модели реализовать это свойство СКУ НП.

4. В иерархии моделей, описывающих непосредственное взаимодейст-

V V/ о ТЧ

вие системы с окружающей средой, построить иерархию описании. В каждом описании представить систему как совокупность элементов системы и окружающей среды с некоторыми отношениями между ними. Сформулировать аксиомы, которые определяют свойства этих описаний и содержательные моменты, на основании которых осуществляется структуризация, установить связи между различными описаниями.

5. Разработать конкретные принципы построения модели СКУ НП, которые способствовали бы целостности СКУ НП и служили методологическим средством построения модели.

6. На основе описанной модели СКУ НП построить структуру СКУ

НП.

2.2. Общий вид модели СКУ НП

Модель СКУ НП как метасистему построим как совокупность конечного числа описаний системы, между которыми установлены некоторые отношения [27, 34, 37]

где ^ - модель системы, {]>]] - описание системы с ьтой точки зрения, им - совокупность отношений описаний.

Целостность СКУ НП при этом обусловлена иерархией описаний [29].

Совокупность частных описаний в (1) может и не дать полного описания автоматизированной системы, но это не должно служить препятствием для практического применения модели (1), так как модель создается не для того, чтобы копировать действительность во всем ее многообразии, а чтобы определить реальную систему адекватно некоторым поставленным целям [34]. При изменении представлений о СКУ НП (что важно при ее проектировании в условиях недостаточности информации о подсистемах НП) модель ]Г. допускает добавление новых описаний, так что сохраняется отображаемая моделью целостность СКУ НП [31].

Для каждой конкретной точки зрения на систему из совокупности точек зрения в (1) должен быть определен набор названий (имен) отношений

С2: компонент системы и список соглашений (аксиом) Аь которые должны выполняться для этих отношений, т.е.

Ц = (2)

Л|={лп,...Ау„...,Ав}, (3) где - имя отношения, Лщ - аксиома.

Формальная теория Т^ определяется перечнем всех заданных аксиом и перечнем имен всех отношений, соответствующих выбранной точке зрения [27], т.е.

Тг{^,.,Л,},/ =й (4)

Из (2)-(4) следует, что формальной теории Т^ может соответствовать совокупность различных частных описаний, т.е. для справедливо выражение [27]:

где - частное описание частного описания с ] точки зрения из

совокупности точек зрения, Ы1У - имя отношения из перечня имен (2), для которых выполняются все аксиомы (3). Таким образом, частное описание системы является интерпретацией формальной теории на некоторой совокупности компонент системы. Система, окружающая среда и все выделенные в них компоненты представляются процессами.

Анализ функций, выполняемых подсистемами НП, позволяет определить в модели СКУ НП (1) (как метасистеме) частные описания с различных точек зрения: объектов исследования (^ ), пользователей системы (]Г ),

решаемых задач ) и средств реализации (^ )

Как было сказано выше (стр. 11,12), объектами исследования для НП и, следовательно, для соответствующих подсистем СКУ НП являются: 1) космические радиоисточники;

2) искусственные спутники земли;

3) электрические характеристики тропосферы;

4) геофизические параметры земной коры в месте расположения НП;

5) антенна ТНА -400;

6) оборудование подсистем НП.

Для первых четырех объектов основными функциями, представленными в виде совокупностей процессов, являются процессы настройки на объект и регистрации параметров объекта, а для последних двух объектов могут быть добавлены и процессы воздействия на них. Таким образом, частное описание СКУ НП с точки зрения объектов исследования может быть записано в виде:

где Хш'^в'Х!^ " процессы настройки на объект, воздействия на объект, регистрации параметров объекта, Я|У- отношения выделенных процессов между собой и с остальными процессами СКУ НП. Процессы XI, 5 существуют при ] >5.

Это частное описание характеризует адаптируемость СКУ НП к иерархии классов радиоастрономических объектов и определяет ее базовую конфигурацию.

Пользователи СКУ НП подразделяются на две категории, - пользователи основных подсистем НП (наблюдений космических радиоисточников и ИСЗ, исследования электрических характеристик тропосферы, геофизических параметров земной коры и параметров антенны ТНА-400) и пользователи локальных подсистем НП и комплексов подсистем по месту их расположения (кабины и помещения НП) [2].

К первой категории относятся:

1) ЦУОД, связь с которым обеспечивается либо по спутниковой, либо по телеметрическим каналам связи, или транспортировкой магнитных носителей;

2) оператор НП;

3) оператор подсистемы НИСЗ;

4) оператор подсистемы ЭХТ;

5) оператор подсистемы ГС;

6) оператор подсистемы РГПА.

Ко второй категории относятся:

1) Операторы пультов управления азимутальной и подзеркальной кабин.

2)Операторы локальных подсистем СКУ: А, КВП СВЧ и ЧВС1, МКС, СПС, РД и ЧВС2, СПД, Э.

Для пользователей первой категории должны быть созданы прикладные задачи управления и регистрации данных, т.е. они определяют локальные конфигурации НП к которым проектируется управление.

Для пользователей второй категории задачи более узкие, они не определяют локальные конфигурации НП. Основной класс задач, - отработка систем (или комплексов оборудования азимутальной или подзеркальной кабин) и проверка их работоспособности.

Для всех категорий пользователей (клиентов) характерны процессы анализа, действий и ответных сообщений СКУ НП в ответ на обращение пользователей.

Частное описание СКУ НП с этой точки зрения:

где , - процессы анализа, действий и ответных со-

общений системы на обращение пользователя, И^у - отношение выделенных процессов между собой и остальными процессами СКУ НП.

Объекты исследования НП порождают соответствующие им задачи: наблюдения космических радиоисточников и ИСЗ, измерения электрических характеристик тропосферы и геофизических параметров земной коры в месте расположения НП, радиоголографической юстировки параметров антенны ТНА-400 и диагностики оборудования НП.

Каждая компонента частного описания с точки зрения решаемых задач ( ) содержит процессы формирования и управления схемой эксперимента

и процессы обработки (интерпретации) экспериментальных данных.

где Хзг'Хзи " процессы формирования и управления схемой эксперимента и обработки (интерпретации) экспериментальных данных.

С этой точки зрения СКУ НП должна конфигурироваться на комплексе основных прикладных задач радиоастрономии. Реализация этих задач осуществляется комплексом задач взаимодействия с подсистемами НП, которые могут быть представлены частными описаниями модели (8) следующего уровня иерархии, рассмотренного ниже.

С точки зрения средств реализации частное описание СКУ НП (^ )

может быть представлено совокупностью аппаратных и программных компонент связанных определенными отношениями, основными из которых являются поддержка процессов функционирования и организация требуемых конфигураций аппаратно-программных средств, реализующих основные задачи НП. В сложившейся терминологии [2] эти средства названы СКУ подсистем НП.

В СКУ НП можно выделить пять СКУ подсистем, соответствующих решаемым задачам НП (диагностика оборудования с этой точки зрения может не являться самостоятельной подсистемой). В СКУ подсистемы наблюдения космических радиоисточников, в свою очередь, входят ряд локальных СКУ: антенны (А), комплекса высокочувствительных приемников СВЧ и их подсистемы частотно-временной синхронизации (КВП СВЧ и ЧВС1), микрокриогенных систем (МКС), системы преобразования сигналов (СПС), системы регистрации данных и ее подсистемы частотно-временной синхронизации (РД и ЧВС2), системы передачи данных по спутниковым каналам связи (СПД), электроснабжения НП (Э).

Частное описание 14 = {{(14Г )У,(14Я ^'.^М"!,} (9)

гДе Х47"Х4я " процессы обеспечивающие функционирование аппаратной и программной компонент системы, отношения выделенных процессов между собой и остальными процессами системы.

2.3. Иерархии частных описаний

Частные описания (6)-(9) в целом характеризуют концептуальную модель СКУ НП, в которую включены также объекты исследований. В радиометрическом режиме НП в этом случае является составной частью радиотелескопа КВАЗАР, который может быть интерпретирован как метаметасисте-ма, модель которой также описывается с различных точек зрения. Таким образом, иерархии модели (1) могут расти как вниз так и вверх. В радиометрическом режиме НП должен обеспечивать решение комплекса автономных задач исследований космических радиоисточников. В этом варианте использования НП модель СКУ НП должна содержать частное описание (6), характеризующее ее адаптируемость к иерархии классов радиоастрономических объектов. Число уровней иерархии и общее число частных моделей в иерар-

хии зависит как от целей, в соответствии с которыми создается модель системы, так и от общего уровня знаний о системе, которыми мы располагаем к моменту построения модели.

В настоящей работе рассмотрена модель СКУ НП как модель технической системы управления, обеспечивающей автоматизированное управление оборудованием радиотелескопа. Технологическим объектом управления (ТОУ), то есть окружающей средой в которую погружена СКУ НП, в этом случае являются подсистемы НП. Они могут быть представлены как совокупность процессов в ТОУ, с которыми взаимодействуют независимые наборы процессов в подсистемах СКУ НП, реализующие частное описание СКУ НП с точки зрения решаемых задач (8). Процессы в подсистемах СКУ НП определяют структурирование процессов в частном описании СКУ НП (8) в соответствии с их функциональной специализацией. Эти процессы могут быть представлены в виде двух совокупностей - функциональных процессов, определяющих функциональные возможности системы по отношению к окружающей среде, и базисных процессов, определяющих базис, на котором реализуются алгоритмы работы функциональных процессов. Базисные процессы непосредственно не взаимодействуют с процессами в ТОУ и могут взаимодействовать только между собой и с функциональными процессами

Приведенные в частной модели (8) процессы обработки ( интерпрета-

обеспечивающими организацию функционирования СКУ НП в соответствующих классах задач. Процессы формирования и управления схемой экспе-

[27].

ции ) экспериментальных данных

являются базисными процессами,

римента

римента могут быть представлены совокупностями функциональ-

j

ных процессов ™) и процессов ТОУ (]£ ™У) • Тогда частное описание (8) можно записать в виде:

Е,={{(1?Д.(1зГые4}1,} (ю)

Для модели (10) установим, что ни один процесс из любой совокупности процессов ТОУ не может входить ни в какие совокупности функциональных или базисных процессов, и ни один процесс из любой совокупности базисных процессов не может входить ни в какие совокупности функциональных процессов.

С учетом приведенного выше определения базисных процессов и предположения, что с процессами из совокупностей процессов ТОУ могут взаимодействовать только процессы из совокупностей функциональных процессов, можно утверждать, что в (10) входят одноместные отношения принадлежности процессов к соответствующим совокупностям, двуместные отношения взаимодействия функциональных процессов с процессами в ТОУ и с базисными процессами, двуместные отношения взаимодействия разных одноименных совокупностей и двуместные отношения взаимодействия процессов во всех совокупностях самих с собой.

Каждая }-я задача в (10) реализуется, как отмечалось выше, комплексом задач взаимодействия с подсистемами НП, которые могут определяться следующими по иерархии описаниями зу.

Если предположить, что функциональные возможности СКУ НП проявляются только через взаимодействие функциональных процессов с процессами в ТОУ, то базисные процессы на этом уровне иерархии можно не рассматривать. При условиях, что совокупности функциональных процессов и процессов в ТОУ состоят из одинакового конечного числа наборов соответствующих процессов и процессы в разных одноименных наборах попарно независимы (хотя в таких наборах могут встречаться и одинаковые процессы), выражение для модели при решении задачи наблюдения космических радиоисточников (]=1) будет иметь вид:

где R3U- имена отношений процессов, местности не более двух. Аналогичные описания могут быть приведены и для других j - ых моделей в частном описании (10). Значения i определяются из необходимости конфигурирования каждой задачи на подсистемы СКУ НП: i=l для задач наблюдения ИСЗ и исследования геофизических характеристик земной коры, i=2 для задач измерения электрических характеристик тропосферы и радио-голографической юстировки антенны (дополнительно задействована СКУ

А).

Реализация СКУ НП в условиях неполной информации о совокупности процессов в ТОУ приводит к необходимости построения модели отдельной совокупности функциональных процессов как частного описания модели (11). Эта модель может быть построена с учетом следующих соглашений:

•в СКУ НП должна быть такая часть, которая присутствует в каждом процессе из совокупности функциональных процессов и обеспечивает поддержку соответствующего управления. Эта общая часть сама никаких сигналов не принимает и не выдает, функционирует по своим законам и никак не связана с сигналами и объектами управления;

•с совокупностью процессов ТОУ могут взаимодействовать функциональные процессы только из набора первого (примыкающего к окружающей среде) уровня иерархии совокупности функциональных процессов;

•функциональные процессы из набора любого уровня иерархии совокупности функциональных процессов могут взаимодействовать только друг с другом, с процессами из наборов, примыкающих сверху или снизу в иерархических уровнях или сами с собой;

•в СКУ НП не нужно фиксировать никакую конкретную прикладную задачу, а следует фиксировать лишь способ ее реализации и включения в СКУ НП. При этом вопрос о количестве прикладных задач передается и ре-

шается на пользовательском уровне. В базовом исполнении достаточно реализации систем управления несколькими (известными на момент разработки) основными подсистемами НП.

Таким образом, СКУ НП должна быть реализована как открытая система, состоящая из постоянной части функциональных процессов и части их расширения. Ее основная задача - предоставить средства и среду для создания, комплексирования и исполнения наборов функциональных процессов, реализующих взаимодействие с каждым процессом ТОУ.

Для совокупности процессов ТОУ ХГги выражение для иерархического описания функциональных процессов ^ 311 имеет вид:

I{{(I я,), з^М^з,,л:;}-(")

Количество уровней к в иерархии частной модели (12) определяется уровнем технической реализации подсистем НП с учетом приведенных выше соглашений.

При разработке оборудования подсистем НП было признано целесообразным использовать в некоторых из них локальных систем с микропрограммным управлением. СКУ НП в этом случае должна обеспечивать информационную совместимость с локальными микропрограммными автоматами управления. При отсутствии микропрограммного управления СКУ НП должна непосредственно взаимодействовать с датчиками и исполнительными механизмами подсистем СКУ НП. Решение этих задач обмена информацией с подсистемами НП определяет младший (первый) иерархический уровень модели (12). Эта подсистема взаимодействия с ТОУ.

Следующий (второй) уровень, - уровень подсистемы локального управления, должен обеспечивать решение задач взаимодействия с экспериментальными данными, выполнения функций управления и регулирования подсистемами НП. На этом уровне необходимо также реализовать выполне-

ние задач автономной отладки аппаратуры и прикладных программ, а также тестирование подсистемы.

Третий иерархический уровень - подсистема связи управляющих программ и конфигурирования. Подсистема этого уровня реализует задачи общей направленности действий СКУ НП, организует взаимодействия ее подсистем и обеспечивает выполнение функциональных задач СКУ НП. На этом уровне должна быть реализована поддержка оперативного управления НП (выполненным в соответствии с частным описанием (7)).

Таким образом, общее число уровней иерархии в модели (12) к = 3.

Для реализации первого соглашения необходимо выделение на каждом из трех уровней базовых конфигураций задач, обеспечивающих работу подсистем СКУ НП независимо от их функционального назначения. На нижнем уровне иерархии это могут быть библиотечные элементарные задачи, реализующие предобработку сигналов, набор элементарных задач воздействия на объект. На уровне подсистемы локального управления - это задачи поддержки структур данных, исполнения тестов оборудования, отладки, а также библиотеки элементарных задач управления и регулирования. На этом уровне необходима конфигурация задач системной поддержки, транспортного уровня локальной сети и поддержки резервирования. На верхнем (третьем) уровне иерархии к постоянной части функциональных процессов отнесены задачи системной поддержки, поддержки функционирования локальной сети, анализа ошибок и инициализации каналов связи, взаимодействия с ЦУ-ОД, конфигурирования, формирования управляющих программ НП, исполнения тестов оборудования и программ, поддержки оперативного управления и ввода-вывода. Класс этих задач может быть расширен по мере развития СКУ НП.

Поддержка процессов, определенных частным описанием модели СКУ НП (10) и его иерархическими описаниями (11) и (12), осуществляется сово-

купностью аппаратных и программных средств, определенных частным описанием (9).

Совокупность аппаратных и программных компонент может быть представлена совокупностями аппаратных и программных функциональных и базисных модулей, для которых также могут быть составлены иерархии уровней, адекватно соответствующие функциональным процессам описаний (10), (11) и (12). Базисные функциональные модули процессов функционирования аппаратной ™) и программной (Х^я) компонент системы также представлены вне иерархии отношений функциональных модулей процессов аппаратной (Х«^) и программной ) компонент системы, взаимодействующих с совокупностью модулей ТОУ, отражающих соответствующие в нем процессы. Отношение взаимодействия между модулями (я'^) при условии адекватности функциональным процессам должны удовлетворять соглашениям описания (9).

В общем случае, уровни иерархии модели (9) могут быть расширены по отношению к описанию (12) введением дополнительных уровней этой модели, отражающих проблемно-ориентированные базовые (серийные) конфигурации аппаратно-программных средств и инструментальные средства их создания. Для СКУ НП создание таких средств не целесообразно, т. к. радиотелескоп не предполагается тиражировать.

Исходя из этих рассуждений и по аналогии с (11), выражение для иерархического описания ]Г41 модели аппаратно-программного комплекса системы наблюдений космических радиоисточников 0=1) имеет вид:

Иерархические описания функциональных модулей аппаратной ]|Г [п и программной ^ компонент в общем случае различны. Для программной компоненты справедливы описания задач (в данном случае - это соответст-

вующие задачам функциональные модули) при рассмотрении иерархических уровней модели (12), т.е. к = 3.

В этом случае:

I ?„ - {{(I г).{дж,}Г }• <14>

где X ?яп " совокупность функциональных модулей у/ иерархического уровня программной компоненты СКУ НП, ^ - совокупность модулей ТОУ, с которыми взаимодействуют к уровней программных (и аппаратных) компонент, - отношения взаимодействия между модулями программной компоненты СКУ НП, удовлетворяющие соглашениям модели (12).

Для аппаратной компоненты иерархического описания (13) число уровней иерархии к определяется конкретной реализацией соответствующей подсистемы НП. Для подсистем, имеющих микропрограммные автоматы управления к=3, для подсистем без них - к=2.

Таким образом:

I г„-({£ й),}^ >(£ г }, (15)

где X 4П1 -совокупность функциональных модулей у/ -го иерархического уровня аппаратной компоненты СКУ НП, - отношения взаимодействия между модулями аппаратной компоненты СКУ НП, удовлетворяющие соглашениям модели (12).

Частное описание с точки зрения пользователей системы (7) определяет в частности подсистему оперативного управления НП, которая должна взаимодействовать с верхним уровнем иерархии рассмотренных выше моделей (10) - (15). Это связано с необходимостью реализации для первой категории пользователей человеко-машинной системы управления, приоритет действий в которой отводится оператору-исследователю. В соответствии с требованиями к системе, даже режимы взаимодействия с ЦУОД должны вклю-

чаться (отключаться) оператором, что в свою очередь приводит к необходимости производить загрузку задач взаимодействия с ЦУОД (диспетчер управления ЦУОД) в диалоговом режиме с оператором НП.

Пользователи второй категории включены в подсистему локального управления. Они могут взаимодействовать с ТОУ как автономно, используя подсистему локального управления и взаимодействия с ТОУ СКУ НП, так и в составе СКУ НП под управлением задач подсистемы связи управляющих программ и конфигурирования, что позволяет реализовать для них режимы использования нескольких подсистем НП одновременно.

2.4. Структура СКУ НП

Выражения (8), (10) - (15) отражают совокупность принятых соглашений, составляющих содержание СКУ НП. На основе описанной модели СКУ НП, выделенных в ней компонент, определения связей между ними и использовании функционального признака их объединения в группы, решающие однородные задачи, построена структура СКУ НП, приведенная на рис.2.

Структура системы представлена в виде иерархии подсистем, обеспечивающих организацию взаимодействия ее с ТОУ и оператором НП. В структуре отражены задачи подготовки и проведения наблюдений, организации взаимодействия с экспериментальными данными, формирования основных функций взаимодействия с ТОУ и тестирования.

Предложенная структура обеспечивает реализацию основных требований к СКУ НП и является основой для построения архитектуры системы с использованием современных средств вычислительной техники и микропро-граммируемых контроллеров.

Выводы:

1. Модель системы построена в виде совокупности частных описаний, определенных с точек зрения решаемых задач и средств реализации, для которых определены отношения выделенных процессов между собой и остальными процессами СКУ НП. С точки зрения решаемых задач компонента частного описания содержит процессы формирования и управления схемой эксперимента и процессы обработки экспериментальных данных. Частное описание с точки зрения средств реализации представлено совокупностью аппаратных и программных компонент, связанных отношениями, обеспечивающими поддержку процессов функционирования аппаратно-программных средств и организацию на их базе требуемых конфигураций для реализации основных задач , связанных отношениями, обеспечивающими поддержку процессов функционирования аппаратно-программных средств и организацию на их базе требуемых конфигураций для реализации основных задач НП, т. е. подсистем СКУ НП.

2. На основе введенных понятий базисных и функциональных процессов, процессов технологического объекта управления (ТОУ), а также принятых соглашений при построении модели СКУ НП описаны иерархии частных описаний модели СКУ НП, которые дают описания выполняемых функций и связи этих функций между собой в СКУ НП как целостной системе. На примере модели решения задачи наблюдений космических радиоисточников описаны все иерархии частных описаний, позволяющие реализовать СКУ НП как открытую систему, состоящую из постоянной части функциональных процессов и части их расширения.

3. Анализ частных описаний позволил определить основные компоненты, обеспечивающие выполнение требований, предъявляемых к системе с рассматриваемых точек зрения. На основании определения связей между компонентами системы и использовании функционального признака их объединения в группы, решающие однородные задачи, построена структура

СКУ НП, которая представлена в виде иерархии подсистем. На нижнем уровне иерархии находится подсистема взаимодействия с ТОУ, далее расположены подсистемы локального управления, связи управляющих программ и конфигурирования, верхнему иерархическому уровню соответствует подсистема оперативного управления НП. В структуре отражены задачи подготовки и проведения наблюдений, организации взаимодействия с экспериментальными данными, формирования основных функций взаимодействия с ТОУ и тестирования.

Предложенная структура обеспечивает реализацию основных требований к СКУ НП и является основой для построения архитектуры системы с использованием современных средств вычислительной техники и микропро-граммируемых контроллеров.

Рис. 2.

Структура СКУ Hfl

41 r tl -HH-^

3. АРХИТЕКТУРА СКУ НП

3.1. Требования к основным элементам архитектуры

Стратегия развития современных систем управления - многопроцессорность и реализация встроенных микропроцессорных систем. Их усложнение обуславливает использование распределенных операционных систем реального времени (ОС РВ), программные компоненты которых могут исполняться под управлением диспетчера на независимых процессорах [4, 38, 39].

В таких системах используется ядро какой-либо существующей ОС РВ (RT-11, VMS, QNX и др.), а для решения вопросов планирования задач и обеспечения связи между ними требуется быстрая передача информации между процессорами. Объем передач, обеспечивающий межпроцессорные связи и способ их реализации, - определяют отличия архитектур современных систем.

При построении автоматизированных систем управления наибольшее распространение получили концепции построения автоматизированных производств MAP (Manufacturing Automation Protocol), которые используются и на уровне непосредственного управления процессом и на уровне его планирования и административного управления. [40].

Нижнему иерархическому уровню MAP соответствует так называемая периферическая шина сбора и первичной обработки данных, к которой подключаются непосредственно интеллектуальные контроллеры сбора первичной информации об исследуемом процессе. Через эти контроллеры осуществляется и обратная связь, т.е. управление процессором.

Отличительными особенностями данной шины по сравнению с магистральными шинами и локальными сетями является более высокое быстродействие, минимальная стоимость, высокая надежность передачи информации, модульное исполнение и высокая универсальность.

Протокол шины и используемые интерфейсы обмена определяют ее тип и отличительные особенности. Часто используются стандартные типы шин: BITBUS, MAP - Token Passing Bus и Token Ring [40, 41] на базе которых реализуются сравнительно небольшие системы (до 1,5-2 тысяч параметров).

Наиболее мощные системы, например WDPF - II фирмы Westinghouse [42], используют шины, в которых количество событий не влияет на скорость передачи информации, т.е. реализуется детерминистический принцип организации обмена. Количество параметров в ней достигает 30-г40 тысяч, обеспечивается их постоянная верификация и диагностика. Многозадачность реализуется контроллерами, объединенными локальной сетью на шине MULTIBUS II в локальные процессорные узлы (CPU). Периферическая шина Westnet Data Highway реализует связь между управляющими программами, которые используются в локальных процессорных узлах.

Это расширение концепции MAP для построения больших автоматизированных систем управления, реализующих уровни локального, функционально-группового, оперативного и неоперативного управления, представлено на рис.3.

Уровень функционально-группового управления может быть реализован и в базовой концепции MAP, т.е. можно исключить шину реализации многозадачности. Это возможно, если периферическая шина и CPU уровня локального управления обеспечивают реализацию всех функций АСУ для конкретного ТОУ.

Рис. 3. Концепция построения больших автоматизированных систем управления

Требования к производительности шины и выбору CPU уровня локального управления для СКУ НП могут быть определены из анализа полной информационной модели СКУ НП, создание которой завершается, как правило, после длительного срока опытной эксплуатации радиоинтерферомет-рической системы в целом.

На этапе разработки СКУ НП оценка требований к производительности периферической шины и выбору типа CPU уровня локального управления была сделана из анализа максимальных потоков сигналов контроля и управления основных подсистем НП [2, 43]. Эти данные приведены в табл.1.

Заключение диссертации по теме «Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)», Зензин, Александр Степанович

Основные результаты работы.

•Определены основные требования, предъявляемые к автоматизированным системам в радиоастрономии, на основе их анализа обоснована необходимость разработки нового класса систем (многоуровневого взаимодействия), для которых характерна высокая степень распределенности и надежности.

•Предложена модель системы автоматизации наблюдательного пункта и проведен её анализ, позволивший выделить компоненты базовой конфигурации, объектно-зависимые компоненты, допускающие параметрическую настройку и компоненты генерации функциональных модулей.

•Разработана архитектура СКУ НП, обладающая возможностью дистанционной переконфигурации по информационным каналам и позволяющая эффективно развивать систему по мере изменения и наращивания выполняемых функций.

•Выполнен анализ надежности аппаратно-программных средств СКУ НП, предложены способы повышения отказоустойчивости и живучести системы за счет совершенствования ее структурной организации и уменьшения времени обнаружения отказа элементов при тестировании, что позволило получить интенсивность отказов СКУ НП в наблюдательном режиме, не превышающую 5.4 * 10"4 1/ч.

•Разработан набор аппаратных средств для комплексирования типовых конфигураций систем автоматизации радиоастрономических комплексов. В серийное производство внедрено сорок пять типов приборов и устройств и семь типов унифицированных базовых конфигураций.

•Разработаны аппаратные и программные средства локальной сети с маркерным доступом, обеспечивающие производительность до 180 Кбайт/с.

•Создана СКУ НП радиоинтерферометрического комплекса КВАЗАР как система четырёхуровневого взаимодействия с элементами отказоустойчивости. Проведенные комплексные испытания с подсистемами наблюдательного пункта подтвердили правильность выбранной концепции и архитектуры системы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Зензин, Александр Степанович, 1998 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Finkelstain A.M., Grachev V.G., Gubanov V.S., Ipatov A.V., Kaidanovskii M.N., Kozyrenko A.A., Korkin E.I., Smolenzev S.G., Stotskii A.A., Umarbaev N.D., Yatskiv Ya.S. Eurasien VLBI Network Quasar. // Turkish Journal of Physics, vol. 19, 1995, pp.1445-1451.

2. Система контроля и управления наблюдательного пункта. Описание системы СКУ НП. Пояснительная записка ЖШСИ.031ПЗЗ // Конст-рукторско-технологический институт вычислительной техники СО РАН; руководитель разработки - А.С.Зензин, Новосибирск, 1988, 236с.

3. Виноградов В.И. Дискретные информационные системы в научных исследованиях. (1. Программо-управляемые модульные структуры) //М.Атомиздат, 1976, 208с.

4. Виноградов В.И. Информационно-вычислительные системы. (Распределенные модульные системы автоматизации) // М., 1989, 336с.

5. Калина Е.П., Кузьмичев Д.А. и др. Автоматизация экспериментальных исследований. // Долгопрудный: МФТИ, 1978, 144с.

6. Кузьмичев Д.А., Радневич И.А., Смирнов А.Д. Автоматизация экспериментальных исследований. Учебное пособие. // М., Наука, 1983, 392с.

7. Блинов В.П., Блинова Р.В. и др. Автоматизированный комплекс для измерения параметров антенной системы Сибирского солнечного радиотелескопа. // Радиоастрономическая аппаратура. XXI Всесоюзная конференция. Ереван, 1989, с.243-244.

8. Борисов В.В., Хохлов A.B., Ражев В.В. Автоматизированный комплекс радиотелескопов для солнечных наблюдений. // Тезисы докладов XVII Всесоюзной конференции, Ереван, 1985, с.181-183.

9. Жданов А.Ф., Пинчук Г.А., Стоцкий A.A., Хайкин В.Б. Система автоматической обработки радиоголографических измерений. // Тезисы докладов XVII Всесоюзной конференции, Ереван, 1985, с.29.

10. Алибегов М.М., Буров В.А. и др. Автоматизированный аппаратурный комплекс «Галс» с радиотелескопом ТНА-1500 для изучения динамики и структуры вспышечно-активных областей на Солнце. // Радиоастрономическая аппаратура. XXI Всесоюзная конференция. Ереван, 1989, с.257-258.

11. Велитченко В.Г., Карелин Ю.В. и др. Система автоматизации наблюдений и обработка данных радиотелескопа. // Радиоастрономическая аппаратура. XXI Всесоюзная конференция. Ереван, 1989, с. 260-261.

12. Соколов К.П. Система автоматизации радиотелескопа УТР-2. // Радиоастрономическая аппаратура. XXI Всесоюзная конференция. Ереван, 1989, с. 260-261.

13. Анбиндерис Т.Т., Вьялицин С.Н. и др. Автоматизированная многополюсная система для измерения комплексного коэффициента отражения. // II Научно-техническая конференция «Проблемы разработки измерительных приборов и систем со встроенным интеллектом и перспективы их развития». Каунас, 1988, с.52-54.

14. Бабиченко A.M., Востоков A.B. и др. 10-канальная автоматизированная система сбора и обработки данных радиотелескопа миллиметрового диапазона волн РТ-25*2 ИПФ АН СССР. // Радиоастрономическая аппаратура. XXI Всесоюзная конференция. Ереван, 1989, с.275-276.

15.Берулис И.И. и др. Автоматизация радиоастрономических наблюдений на радиотелескопе РТ-22. // Труды ФИАН, 1983, с.35-59.

16. Логвиненко C.B., Сороченко Р.Л., Цивилев А.П. Двухуровневая система автоматизации радиоастрономических наблюдений на радиотелескопе РТ - 22 ФИАН. // Радиоастрономическая аппаратура. XXI Всесоюзная конференция. Ереван, 1989, с.292.

17. Нестеров Н.С., Никитин П.С. Новая система наведения РТ-22 на базе IBM PC/AT и аппаратуры КАМАК. // XXVI радиоастрономическая конференция, Санкт-Петербург, 1995, с. 378.

18. Ерухимов Б.Л., Черненков В.Н. Трёхуровневый комплекс для автоматизации научных исследований на радиотелескопе РАТАН-600. // Микропроцессорные средства и системы. 1987, с.86.

19. Черненков В.Н., Цыбулов П.Г. Многопользовательская система сбора наблюдательных данных для радиометров непрерывного спектра. // XXVI радиоастрономическая конференция, Санкт-Петербург, 1995, С.389.

20. Карелин Ю.В., Руженцев Н.В., Сулима B.C., Чурилов В.П. Радиотелескоп РТ-2 диапазона 2-3 мм. // XXV радиоастрономическая конференция. Пущино, 1993, с.275.

21. ГОСТ 26.201-80. ЕССП. Система КАМАК. Крейт и сменные блоки. Требования к конструкции и интерфейсу.

22. Голубчин Г.С., Дедюхин A.B., Зензин A.C., Лычкин В.П. Система программного управления антенной ТНА-400-1 радиоинтерферо-метрического комплекса КВАЗАР. // В кн.: Радиотелескопы и интерферометры. Труды XXII Всесоюзной конференции. Ереван, 1990, с. 37-41.

23. Смоленцев С.Г. Система частотно-временной синхронизации радио интерферометрического комплекса. // Радиоастрономическая аппаратура. XXI Всесоюзная конференция. Ереван, 1989, с.287.

24. Голубчин Г.С., Зензин A.C. Система автоматизации наблюдательного пункта радио интерферометрического комплекса КВАЗАР с элементами отказоустойчивости. //Тезисы докладов XXV радиоастрономической конференции. Пущино, 1993, с.243.

25. ГОСТ 21552-84 Средства вычислительной техники. Общие технические требования, правила приёмки, методы испытаний, маркировка, упаковка, транспортирование и хранение.

26. Грачёв В.Г., Иванов И.А., Ланин Е.В. Экспериментальный центр управления и обработки данных радио интерферометрического комплекса. // Радиоастрономическая аппаратура. XXI Всесоюзная конференция. Ереван, 1989, с.285-286.

27. Домарацкий А.Н., Перова О.Б. Элементы теории автоматизированных систем научных исследований (системный подход) // Препринт ЛНИВЦ АН СССР №77. Л., 1985, 25с.

28. Дружинин В.В., Конторов Д.С. Проблемы системотологии. // М. Сов. Радио, 1976, 296с.

29. Перова О.Б. Системный подход к задаче построения автоматизированных систем научных исследований. // Препринт ЛНИВЦ АН СССР №79. Л., 1985, 34с.

30. Шрейдер Ю.А. Особенности описания сложных систем. // Системные исследования. Методол. Проблемы. Ежегодник. // М., Наука, 1983, с.107-124.

31. Ангельский А.Н., Голубчин Г.С., Зензин A.C. Системный подход к автоматизации наблюдательного пункта радио интерферометрического комплекса ИПА АН СССР. // Радиоастрономическая аппаратура. XXI Всесоюзная конференция. Ереван, 1989, с.263-264.

32. Садовский В.Н. Парадоксы системного мышления. Системные исследования. Ежегодник. // М., Наука, 1972, с.132-145.

33. Садовский В.Н. Проблемы общей теории систем как метатеории. Системные исследования. Ежегодник. // М., Наука, 1973, с.127-146.

34. Шрейдер Ю.А., Шаров А.А. Системы и модели. // М., Радио и связь, 1982, 152с.

35. Дружинин В.В., Конторов Д.С. Проблемы систематологии. // М., Сов. Радио, 1976, 296с.

36. Месаревич М., Мако Д., Такахара И. Теория иерархических многоуровневых систем. // М., Мир, 1973, 344с.

37. Перова О.Б. Модель автоматизированной системы научных исследований и формализация описания ее элементов. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. // Л., АН СССР, Ленинградский институт информатики и автоматизации, 1988, 102с.

38. Прангвишвилли И.В. Концептуальные основы построения современных АСУ ТП и АСУП. // ПиСУ, 1989, 4, с. 3-6.

39. Шенброт И.М., Антропов М.В., Давиденко К.Я. Распределённые АСУ технологическими процессами. // М., Энергоатомиздат, 1985, 248 с.

40. A. Valensano et al. MAP and TOP Communications. // Addison-Wesley, 1992.

41. Upender B.P., Koopman P.J. Communications Protocols for Embedded Systems. // Embedded Systems Programming, 7(11), November 1994, pp. 46-58.

42. PCD 002, Westinghouse Distributed Processing Family. // Product Catalogue. March, 1994.

43. Зензин A.C. Архитектура многоуровневой распределённой системы контроля и управления наблюдательным пунктом радиоинтерферо-метрического комплекса. // В кн.: Автоматизация исследований в ядерной физике и астрофизике. Тезисы лекций и докладов V между-

народной школы-семинара (Сочи, 16-23 октября 1992 г.). М., изд. НИЯФ МГУ, 1992, с. 86-88.

44. Айрленд Э.А. Обеспечение качества и надёжности сложных электронных систем: аппаратные и программные средства. // ТИИЭР, январь 1988, т.76, № 1, с. 4-20.

45. Карибский В.В., Лубков Н.В. Построение модели и анализ надёжности многопроцессорной вычислительной системы. // Автоматика и телемеханика. М., Наука, 1990, № 10, с. 171 -182.

46. Система контроля и управления наблюдательного пункта. Надёжность СКУ НП. Пояснительная записка ЖШСИ.031 П32. // Конст-рукторско-технологический институт вычислительной техники СО РАН. Руководитель разработки - Зензин A.C., Новосибирск, 1988, 94с.

47. Сифоров В.И. О методах расчёта надёжности работы систем, содержащих большое число элементов. // Радиотехника, 1995, № 4-5, с. 147-156.

48. ГОСТ 27.002-89. Надёжность в технике: термины и определения. // М., Издательство стандартов, 1989.

49. Луцкий В.А. Расчёт надёжности и эффективности РЭА. // Киев, Тэхника, 1966, 246с.

50. Волик Б.Г., Рябинин И.А. Эффективность, надёжность и живучесть управляющих систем. // Автоматика и телемеханика, 1984, №12, с. 12-18.

51. Додонов А.Г., Кузнецова М.Г. О некоторых стратегиях реконфигурации живучих вычислительных систем. // Гибридные вычислительные машины и комплексы, 1988, №11, с.76 -79.

52. Ангельский А.Н., Голубчин Г.С., Зензин A.C. Комплекс технических средств для построения распределенных АСНИ. В кн.: Автоматизация научных исследований. Тезисы докладов XXIV Всесоюз-

ной школы (17-26 сентября 1990 г.). Апатиты, изд. Кольского научного центра АН СССР, 1990, с.25-26.

53. Ангельский А.Н., Голубчин Г.С., Зензин A.C. Комплекс аппаратных средств многоуровнего взаимодействия для построения распределённой АСНИ в радиоастрономии. // Тезисы докладов XXV радиоастрономической конференции. Пущино, 1993, с.242.

54. Система контроля и управления наблюдательного пункта. Описание модулей системы. Пояснительная записка ЖШСИ.031.П31. // Конструкторско-технологический институт вычислительной техники СО РАН. Руководитель разработки - Зензин A.C., Новосибирск, 1988, 259с.

55. Stotskii A.A., Finkelstain A.M., Korkin E.I. Antenna for VLBI. In the book 'Mirror Antenna Construction'. Paper of URSI Riga Meeting. // Riga, 1990, pp. 66-71.

56. Разработка программного обеспечения управления и контроля системы наведения антенны ТНА-400-1: Отчет о научно-исследовательской работе. // ИЛА РАН. Руководитель темы Голубчин Г.С., Санкт-Петербург, 1991.

57. Система программного управления СПУ-5. Техническое описание Ж21.382.009. ТО. // ОКБ МЭИ, Москва, 1991.

58. Антенная система ТНА-400-1. Система управления. Пояснительная записка ЯЮ1.790.189 П31. // ИПА РАН. - Санкт-Петербург., 1991.

59. Антенная система ТНА-400-1. Электроприводы АС ТНА-400-1. Пояснительная записка ЭЮ 1.790.189 П32. // ИПА РАН. Санкт-Петербург, 1991.