Разработка структур и алгоритмов адаптивных распределенных информационно-измерительных систем летательных аппаратов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.16, кандидат технических наук Алеков, Алексей Анатольевич

• Алеков, Алексей Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Алеков, Алексей Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АДАПТИВНЫХ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ.

1.1. Общая характеристика приборного оборудования современных летательных аппаратов.

1.2. Особенности структурной и функциональной организации информационно-измерительных комплексов Л А.

1.3. Проблемы совершенствования и развития пилотажно-навигационных комплексов ЛА.

1.4. Контроль и диагностика состояния бортовых информационно-измерительных систем.

1.5. Цель и задачи диссертации.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА СТРУКТУР АДАПТИВНЫХ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННО- ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ.

2.1. Современные микропроцессорные информационно-измерительные системы летательных аппаратов.

2.2. Обзор современных технологий проектирования и отладки распределенных микропроцессорных ИИС ЛА.

2.3. Методы проектирования адаптивных распределенных

ИИС ЛА с программируемой архитектурой.

2.4. Разработка инструментальных моделей адаптивных распределенных ИИС ЛА с программируемой архитектурой.

2.5. Разработка базовых инструментальных средств отладки адаптивных распределенных ИИС с программируемой архитектурой.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ КОНТРОЛЯ АДАПТИВНЫХ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ.

3.1. Анализ показателей эффективности процессов контроля адаптивных распределенных ИИС ЛА.

3.2. Разработка моделей операций контроля.

3.3. Анализ характеристик предлагаемых моделей контроля.

3.4. Реализация разработанных методов контроля.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка структур и алгоритмов адаптивных распределенных информационно-измерительных систем летательных аппаратов»

Актуальность исследования. С развитием авиации, ростом числа и сложности задач, выполняемых летательными аппаратами (ЛА), существенно повысились требования к информационному обеспечению полета. Эксплуатационные характеристики современных ЛА определяются не только техническим уровнем его планера и двигательной установки, но и в большой степени совершенством бортового оборудования самолета. Это оборудование должно обеспечивать высокоточную навигацию, взлет и посадку ЛА в сложных метеоусловиях, всесторонний контроль, диагностику и локализацию отказов бортовой аппаратуры, информационную разгрузку экипажа.

Широкое применение в бортовом оборудовании ЛА цифровой вычислительной техники породило и новые проблемы проектирования этого оборудования на базе различных способов объединения измерительных систем и вычислительных средств в единые информационно-вычислительные комплексы. В этих условиях особенно актуальными стали выбор функционально-структурного облика бортового оборудования, а также разработка эффективного математического и программного обеспечения, необходимого для его функционирования.

Возросшая сложность бортовых информационно-измерительных и управляющих комплексов привела к необходимости автоматизации их проектирования, без которой принципиально невозможно разработать сложную техническую систему на уровне современных требований.

Развитие авиационной техники, расширение круга и возрастание сложности решаемых ЛА задач ставит перед разработчиками бортовых информационно-измерительных систем (ИИС) ряд задач, в том числе:

-обеспечение измерения, сбора и оптимальной обработки значительных объемов информации о положении ЛА, окружающей обстановке и состоянии бортовых устройств и систем;

-повышение надежности и живучести бортового информационно-вычислительного комплекса;

-повышение точности проводимых измерений и быстродействия устройств, как воспринимающих, так и обрабатывающих информацию;

-обеспечение экипажа всей необходимой информацией, ее рациональное обобщение и наглядное представление;

-значительное сокращение числа операций и длительности предполетной подготовки бортового комплекса.

Решение этих задач возможно на основе применения современной микропроцессорной элементной базы, а также передовых достижений в области проектирования высокоорганизованных информационно-измерительных систем с развитыми средствами адаптации и технического интеллекта.

Прогресс в развитии микроэлектронной вычислительной техники оказал существенное влияние на принципы построения информационно-измерительных систем JIA. Основным направлением качественного изменения ИИС, обусловленного внедрением микропроцессорных систем, является создание распределенных систем с программируемой архитектурой.

Характерными особенностями таких структур являются: иерархичность уровней обработки информации и управления; модульность построения функциональных звеньев и конструктивных частей; интеграция измерительных, вычислительных и управляющих средств. Благодаря этим особенностям структуры достигается существенное повышение точности и надежности бортовых ИИС во всех условиях применения летательных аппаратов.

В диссертации представлены результаты решения важной и актуальной задачи разработки структур и алгоритмов адаптивных распределенных бортовых информационно-измерительных систем, которые за счет оптимальной обработки измерительной информации, своевременной перестройки структуры и алгоритмов позволяют повысить эффективность информационно-вычислительных комплексов современных летательных аппаратов.

К новым научным результатам, полученным лично автором и включенным в диссертацию, относятся:

I Метод разработки структур адаптивных распределенных информационно-измерительных систем летательных аппаратов, учитывающий достижения современных автоматизированных технологий проектирования микропроцессорных информационно-вычислительных комплексов с программируемой архитектурой.

2. Структурно-алгоритмические модели целевой и инструментальной систем, позволяющие не только учитывать, но и уменьшать погрешность, вносимую инструментарием в работу целевой системы, в качестве которой может выступать любая разрабатываемая микропроцессорная информационно-измерительная система летательного аппарата.

3. Методика выбора и использования базовых архитектурных объектов микропроцессорных вычислительных систем при проектировании структур и алгоритмов адаптивных распределенных информационно-измерительных систем ЛА с программируемой архитектурой, обеспечивающая ускорение процесса разработки систем, повышение его качества и прозрачности.

4. Способ вложенной отладки адаптивных микропроцессорных вычислительных структур, позволяющий за счет оптимального выбора инструментальных средств отлаживать и тестировать адаптивные распределенные информационно-измерительные системы различного назначения и сложности при помощи нескольких видов инструментальных серверов.

5. Инструментальная система, позволяющая в сжатые сроки с малыми затратами разрабатывать структуры и производить тестирование и отладку сложных адаптивных распределенных информационно-измерительных систем через единый инструментальный интерфейс.

6. Метод контроля работоспособности адаптивных распределенных информационно-измерительных систем, позволяющий за счет рандомизации межконтрольных интервалов повысить вероятность своевременного обнаружения моментов возникновения аварийных ситуаций.

7. Детерминированные и стохастические модели операций контроля, чувствительные к времени задержки обнаружения аварийных ситуаций, которые позволяют оценить эффективность одиночных операции контроля и обеспечить оперативную корректировку режимов и алгоритмов контроля с целью повышения надежности и живучести информационно-измерительных систем летательного аппарата.

8. Алгоритмы контроля параметров информационно-измерительных систем летательного аппарата, обеспечивающие процедуры преобразования форматов экспериментальных данных, первичную обработку результатов измерений, фильтрацию помех, оценку вероятности возникновения аварийной ситуации и позволяющие определить меры по восстановлению обнаруженных неисправностей.

На защиту выносятся:

1. Результаты анализа современного состояния и тенденций развития приборного оборудования летательных аппаратов, которые доказывают актуальность разработки бортовых адаптивных информационно-измерительных систем с пространственно распределенной структурой на базе микропроцессорных вычислителей с программируемой архитектурой.

2. Разработанные структуры и функциональные модели адаптивных распределенных информационно-измерительных система с программируемой архитектурой, включающие базовые архитектурные объекты микропроцессорных вычислительных систем, средства для их программирования, отладки и управления режимами.

3. Предлагаемый метод вложенной отладки распределенных микропроцессорных вычислительных систем, основанный на использовании различных видов инструментальных серверов.

4. Предлагаемые методы и технологические приемы разработки инструментальных средств отладки адаптивных распределенных информационно-измерительных систем летательных аппаратов.

5. Разработанные модели инструментальных систем для отладки и тестирования адаптивных распределенных информационно-измерительных систем различного уровня сложности.

6. Предлагаемые алгоритмы контроля параметров адаптивных распределенных информационно-измерительных систем летательных аппаратов, основанные на рациональном выборе детерминированных или случайных межконтрольных временных интервалов с целью уменьшения времени задержки обнаружения аварийных ситуаций и своевременного принятия восстановительных мер.

7. Разработанные процедуры отбраковки аномальных измерений, адаптивной фильтрации помех и сглаживания, которые используются при первичной обработке данных измерений параметров информационно-измерительных систем для обеспечения требуемой достоверности и надежности результатов контроля.

8. Результаты аналитических исследований и статистического имитационного моделирования операций контроля с использованием экспериментальных данных об отказах в информационно-измерительных системах JIA, которые подтверждают работоспособность и эффективность предлагаемых алгоритмов контроля.

Заключение диссертации по теме «Информационно-измерительные и управляющие системы (по отраслям)», Алеков, Алексей Анатольевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты проведенных исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. В результате анализа современного состояния и тенденций развития приборного оборудования летательных аппаратов выявлена и обоснована актуальная проблема его совершенствования на основе разработки высокоорганизованных адаптивных информационно-измерительных систем с элементами технического интеллекта. Показано, что для повышение точности и надежности бортовых средств измерений, обеспечения иерархичности уровней обработки информации и управления, модульности построения функциональных звеньев и конструктивных частей, интеграции измерительных, вычислительных и управляющих средств, информационно-измерительные системы ЛА должны проектироваться на базе распределенных многопроцессорных вычислительных комплексов с программируемой архитектурой.

2. Разработана обобщенная модель адаптивной распределенной информационно-измерительной системы, сформулированы требования к ее структуре, выполняемым функциям, режимам работы в составе информационного комплекса ЛА и способам взаимодействия с его экипажем. Показано, что проектирование распределенных адаптивных микропроцессорных информационно-измерительных систем требует создания специальных методов и инструментальных средств, обеспечивающих: - сбалансированность аппаратных и программных компонент, достигаемую за счет объектной декомпозиции на аппаратно- и программно-реализованные модули; - верифицированные спецификации архитектурных, аппаратных и программных объектов; - направленный поиск оптимальных решений на основе сравнения вариантов реализации целевой системы на архитектурном, программном и аппаратном уровнях; -сквозную поддержку всех этапов проектирования.

3. Предложен объектно-ориентированный метод разработки адаптивных распределенных информационно-измерительных систем, основанный на принципе программируемости архитектуры и использовании групп базовых объектов, обладающих функциональной полнотой в отношении большинства задач проектирования. Показано, что принцип программируемости позволяет разрабатывать эволюционные информационно-управляющие структуры с частично незафиксированными аппаратными механизмами и параметризуемыми шаблонами, которые обеспечивают возможность оперативной тестовой оценки проекта, повышают его прозрачность и качество.

4. Разработана библиотека архитектурных объектов и предложены базовые модели инструментария, которые целесообразно использовать при проектировании адаптивных распределенных информационно-измерительных систем JIA различной сложности. Определены частные и интегральные характеристики для всех групп архитектурных объектов. Установлено, что использование библиотеки объектов и базовых моделей инструментария особенно эффективно при разработке многопроцессорных информационно-вычислительных структур, поскольку позволяет выявлять ошибки уже на ранних этапах их архитектурного проектирования и сокращать длительность цикла разработки на 30 - 40 %.

5. Предложен способ вложенной отладки многопроцессорных распределенных адаптивных информационно-измерительных систем, основанный на удаленной отладке таких системы путем подключения их к инструментальной системе через специальный интерфейсный канал. Способ обеспечивает загрузку программ и данных в любой узел отлаживаемой системы, а также получение и визуализацию информации о функционировании ее программ. Использование способа вложенной отладки позволяет распараллелить работы по отладке, тестированию и настройке, что приводит к сокращению сроков выполнения этих работ примерно в полтора раза.

6. Рассмотрена проблема управления надежностью и эффективностью информационно-измерительных систем JIA. Сформулированы требования к информационному, методическому и организационному обеспечению процедур контроля, проверок и испытаний этих систем на различных этапах их жизненного цикла. Определены задачи автоматизированного контроля и диагностики систем, в числе которых основной признана задача разработки детерминированных и стохастических стратегий, алгоритмов и программ поиска неисправностей, обеспечивающих требуемую точность, достоверность и производительность контроля за счет расчленения процедур обнаружения неисправностей на отдельные модули и их упорядочения с помощью экстремальных комбинаторных методов.

7. Предложен перспективный метод контроля работоспособности адаптивных распределенных информационно-измерительных систем, позволяющий за счет рандомизации межконтрольных интервалов повысить вероятность своевременного обнаружения моментов возникновения аварийных ситуаций. Разработаны детерминированные и стохастические модели операций контроля, чувствительные к времени задержки обнаружения аварийных ситуаций, которые рекомендуется использовать в системах обеспечения надежности и живучести информационно-измерительных систем летательного аппарата для оперативной корректировки режимов и алгоритмов их работы.

8. Алгоритмы контроля параметров адаптивных распределенных информационно-измерительных систем летательных аппаратов, с помощью которых реализуются процедуры преобразования форматов экспериментальных данных, первичная обработка результатов измерений, адаптивная фильтрацию помех и сглаживание реализаций, а также вырабатываются оценки величин вероятностей выхода контролируемых параметров за пределы допуска, позволяющие прогнозировать возникновение аварийных ситуаций и принимать своевременные меры по их предотвращению.

9. Проведены аналитические исследования и имитационное моделирование детерминированных и стохастических операций контроля с использованием экспериментальных данных об отказах в информационно-измерительных системах ЛА, которые подтвердили работоспособность и эффективность предлагаемых алгоритмов контроля.

Представленные результаты исследований и сформулированные выводы позволяют утверждать, что задачи диссертационной работы решены в полном объеме.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Алеков, Алексей Анатольевич, 2000 год

1. Автоматизация проектирования пилотажно-навигационных комплексов. Под ред. В.П. Говядина. М.: Машиностроение, 1978. -461 с.

2. Агеев В.М., Павлова Н.В. Приборные комплексы летательных аппаратов и их применение. М.: Машиностроение, 1990. 432 с.

3. Аджиев В. MS: корпоративная культура разработки ПО- М.: Открытые системы N1, 1998г.

4. АлековА.А., Селезнев А.В., Распределенные информационно-измерительные системы и комплексы летательных аппаратов. В сб. "Измерительные приборы и информационные системы", МГАПИ, 2000 г., с. 3-20.

5. Алеков А.А. Микропроцессорные информационно-измерительные системы с программируемой архитектурой. В сб. "Измерительные приборы и информационные системы", МГАПИ, 2000 г., с. 21 - 35.

6. Алеков А.А. Проектирование инструментальных средств отладки микропроцессорных информационно-измерительных систем. В сб. "Измерительные приборы и информационные системы", МГАПИ, 2000 г., с. 36 - 52.

7. Алеков А.А. Методы контроля информационно-измерительных систем летательных аппаратов. В сб. "Измерительные приборы и информационные системы", МГАПИ, 2000 г., с. 91 - 101.

8. Алеков А.А. Анализ эффективности методов контроля информационно-измерительных систем летательных аппаратов. В сб. "Измерительные приборы и информационные системы", МГАПИ, 2000 г., с. 101 - 108.

9. Ю.Акипов П.С. Сигналы и их обработка в информационных системах. М.: Радио и связь, 1994. -256 с.

10. Аншина М. Симфония CORBA М.: Открытые системы, № 3, 1998 г.

11. Баранов С.Н. Модель зрелости способностей к разработке программных продуктов. -СПб: Программные продукты и системы, № 4, 1998 г.

12. Баранов С.Н., Ноздрунов Н.Р. Язык Форт и ею реализации,- JI.: Машиностроение. Ленингр. Отд., 1998.-157 с.

13. Бобровски С. Oracle 7 и вычисления клиент / сервер. -М.: Изд-во "Лори", 1996.-651 с.

14. Бромберг П., Система контроля этапов жизненного цикла ПО М.: Открытые системы, № 6, 1998 г.

15. Буравлёв А.И., Доценко Б.П., Казаков И.Е. Управление техническим состоянием динамических систем. / Под ред. Казакова И.Е. М.: Машиностроение, 1996.-240 с.

16. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++./Пер. с англ.-М.: БИНОМ, 1998 г.

17. Васильев А. Заметки об американском программировании. М.: Открытые системы, № 5, 1997 г.

18. Вендров A.M. CASE технологии. Современные методы и средства проектирования информационных систем,- М.: Финансы и статистика, 1998 г. -176 с.

19. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и её инженерные приложения. -М.: Наука, 1988. -480 с.

20. Воас Д. Сопровождение компонентных систем М.: Открытые системы, № 6, 1998 г.

21. Вучков И., Бояджиева Л., Солаков Е. Прикладной линейный регрессионный анализ. -М.: Финансы и статистика, 1987. -239 с.

22. Гацко Г., Тестирование ПО как один из элементов системы качества -М.: Открытые системы, №6, 1998 г.

23. Грабер М. Введение в SQL. -М.: Изд-во "Лори", 1996. -375 с.

24. Губанов В.А., Захаров В.В., Коваленко А.И. Введение в системный анализ. / Под ред. JI.A. Пегросяна. -JL: Изд-во Ленинградского университета, 1988. -232с.

25. Деморович Я., Кнут Е., Радо П. Автоматизированные методы спецификации: Пер. с англ. -М.: Мир, 1989. 115с.

26. Дмитриев А.К., Мальцев П.А. Основы теории построения и контроля сложных систем. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд., 1988. -192с.

27. Дубова Н. Знак качества программному продукту М.: Открытые системы, № 6, 1998г.

28. Евланов Л.Г. Контроль динамических систем. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979, - 432 с.

29. Калаянов Г-Н. CASE структурный системный анализ (автоматизация и применение) М.: ЛОРИ, 1996.

30. Котляров В.П., Питько А.Е. Технология разработки программного обеспечения для встроенных средств микропроцессорной техники. М.: Машиностроение, 1998.-96 с.

31. Маньшин Г.Г., Кирпич С.В. Обеспечение качества функционирования автоматизированных систем / Под ред. В.А. Прохоренко. Мн.: Наука и техника, 1986. - 222 с.

32. Мейер Б. Построение надежного объектно-ориентированного программного обеспечения: Введение в Контрактное Проектирование -М.: Открытые системы, № 6, 1998 г.

33. Мушик Э., Мюллер П. Методы принятия технических решении: Пер. с нем.- М.: Мир, 1990.-208 с.

34. Мякишев Д. Объектно-ориентированное проектирование на основе эталонных моделей М.: Открытые системы, № 3, 1998 г.

35. Острейковский В.Л. Теория систем: Учеб. Для вузов но спец. «Автоматические системы обработки информации и управления». М.: Высшая школа., 1997 е.: ил.

36. Пешио К. Никлаус Вирт о культуре разработки ПО . М.: Открытые системы, № 1, 1998г.

37. Помыкаев И.И.,Селезнев В.П.,Дмитроченко JI.A. Навигационные приборы и системы. М.: Машиностроение, 1983. -455 с.

38. Практическая модель процесса разработки программных изделий -СПб: Программные продукты и системы, № 4, 1999 г.

39. Репин В.Г.,Тартаковский Г.П. Статистический синтез при априорной неопределенности и адаптация информационных систем. М.:Сов. радио, 1977.-432 с.

40. Румшиский J1.3. Математическая обработка результатов эксперимента. М.: Наука. 1971. 192 с.

41. Ростовцев Ю.Г. Основы построения автоматизированных систем сбора и обработки информации. СПб.: Изд-во ВИККА им. А.Ф. Можайского, 1992.-717 с.

42. Саар А. Об одном подходе к выполнению программных проектов . М.: Открытые системы, № 1, 1998 г.

43. Селезнев А.В., Добрица Б.Т., Убар P.P. Проектирование автоматизированных систем контроля бортового оборудования летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1983. 234 с.

44. Селезнев А.В. Адаптивное управление процессами в геомагнитных информационно-измерительных системах. -М.: Труды МГТУ, N 486, 1995.

45. Селезнева Н.В., Селезнев А.В. Теория измерений. Часть 1 131 е., часть 2-119 с. М.: МГАПИ, 1999 г.

46. Селезнев А.В. Системы автоматического контроля и управления. М.: МГАПИ, 2000 г. 130 с.

47. Справочник по теории автоматического управления /Под ред. А.А.

48. Красовского. М.: Наука, 1987. 71 1 с.

49. Ушаков И.А. Вероятностные модели надёжности информационно-вычислительных систем. М.: Радио и связь, 1991. - 132 с.

50. Фомин В.Н. Рекуррентное оценивание и адаптивная фильтрация. М.: Машиностроение, 1984. 234 с.

51. Фридман А. К вопросу о современной организации программирования -М.: Открытые системы, № 4, 1997 г.

52. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы: Структуры и алгоритмы, системотехническое проектирование. М.: Энергоатомиздат, 1985. -438 с.

53. Шалыто A. A. SWITCH технология. Алгоритмизация и программирование.

54. Юсупов P.M., Петухов Г.Б. и др. Статистические методы обработки результатов наблюдений. JI.: Изд-во ВИКИ им. А.Ф. Можайского, 1984. -563 с.

55. Уоссермен Ф. Нейрокомпьютерная техника. М.: Мир, 1992. -286 с.

56. L. Yin, Y. Neuvo. Fast Adaptation and Performance Characteristics of FIR -WOS Hybrid Filters. // IEEE Transactions on Signal Processing. v. 42, N. 7 -1994-P. 1610-1629.

57. J.-S. Lin and Y.-T. Kim. Fast Algorithms For Training Stack Filters.// IEEE Transactions On Signal Processing, v. 42 n. 4 -1994 p. 772 - 781.1. АКТ

58. В научно-технических разработках МИЭА по созданию перспективных навигационных вычислительных систем могут быть использованы следующие результаты диссертационной работы:

59. Методика проектирования информационно-измерительных систем, позволяющая за счет использования инструментальных средств и групп базовых объектов, обеспечить повышение производительности и качества разработок.

60. Предложенные в работе алгоритмы тестирования и инструментальные системы для вложенной отладки информационно-измерительных систем различного назначения и сложности.

61. Настоящим актом удостоверяется, что Авиационный научно-технический центр "Авионика" в своих разработках может использовать следующие результаты диссертационных исследований:

62. Методику проектирования адаптивных распределенных информационно-измерительных систем летательных аппаратов, обеспечивающую повышение производительности, качества и прозрачности проектных работ.

63. Алгоритмы тестирования и инструментальные системы для вложенной отладки распределенных адаптивных информационно-измерительных систем.

64. Метод контроля параметров информационно-измерительных систем, позволяющие за счет случайного выбора интервалов измерений повысить вероятность своевременного обнаружения моментов возникновения аварийных ситуаций.j-oeo^c^s^,