CC BY
24
УДК: 519.7
МОРОЗ В. П., к.т.н., доцент (УкрДАЗТ); ЦЕБРО е. М., студент (УкрДАЗТ).
Аналiз методiв моделювання асинхронних паралельних процесiв
Вступ
Системи зал1знично! автоматики 1 телемехашки (СЗАТ) вщносяться до класу складних систем. Етапи проектування, впровадження та еволюцп даних систем неможлив1 без використання р1зномашт-них метод1в моделювання. Пщ моделю-ванням розум1еться замщення одного об'екта шшим з метою отримання шфор-мацп про найважлив1ш1 властивост об'екта-оригшалу за допомогою об'екта-модел1 [1]. Вщомо, що технолопчш про-цеси в СЗАТ е асинхронними та парале-льними. Наприклад, в системах електрич-но! централ1зацп (ЕЦ) встановлення, за-микання та розмикання маршрупв можуть вщбуватися одночасно та незалежно один вщ одного. На даний час вщомо багато метод1в моделювання асинхронних паралельних процеав (АПП). Вщомо, що ви-б1р методу моделювання визначаеться метою, що сто!ть перед дослщником. Моде-люванню АПП присвячено багато р1зно-маштних публ1кацш, як у вигляд1 статей [2, 3, 4], так 1 у вигляд1 навчальних пос1б-ниюв [5] 1 монографш [6, 7, 8, 9, 10, 11].
Актуальшсть проблеми
Бшьшють юнуючих СЗАТ побудо-вано на основ1 реле першого класу надш-носп, яке з заданою в1рогщшстю виклю-чае появу небезпечних вщмов.
На даний час вщбуваеться стр1мкий перехщ до м1кропроцесорних СЗАТ. М1к-роелектронш компоненти таких систем волод1ють такою властивютю, як симет-рична вщмова. Внаслщок тако! вщмови можливе переведення системи в небезпе-чний стан.
Моделювання дозволяе дослщити поведшку системи 1 визначити можлив1 стани системи на стад1ях розробки та проектування. Звщси випливае, що в теперь шшх умовах, актуальшсть проблеми мо-делювання СЗАТ набувае особливого зна-чення.
Постановка задач1
Для моделювання СЗАТ необхщно обгрунтовано обрати метод моделювання АПП, який найбшьш оптимально та адекватно вщтворить т процеси, що вщбува-ються в дослщжуваних системах.
Для досягнення дано! мети необхщно вир1шити наступш задача
1. Виконати анал1з метод1в моделювання АПП з позицш еволюцшного ро-звитку;
2. Виконати пор1вняльну характеристику метод1в моделювання АПП за встановленими критер1ями;
3. Зробити обгрунтований виб1р методу моделювання для дослщження СЗАТ;
4. На основ1 обраного методу моделювання провести моделювання СЗАТ 1 показати ефектившсть обраного методу.
Виклад основного матер1алу
Складним системам керування, якими е також 1 СЗАТ, властив1 ряд особ-ливостей:
- взаемод1я частини 1 цшого;
- 1ерарх1чна впорядковашсть;
- необхщне р1зномашття;
- розвиток;
- виникнення та формулювання щ-
лей;
- дискретно-неперервний характер роботи;
- функцюнування в режимi жорст-кого та м'якого реального часу.
Виходячи з вищенаведених особли-востей визначенi критерп оцшки методiв моделювання:
- наочнiсть модели здатнiсть моде-лi бути легко сприйнятою;
- ефективнiсть моделi: вщношення результатiв моделювання до витрат на створення модели
- можливiсть представлення часо-вих характеристик дослiджуваного проце-су в моделi;
- можливють параметризацп модели
- стутнь теоретичного обгрунту-вання моделi.
Розглянемо основн методи моделювання АПП.
Одним iз розповсюджених методiв моделювання АПП е метод асинхронних кшцевих автоматiв [6]. Кiнцевий автомат являе собою п'ятсрку (Т, X, 2, X, д), де Y -множина внутршшх станiв, X - вектор вхщних даних, 2 - вектор вихщних даних, X - функщя переходiв, д - функщя вихо-дiв. У асинхронного автомату такт форму-еться зовнiшнiми умовами, його значення визначаеться часом, упродовж якого стан входу залишаеться незмшним. Отже, аси-нхронним автоматом називаеться такий кiнцевий автомат, який при кожнш змiнi вхiдних даних досягае стшкого стану.
Сфера застосування методу асинхронних кшцевих автома^в - асинхронна схемотехшка.
Перевагою методу кшцевих автома-тiв е можливють мiнiмiзацii кiлькостi ста-нiв у модель
До недолтв методу асинхронних кшцевих автома^в можна вiднести:
- складшсть шту'1тивного розумш-ня модели
- модель набувае значних розмiрiв, при перевищеннi допустимо'1 кiлькостi сташв;
- складнiсть композицп та деком-позицп моделi, що складаеться з декшькох кiнцевих автоматiв;
- вщсутшсть представлення часу в моделi.
Модель Маллера [6] являе собою систему бульових рiвнянь 2=(21,...,2и...,2п), ¡=1,2,...,п. Значення вах змшних 21,.,2п називаеться станом системи. Для графiчного зображення мо-делi Маллера використовують дiаграму переходiв.
Модель Маллера, як i метод асинхронних кiнцевих автома^в, використову-еться в асинхроннiй схемотехшщ.
Перевагою моделi Маллера е те, що дана модель дозволяе описати АПП у по-дробицях з точшстю до власних функцш елемешив вщповщно'1 схеми.
Недолiками моделi Маллера при мо-делюваннi СЗАТ являються:
- вщсутшсть досвщу моделювання систем керування у данш моделi;
- мала стутнь дослщженосп дано'1 модели
- вiдсутнiсть наочного представлення про режими функцюнування систе-ми.
Метод паралельних асинхронних блок-схем (ПАБС) [6] передбачае представлення дослщжуваного процесу алгоритмом. ПАБС являе собою граф iз п'ятьма типами вершин: оператор, умов-ний перехщ, збiрка, бiфуркатор та синх-ронiзатор.
Даний метод моделювання викорис-товуеться в паралельному програмуваннi, а також для опису функцюнування АПП. Наприклад, в [12] за допомогою ПАБС надано опис функцюнування систем ЕЦ.
Перевагами ПАБС е наочне та ефек-тивне представлення алгоритму функцю-нування системи.
До недолшв ПАБС можна вщнести те, що модель не несе шформащю про структуру системи.
Метод мереж Петрi полягае в представлены дослщжуваного процесу у ви-глядi потоку подш [6, 8]. Зв'язок мiж по-дiями встановлюеться за допомогою умов. Умови можуть бути або виконаш, або не виконаш. Подiя може вiдбутися, якщо ви-
конаш вс умови, вщ яких залежить 11 поя-ва. Мережа Петр1 являе собою четв1рку: (Р, Т, I, О, М), де Р - кшцева множина по-зицш, Т - кшцева множина переход1в, I -вхщна функщя, О - вихщна функщя, М -маркування.
Мереж1 Петр1 використовуються для моделювання в багатьох галузях, напри-клад: паралельне програмування, схемо-техшка, бюлопя, х1м1я, економ1ка та ш.
Характеристику моделюючо! поту-жност мереж Петр1 наведено в [7]. Доведено, що за можливостями моделювання мереж1 Петр1 перевершують кшцев1 авто-мати, але поступаються «ушверсальним» машинам Тюршга.
Представлення кшцевих автомат1в за допомогою мереж Петр1 наведено в [8].
Для збшьшення можливостей моделювання в мережах Петр1 було створено чимало розширених моделей:
- мережi з прюритетами;
- шпбггорш;
- 1ерарх1чш [7];
- розфарбоваш [10];
- стохастичш [9];
- часов1.
В [7] доведено, що мереж1 Петр1 з прюритетами, шпб1торш мережi Петр1 та 1ерарх1чш мереж1 Петр1 за сво!ми моде-люючими можливостями екв1валентш машинам Тюршга.
Розфарбоваш та стохастичш класи мереж Петр1 дозволяють виконувати па-раметризащю модел1, тобто використову-вати параметри елемент1в модел1 та р1з-номаштш стввщношення м1ж цими параметрами.
На даний час юнуе декшька метод1в анал1зу мереж Петр1, наприклад за допомогою дерева досяжносп або матричних р1внянь [5, 8]. При проведенш анал1зу ме-режi Петр1 вир1шуеться головним чином задача досяжносп деякого стану в система
Таким чином, при моделюванш СЗАТ мереж1 Петр1 мають наступш переваги:
- наочшсть та шту'!тивне розумшня модели
- висока ефектившсть моделювання, особливо при використанш програмних засоб1в анал1зу моделц
- можливють представлення часу в модели
- можливють параметризацп модели
- можливють моделювання випад-кових процеав;
- можливють створення моделей ¡е-рарх1чних систем.
Недолгом методу мереж Петр1 е те, що при моделюванш складних систем модель набувае значних розм1р1в.
Деяк1 недолши мереж Петр1 були знят в метод1 АPRO-мереж. Метод APRO-мереж призначений для моделю-вання паралельних обчислювальних асин-хронних структур. Опис методу APRO-мереж наведено в [3, 4]. APRO-мережа являе собою п'ят1рку (Р, Т, F, М, V), де Р -скшченна множина позицш, Т - скшченна множина переход1в, F - множина ребер, М - маркування, V - множина глобальних змшних.
Перевагами APRO-мереж е:
- компактшсть моделц
- можливють детального опису структури стану системи;
- можливють створення 1ерарх1чних моделей.
Недол1ками APRO-мереж е те, що:
- даний метод мало дослщжений;
- вщсутнш досвщ моделювання систем в APRO-мережах;
- вщсутш засоби моделювання.
На основ1 вищерозглянутого матерь алу, було створено пор1вняльну характеристику метод1в моделювання АПП (Таб-лиця 1).
"\Критерш Метоп мпдепюЕання ^^ Ефектив-нктъ Наоч- НЕТЪ Можпивктъ представлення часу Можпи- ЕИТЬ параметр из аци Компактн.сть (простота) мо дет Стушнь достадженост1 (теоретичнв обгрунтування) Область застосування
Асинхронт кшцеЕ1 автомати Низька Низька Ш Ш Запежить вщ системи, що модепюють Добре достижений метод Мжроелектронша
3 використанням мо-дет Маппвра Низька Низька Ш Ш Компактна Мало достижении метод Мжроепекгронша
За допомогою ПАБС Висока Висока Ш Ш Запежить ещ системи, що модашоють Добре дослщже-ний метод Програиування, мш-рошектроыка
Мереяа Петр1 Висока Висока Так Так Запежить ещ системи, що модашоють Добре дослщже-ний метод Програиування, мш-рошектроыка, тепе-комушкади, им1я, та ш.
АРКО-мереж1 Висока Висока Так Так Найбшьш компактна Мало достижении метод Обчикпювапьна технша
Висновки
Кожний 1з розглянутих метод1в мо-делювання АПП мае сво! переваги та недолги 1 може застосовуватися для вирь шення конкретних задач при моделюванш СЗАТ.
Для моделювання систем керування рухом по'!зд1в доцшьно використовувати метод мереж Петр1, як найбшьш досль джений та такий, що набув широкого ви-користання.
У зв'язку з юнуванням р1зномашт-них клас1в мереж Петр1, в подальшому доцшьно визначити, який 1з цих клас1в е найбшьш ефективним для моделювання СЗАТ.
Лггература
1. Советов Б. Я. Моделирование систем: учеб. для вузов / Б. Я. Советов, С. А. Яковлев. - М.: Высш. шк., 2001. - 343 с.
2. Зубова Т. Н. Использование сетей Петри для моделирования процесса принятия управленческих решений / Т. Н. Зубова, Б. Ф. Мельников // Вектор науки ТГУ. - Тольятти.: ТГУ, 2011. - №3(17). -С.33-37.
3. Новотарський М. А. Мереж для моделювання складних систем / М. А. Новотарський // Радюелектрошка, шфор-матика, управлшня. - 2006. №2(16). - С. 60-66.
4. Нестеренко Б. Б. Моделирование сложных дискретных систем / Б. Б. Нестеренко, М. А. Новотарский // Мате-матичш машини 1 системи. - 2007. №3, 4. - С. 111-121.
5. Советов Б. Я. Моделирование систем: учеб. для вузов / Б. Я. Советов, С. А. Яковлев. - М.: Высш. шк., 2001. - 343 с.
6. Зубова Т. Н. Использование сетей Петри для моделирования процесса принятия управленческих решений / Т. Н. Зубова, Б. Ф. Мельников // Вектор науки ТГУ. - Тольятти.: ТГУ, 2011. - №3(17). -С.33-37.
7. Новотарський М. А. Мережi для моделювання складних систем / М. А. Новотарський // Радюелектрошка, шфор-матика, управлшня. - 2006. №2(16). - С. 60-66.
8. Нестеренко Б. Б. Моделирование сложных дискретных систем / Б. Б. Нестеренко, М. А. Новотарский // Мате-матичш машини i системи. - 2007. №3, 4.
- С. 111-121.
9. Зайцев Д. А. Математические модели дискретных систем: Учебное пособие / Д. А. Зайцев. - Одесса: ОНАС им. А. С. Попова, 2004. - 40 с.
10. Автоматное управление асинхронными процессами в ЭВМ и дискретных системах / В. И. Варшавский, М. А. Кишиневский, В. Б. Мараховский [и др.]; под ред. В. И. Варшавского. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. - 400с.
11. Котов В. Е. Сети Петри / В. Е. Котов. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1984. - 160с
12. Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем: Пер. с англ. / Дж. Питерсон. - М.: Мир, 1984. - 264 с.
13. Haas P. J. Stochastic Petri Nets: Modelling, Stability, Simulation / P. J. Haas .
- New York: Springr-Verlag, 2002. - 509p.
14. Jensen K. Coloured Petri Nets Modelling and Validation of Concurrent Systems / K. Jensen, L. M. Kristensen. -Berlin: Springer-Verlag, 2009. - 384 p.
15. Лескин А. А. Сети петри в моделировании и управлении / А. А. Лескин, П. А. Мальцев, А. М. Спиридонов. - Л.: Наука, 1989. - 133 с.
16. Станционные системы автоматики и телемеханики: Учеб. для вузов ж.-д. трансп. / Вл. В. Сапожников, Б. Н. Ел-кин, И. М. Кокурин [и др.]; под ред. Вл. В. Сапожникова. - М.: Транспорт, 1997. -432 с.
Анотацн:
Ключов1 слова: асинхронный паралельний процес, моделювання, мережа Петр1
Проведено анал1з метод1в моделювання асинхронних паралельних процес1в. Запропонова-но метод для моделювання систем зал1знично1 автоматики 1 телемехашки
Проведен анализ методов моделирования асинхронных параллельных процессов. Предложен метод для моделирования систем железнодорожной автоматики и телемеханики
The analysis of methods of modeling asynchronous parallel processes is carried out. The method for modeling systems of railway automation and telemechanics is proposed.
УДК 396.15(5); 396.18(1)
ЕГОРОВ А.Б., к.т.н, доцент (Украинская инженерно-педагогическая академия); СОТНИКОВ А.М., д.т.н,профессор (Харьковский университет Воздушных Сил им.И. Кожедуба, Харьков);
РЫБАЛКО И.Ф., к.т.н, доцент (Украинская инженерно-педагогическая академия).
Воздействие мощного электромагнитного излучения на радиоэлектронные средства
Актуальность
Постановка проблемы и анализ литературы.
С целью достижения качественно нового уровня радиолокации, радиосвязи, технологии и решения других технических задач в ряде стран разрабатывают генераторы мощных электромагнитных импульсов. В настоящее время интенсивно разрабатываются генераторы мощных импульсов длительностью от единиц до десятков наносекунд (линейные индукционные ускорители электронов, релятивистские СВЧ-генераторы с виртуальным катодом (виркаторы), релятивистские магнетроны, СВЧ-генераторы на основе сверхразмерных электродинамических структур (черенковские генераторы и генераторы дифракционного излучения). Эти генераторы имеют гигаватную пико-
вую мощность, причем существуют реальные пути ее увеличения в десятки раз [1-5]. Достигнутые и прогнозируемые параметры излучения этих устройств делают их опасными при влиянии на радиоэлектронные системы самого широкого назначения. Это связано с тем, что режим их работы допускает генерацию и излучение в окружающее пространство не только одиночных электромагнитных импульсов, но и их "пакеты" с частотой в тысячи импульсов в секунду и более. При попадании в зону работы таких генерирующих систем других радиоэлектронных средств (РЭС) может произойти не только нарушение процесса приема информации, но и нарушение их функциональной целостности. Воздействие мощного электромагнитного излучения (ЭМИ) на высокочувствительную радиоэлектронную аппаратуру (РЭА) СВЧ диапазона приводит к
