ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ИЗБЫТОЧНОСТЬЮ КОМПЛЕКСОВ БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ НА ОСНОВЕ СУПЕРВИЗОРОВ КОНФИГУРАЦИЙ Текст научной статьи по специальности «Математика»

УДК 629.7.05:519.71

ГРНТИ 73.37.81:27.47.15

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ИЗБЫТОЧНОСТЬЮ КОМПЛЕКСОВ БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ НА ОСНОВЕ СУПЕРВИЗОРОВ КОНФИГУРАЦИЙ

А.М. АГЕЕВ, кандидат технических наук, доцент

ВУНЦВВС «ВВА имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж)

Безальтернативным путем создания комплексов бортового оборудования авиационной техники является введение преднамеренной избыточности их аппаратных и программных ресурсов с использованием специальных средств управления располагаемыми избыточными ресурсами. В развитие методологии управления избыточностью на основе специальных структур, названных супервизорами конфигураций, ставится задача разработки обобщенной функциональной модели системы «объект управления (летательный аппарат) + комплекс бортового оборудования + система управления избыточностью», отражающая динамику их взаимодействия. Разработана модель, которая включает четыре группы функций: а) функции хранения данных о конфигурациях, результатах мониторинга готовности и эффективности компонентов конфигураций, режимах системы управления избыточностью; б) функции мониторинга готовности и эффективности компонентов, агрегирования индексов готовности и показателей функциональной эффективности (вычисление соответствующих интегральных показателей), адаптации к режимам работы, внешним условиям и командам экипажа; в) функции выбора (арбитража) конфигураций, состоящие в определении доминирующего супервизора конфигурации, соответствующего предпочтительной конфигурации оборудования для решения текущей задачи в сложившихся условиях, а также предпочтительного вычислителя для решения задач управления избыточностью; г) функции управления конфигурациями, включая формирование команд реконфигурирования, осуществляющих управление входными и выходными каналами коммутационных устройств, входом диспетчера приложений, входными и выходными каналами приложений, настройкой процедур обработки данных приложений. На основе предложенной модели определены ключевые функции супервизоров конфигураций, их состав, структура, принципы организации и взаимодействия, как между собой, так и с «внешними» подсистемами. Определены роль и место бортовой интегрированной вычислительной среды в управлении избыточностью, которые состоят в реализации четвертой группы управляющих функций модели системы управления избыточностью.

Ключевые слова: комплекс бортового оборудования, управление избыточностью, конфигурация оборудования, супервизор конфигурации, бортовая интегрированная вычислительная среда.

Введение. В последнее время наблюдается возрастающее внимание ученых, разработчиков и производителей авиационной техники (АТ) к исследованиям в области безотказных (отказоустойчивых, самовосстанавливающихся) бортовых систем [1-6]. По замыслу такие системы в отличие от «традиционных» должны не ограничиваться обнаружением (установлением факта), диагностированием (указанием места) и, возможно, локализацией (предотвращением распространения опасности) неисправностей, а предпринимать активные действия по автоматическому восстановлению исходной функциональности (выполняемые функции, технические и эксплуатационные характеристики) комплексов бортового оборудования (КБО) по предназначению, а в случае если полное восстановление невозможно -минимизировать неизбежную деградацию КБО по причине неисправности его компонентов.

Безальтернативным путем создания таких систем является введение преднамеренной избыточности их бортовых аппаратных и программных ресурсов с непременным использованием специальных средств (систем) управления располагаемой избыточностью.

Актуальность. Среди известных подходов к управлению избыточными системами можно выделить как классические методы резервирования аппаратных компонентов [1, 2], бортовых вычислительных систем [3, 4] и основанные на них способы построения отказоустойчивых распределенных архитектур и протоколов [5], так и современные методы, такие как, например, реконфигурируемые мультиагентные системы на основе локального диспетчера [6]. Общими недостатками существующих подходов является отсутствие общности (универсальности) по причине применимости к ограниченным классам как правило однородных компонентов, отсутствие (или слабая проработка) средств адаптации к внешним условиям.

Работы с участием автора [7-13] посвящены обоснованию и изложению одного из возможных и достаточно эффективных подходов к построению интегрированной системы управления избыточностью (СУИ) сложных технических систем, к которым относятся интегрированный комплекс бортового оборудования летательных аппаратов и (или) его бортовая интегрированная вычислительная среда (БИВС). Так, в развитие направления управления избыточностью ранее были опубликованы результаты по аналитическому генерированию альтернативных конфигураций избыточного КБО [7-9]. Работы [10, 11] посвящены одной из возможных концепций организации управления избыточностью КБО с использованием так называемых супервизоров конфигураций (СК). Работа [12] освещает возможности по организации средств мониторинга и хранения конфигурационных данных СУИ. В [13, 14] представлены наработки по реализации алгоритмов оперативного выбора (арбитража) конфигураций избыточных КБО через представляющие конфигурации СК.

Постановка задачи. В соответствии с [15] система управления избыточностью, представляющая собой алгоритмически взаимосвязанную распределенную совокупность бортовых аппаратно-программных средств, должна осуществлять оптимальное (рациональное) использование всех располагаемых ресурсов для достижения целей использования КБО по предназначению. При этом в зависимости от обстоятельств цель может включать (или подразумевать) не только обеспечение высоких показателей отказоустойчивости в различных применениях КБО, но и преследовать одновременное или выборочное улучшение других характеристик. Особого рассмотрения требуют вопросы непосредственно реализации конфигураций, по сути, заключающейся в активизации составляющих ее компонентов в зависимости от их готовности и текущих условий функционирования КБО.

Цель статьи - обобщение полученных результатов по управлению избыточностью в рамках супервизорного подхода с представлением обобщенной формализованной модели системы «объект управления + избыточный КБО + система управления избыточностью» с акцентом на механизмы реализации СУИ с использованием аппаратных и программных возможностей БИВС.

Модель избыточного КБО. Математическая строгость решения задачи управления избыточностью комплекса оборудования обусловливает ряд взаимосвязанных положений:

а) рассмотрению подлежит система в составе: объекта управления (летательный аппарат), избыточного КБО в составе ограниченной совокупности его компонентов, БИВС в составе вычислительных и коммуникационных средств - она же система управления избыточностью;

б) функционирование объекта и всех компонентов КБО представимо линеаризованной моделью [7], в частности, с дискретным временем г = 0,1,2, ...:

Хг+1 = Ахт+ Вит + , Хг=0 = Х0, Л = ПХг

(1)

где хг =[л"°'т •••х^'- метавектор состояния объекта и N компонентов КБО размерности

и = на такте г с известными начальными условиями хп; иг = ''' "г' ] - метавектор

7=0

N т

входов компонентов для межкомпонентных связей размерности / = = • • • ч'^'1] -

7=0

N

метавектор входов компонентов для внешних воздействий размерности к = ^ ki;

7 = 0 N

ут = ^у0^ ■••у^'т] - метавектор выходов всех компонентов размерности т = ^Гт1 ;

7=0

А - матрица собственной динамики объекта и всех N компонентов размера п х п, В - матрица эффективности межкомпонентных связей размера п х I, О - матрица эффективности внешних воздействий размера п х к, Б - матрица формирования выходов всех компонентов размера т х п, т - отсчеты дискретного времени [7];

в) функционирование вычислительных и коммуникационных средств БИВС представимо линеаризованной моделью [7, 8]

и(или)

ит= Qвозд ( г ) Ут = Свх Е ( г ^ ут

ыт = брасс (г)(ут - Т ) = СвХЕ(г)С„ (ут - УГ )

(2)

(3)

в зависимости от содержательного наполнения задачи (с внешним воздействием и (или) с регулированием по рассогласованию выходов), где 2 - оператор сдвига дискретного времени на такт вперед, Q(г) - конфигурационная матрица, определяющая межкомпонентные связи

избыточной системы (рациональная полиномиальная матрица оператора 2), Свх и С - интерфейсные матрицы, задающие функционирование входных и выходных интерфейсов компонентов и каналов связи между ними - распределительные матрицы размеров I х р и q х т, содержащие бинарные элементы и не более одного единичного элемента в строке, Е(г) - интеграционная матрица размера р х q, определяющая обработку вычислительными средствами всех поступающих данных и задержек в интерфейсных устройствах и каналах связи; г) функционирование системы в целом представимо моделями в виде передаточных

матриц:

и (или)

ж; (г) = Б (г1п - А - BQвозд (г)Б)-1 О, г; (г) = Б (г1п - А - BQвoзд (г)Б)-1 В

ЖуУУУ (г) = -Б (г1п - А - (г)Б)-1 BQрасс (г) ;

(4)

(5)

(6)

в [9] показано, что такие модели применимы для формализации поведения систем «летательный аппарат + КБО» практически во всех режимах и условиях их применения;

д) целевая функция системы в целом представима выборочными строками и столбцами передаточной матрицы (4, 5) в соответствии с весовыми матрицами а размера к х g и ( размера / х т

Фвозд (г) = р\¥; (г)а = рВ (г!п - А - ££возд (г)В)-1 Оа (7)

или передаточной матрицы (6) с весовыми матрицами а размера т х g и р размера / х т

Фрасс (г) = р\¥^ (г)а = -рВ (г1п - А - ££расс (г)В)-1 ££расс (г)а . (8)

В конкретных условиях возможно раздельное и совместное использование (2), (4), (5), (7) и (3), (6), (8) в зависимости от содержательной формулировки задачи.

Модель конфигураций КБО. В работе [11] избыточный КБО представлен в виде совокупности разнородных (различные соединения) и неуниверсальных (различные функции) обособленных компонентов, разбиваемых на I групп ресурсов

кч е К,, К с К, I = 1, N, ] = 1, N,

(9)

где к^ - . -й компонент в I -й группе, N - количество групп ресурсов в КБО, Ni - количество компонентов в I -й группе, Ki - совокупность компонентов в I -й группе,

К - общая совокупность ресурсов.

Каждому компоненту к. сопоставляют индекс готовности ИГг;. (совокупная оценка его

работоспособности и завершенности всех предусмотренных процедур: 1 - готов, 0 - не готов) и показатель функциональной эффективности ПФЭ|. (характеризует вклад компонента в целевую

функцию определенного режима КБО). ИГг;. и ПФЭ|. предусматривают возможности

априорного и текущего определения актуальных значений.

БИВС, осуществляющая межкомпонентный обмен данными и обработку этих данных в соответствии с предусмотренными правилами, представлена избыточной совокупностью вычислителей V,,

УГ е¥, г = 1,Я,

(10)

где V - совокупность вычислителей, используемых для управления избыточностью КБО, общим количеством Я, каждому из которых ставится в соответствие ИГг с бинарным значением

(1 - готов, 0 - не готов).

Для выполнения функций КБО его компоненты объединяются средствами БИВС в различные работоспособные конфигурации

т = т(к1_.,к2*К*,а^ теМ, ч=1,б=

(11)

где * - номер входящего в ч-ю конфигурацию компонента из каждой группы, ад - процесс

обработки данных вычислительными средствами БИВС в ч-й конфигурации, М - ограниченное множество конфигураций, 0 - количество различных конфигураций в множестве М .

Принято, что любая конфигурация КБО включает по одному компоненту из каждой группы ресурсов, а проблемы неоднородности и неуниверсальности компонентов преодолеваются заблаговременной проработкой всех конкурентоспособных конфигураций на этапе проектирования СУИ [11].

Для каждой конфигурации (11) по принятым разработчиком правилам определяются интегральные показатели:

- ИГ конфигурации (конъюнкция ИГ составляющих компонентов):

ИГ(уиг) = ИГ1.лИГ2.л...лИГл,., (12)

- ПФЭ конфигурации (результат агрегирования ПФЭ составляющих компонентов):

ПФЭ(т) = р(ПФЭ,, ,ПФЭ2, ,...,ПФЭ м»), (13)

где р - скалярная функция, в качестве которой могут использоваться различные способы агрегирования показателей (например, суммирование, умножение, регуляризация, нормализация, свертка [15] и пр.).

Понятие супервизоров конфигураций. В [10, 11] рассмотрен подход, при котором управление избыточностью сводится к поиску согласованной совокупности методик и алгоритмов, обеспечивающих выбор предпочтительного элемента (уа, тор(), из прямого

произведения множеств вычислителей и конфигураций

К х М = {уг, тд} ,

содержащего:

1) вычислитель Уа для управления избыточностью (а -вычислитель):

=

а) ИГ(уг ) = 1,

б) отсутствие ошибок подготовки конфигурации т ^;

(14)

2) готовую к реализации предпочтительную конфигурацию т ( с оптимальными (рациональными) значениями интегральных показателей:

то^ = оР1

а) ИГ( тя) = 1,

б)

ПФЭтах = шах ПФЭ(тд).

(15)

При наличии нескольких конфигураций с максимальным значением ПФЭ такие конфигурации эквивалентны, а окончательный выбор может осуществляться по предусмотренным дискриминационным правилам.

Как отмечено в [11], удовлетворение условий (14) и (15а) соответствует отказоустойчивости КБО, а условия (15б) - достижению его оптимальных (рациональных) характеристик, формализуемых посредством ПФЭ. Это обеспечивает гибкость подхода, в части как минимизации деградации комплекса, так и широкими возможностями выбора или конструирования функции р в (13).

С каждой конфигурацией тч из множества М однозначно соотносится свой супервизор конфигурации из множества £

то е М — s„ е £,

Ч Ч

осуществляющий все функции по надзору и управлению исключительно этой конфигурацией, что подразумевает:

- проведение мониторинга ИГг.и ПФЭг. ] компонентов конфигурации (9) и вычислителей (10), формирование ИГ(т?) и ПФЭ(т?) конфигурации в соответствии с (12) и (13);

м и

V

т

ч

- хранение информации о взаимных связях компонентов, распределении ресурсов и других данных, необходимых для реализации конфигураций;

- участие в периодическом межсупервизорном арбитраже на выявление предпочтительной конфигурации в соответствии с (15), в результате которого соответствующий ей СК приобретает статус доминирующего (ДСК): 5 ^тор(.

В свою очередь доминирующим СК осуществляется [11]: мониторинг ИГ(уг ) вычислителей,

проведение их арбитража (14) на выявление Уа ,

- верификация конфигурации тор(, соотнесенной с ДСК , активизация конфигурации тор( и контроль ее функционирования,

общая координация необходимых процедур управления избыточностью КБО.

Модель системы управления избыточностью. Функции супервизоров конфигураций, а также их связь с избыточными ресурсами КБО поясним на основе функциональной модели «объект управления + избыточный КБО + СУИ», основанной на (1)—(15), структура которой представлена на рисунке 1 .

Верхняя часть рисунка содержит модель объекта управления согласно (1 ).

В центральной части - модель избыточных ресурсов вычислительно-коммуникационных средств БИВС согласно (2), (3), которая представлена набором связок интерфейсных и интеграционных матриц СвхЕ(г)Свых в соответствии с совокупностью располагаемых избыточных ресурсов.

Модель избыточной динамической системы «объект управления + избыточный КБО», впервые предложенная в [7] и активно используемая в других работах по аналитическому генерированию конфигураций [8, 9], представляет избыточный КБО как объект управления, однако не отражает те средства, с помощью которых это управление осуществляется.

Для представления указанных средств управления избыточностью предлагается функциональная модель СУИ, показанная в нижней части рисунка 1 и выделенная пунктиром, следующего содержания:

I. Группа функций хранения информации о конфигурациях:

- функция хранения данных о конфигурациях

Б =

{к1^ > .. > }, q=1,Q

(16)

где к1д, ... , ^ ч - данные о связях между компонентами, входящими в q-ю конфигурацию,

N - число компонентов в q-й конфигурации, 0- общее число конфигураций;

- функция хранения данных о результатах мониторинга готовности компонентов конфигураций:

1Ч = {< > .. > }, q =1»0,

(17)

где <г1д, ... , ^¡^ ч - данные об индексах готовности совокупности компонентов, входящих в q -ю конфигурацию;

- функция хранения данных об эффективности использования компонентов конфигураций

Р =

{д., , . .. , Р^., } , q = 1,0 ^

(18)

где р1д, ... , р^ ч - данные о показателях эффективности компонентов, входящих в q -ю конфигурацию;

Э1

и

- функция хранения данных о режимах системы управления избыточностью

О, ={р[,(я), Р^.д(Я)}, Я = Щ, (19)

где я - данные о режиме функционирования СУИ, - число предусмотренных режимов, Р\.а (Я), .. , Р'ы м (Я) - корректирующие ПФЭ компонентов для условий режима.

О

Объект управления + КБО

В

Вычислительно-коммуникационные средства БИВС

н ^номл

ш Свх,, ы Етп н У

2 л н о о

К ^

о н Я

ю

«

к к и

н

И Й л с

к о

Явх

Я

Явь

Арбитраж между супервизорами

Реализация Управление СУИ

К.

конфигураций

Данные о конфигурации

К

Средства м

Арбитраж / ИИГ ИГ комг

К

К

Ед

Данные о ПФЭ

Рд

Рд ={Р1д ,... Ры„ч }

ИПФЭ

J1,... J N„ К

ИГ комп 1 онентов 1 У г

т& II Кя

IЯ • •

О О С

я я а

I

ё ! я т Я 3

они'оринг

К

Супервизор конфигурации

Pst К Р Л °Р п п Р1.Я '... РNq Я

Ер

Р/ аа к (Р Средства адапта

К О, ={Р1.д (Я),... Р„д

Я

К

И1,..., И^

Рисунок 1 - Структура системы «объект управления + избыточный КБО + СУИ»

II. Группа функций мониторинга состояния конфигураций: - функция мониторинга готовности компонентов комплекса

К =

{1,ч, ... , 1^}, Я = 1,а,

где 11я, ... , 1Ы Я - индексы готовности компонентов, входящих в д-ю конфигурацию;

(20)

Э1

и

X

и

а

т

Я

ч

- функция мониторинга готовности вычислителей - вычисление интегрального индекса готовности вычислителей

Ру {"Л , ... , } ,

(21)

где Л1, ... , Лм - индексы готовности вычислителей, N - общее число вычислителей;

- функция агрегирования индекса готовности компонентов - вычисление интегрального индекса готовности конфигураций

(22)

где Iч - интегральный индекс готовности конфигурации;

- функция мониторинга показателей эффективности компонентов - вычисление оценок

ПФЭ компонентов комплекса по данным от соответствующей системы объективного контроля эффективности (СОК ЭФ) [17]

рР ={р1 ,... ,р'мч,Р:, я=ш,

(23)

где р"я, ... , р"м я - динамические ПФЭ компонентов, входящих в я -ю конфигурацию;

- функция мониторинга режимов ^ - определение состояний КБО Н1, ... , Нм■ , характеризующих режимы его работы, внешние условия и команды экипажа

^ = {&. .. . 8м, }^{Н1, .. . Нщ }, 8 = 1,М8 .

(24)

где - число групп оцениваемых состояний КБО;

- функция адаптации к режимам - определение совокупности коэффициентов

{Р[„ (8), .. , Рм я (8)}, корректирующих ПФЭ компонентов в зависимости от выбранного 8 -го

режима СУИ, соответствующего определенному набору состояний КБО {Н1, ... , }, характеризующих режимы его работы, внешние условия и команды экипажа

^ ={р!.? (8), ... , р;,.я(8)}^ 8 ^{Н1г...г Нщ]. я = 1, е . 8 = Щ ;

(25)

- функция агрегирования ПФЭ конфигураций - вычисление интегрального индекса готовности Ря всех конфигураций

=р({Ри. ... Рмя}. {Р[.я(8). ... Р'мдя(8)}. {Р'и. ... Р'я})

^ Ря, я = 1,е, 8 = 1Дг , (26)

где р1я, ... , рм я - статические ПФЭ компонентов, входящих в я -ю конфигурацию; р1"я,..........,

РNя - динамические ПФЭ компонентов, полученные от СОК ЭФ; р[ч(8), ... ,р'м я(8) -корректирующие ПФЭ компонентов, полученные от средств учета режимов для условий режима 8, соответствующего состояниям КБО {Н1, ... , }, характеризующих режимы его работы,

внешние условия и команды экипажа; Ря - интегральный ПФЭ конфигурации.

III. Группа функций выбора и реализации конфигураций:

- функция арбитража конфигураций Fa - определение доминирующего супервизора конфигурации, соответствующего предпочтительной ДСК-конфигурации оборудования для решения текущей задачи в сложившихся условиях, а также предпочтительного а -вычислителя для решения задач управления избыточностью

F = ■

•V <">^(7,, Pq), q = \Q,

opt

I Va(Jr, SoptvX

Г = 1Д,,

(27)

которая является одной из важнейших функций СУИ. IV. Группа управляющих функций СУИ:

- функция формирования управляющих воздействий Рг - формирования команд реконфигурирования, осуществляющих управление входными и выходными каналами коммутационных устройств ^ а, (функция реализации Свх и Свых в части аппаратных

компонентов), управляющий вход диспетчера приложений ^дасп п, а также входные и выходные каналы (далее дадим им термин «интеграционные шлюзы») приложений п, (функция реализации Свх и СВЬ1Х в части программных компонентов), и, кроме того, настройку процедур обработки данных приложений ЯЕ п (функция реализации интеграционной матрицы Ei (г) )

F =i

Rx a, ^вых.а - для апп. БИВС,

^дисп п - для диспетчера,

^вх.п> ^вых.п > КЕ.п - для ПрОТрЭММ

^ s.

opt '

(28)

- функция управления работой СУИ Fu - формирование в ДСК управляющих команд работы системы управления избыточностью

иу — для вычислителей, Fu = < - для супервизоров,

и0 — для операционной системы

У ^

{Sopt ,Va} •

(29)

Таким образом, обобщенная модель (1)-(29) отражает динамику взаимодействия СУИ с объектом управления и его избыточным КБО. Модель (16)-(29) в свою очередь определяет совокупность ключевых функций супервизоров конфигураций, определяет их состав, структуру, принципы организации и взаимодействия (как между собой, так и с «внешними» подсистемами).

Информационная структура супервизора. В соответствии с моделью СУИ предлагается следующая информационно-логическая структура супервизора конфигурации, в обобщенном виде впервые представленная в [15], уточненная схема которой представлена на рисунке 2.

Согласно ей в состав СК входят следующие модули:

- таблица конфигурации, содержащая информацию о соотнесенной конфигурации (по сути о связях между компонентами, распределением приложений, ресурсов и др.) [12], которая формируется на этапе разработки системы и вместе с текущей информацией о готовности компонентов используется модулем арбитража конфигураций (соответствует функции хранения данных о конфигурациях , (16));

- таблица показателей функциональной эффективности, содержащая информацию о ПФЭ компонентов (функция хранения данных об эффективности конфигураций Рд, (18));

Команды реализации конфигурации

Команды согласования работы СУИ

Рисунок 2 - Информационно-логическая структура СК

буфер индексов готовности, с информацией о готовности каждого компонента конфигурации (функция хранения данных мониторинга ¡ч, (17));

- модуль мониторинга, осуществляющий процедуры сбора данных о состоянии компонентов конфигурации (запроса /получения команд готовности к/ от ВСК компонентов), их обработки для решения о готовности конфигурации в целом в виде ИГ конфигурации (ИИГ) (функции мониторинга готовности компонентов Кд, (20) и вычислителей Ку, (21), а также

мониторинга показателей эффективности компонентов Кр, (23));

- модуль режимов, корректирующий ПФЭ в зависимости от режима работы КБО (этап полета, критичность состояния, режимы работы наиболее важных подсистем и пр.), а также действий и команд экипажа [11] (функции мониторинга режимов Кя, (24), адаптации к режимам

Кая, (25)), и формирующий интегральные ПФЭ конфигураций (функция агрегирования ПФЭ К,р , (26));

- модуль арбитража, осуществляющий во взаимодействии с другим СК выбор [11, 13, 14] предпочтительной конфигурации в сложившихся условиях (функция арбитража конфигураций Ка, (27));

- управляющий модуль, формирующий команды верификации и реализации конфигурации (функция формирования управляющих воздействий Кг, (28)) и обеспечивающий циклическую

работу всех модулей СУИ совместно с КБО (функция управления работой СУИ Ки, (29));

- вспомогательные процедуры и буферные файлы для организации целостной работы основных функций СК.

Роль и место БИВС в управлении избыточностью. На рисунке 3 показана структура замкнутой системы «объект + СУИ + КБО», поясняющая роль и место БИВС в целом и системы управления избыточностью в частности (функция формирования управляющих воздействий Кг

(27)). На схеме серой заливкой отмечены средства СУИ, индексами «а», «п» при Я обозначены аппаратные и программные составляющие управляющих воздействий СУИ реализуемой д -й конфигурации.

м и

Внешние воздействия

Объект и аппаратные компоненты КБО

ту

Программные компоненты КБО

ФПО I

Выходные

каналы =♦=

Обработка данных

Интеграционные шлюзы

-------х/-

Коммутаторы входов

Коммутационные таблицы

А

Диспетчер приложений !

-------------------1-----I

Входные каналы

Коммутационная

. I Я "

-^^днсп.п.^ Е.д I

аппаратура

Выходная информация

-хД-

Коммутаторы выходов

Коммутационные таблицы

Супервизоры конфигураций

Вычислительно-коммуникационные средства БИВС

Рисунок 3 - Развернутая структура системы «объект + СУИ + КБО»

Средства обработки данных объединяют как аппаратные (вычислители), так и программные (функциональное ПО) средства БИВС. И те и другие могут быть представлены соответствующими совокупностями однотипных или разнотипных вариантов и варьироваться при переходе от одной конфигурации КБО к другой. Функциональное ПО выполняет предусмотренные процедуры каждой конфигурации, включая реализацию интеграционных матриц Е г ( ) , описывающих обработку данных в линейной ее части (интерпретации) [7].

Коммутаторы входов и выходов представлены аппаратными устройствами и программными модулями, в зависимости от реализуемой (д -й) конфигурации они обеспечивают все необходимые связи аппаратных компонентов конфигурации между собой и с вычислителями БИВС. Сюда входят в том числе связи, формализованные интерфейсными матрицами С и

СВыХд, получаемыми, в частности, аналитически [7-9].

Информация о конфигурациях содержится в СК в форме таблиц конфигураций К{ [12], содержащих в том числе интерпретацию матриц С , Свыхд и Ед. Управление конфигурациями

осуществляется на основе выборок .х , .ых , Я

и ЯЕд из указанных таблиц,

:.д ^ "вых.д ' "дисп.п.д Е.д

направляемых:

- в коммутационную аппаратуру БИВС для управления межкомпонентными соединениями (переключения входов .х а и выходов .ых а д сетевой аппаратуры в соответствии с локальными

коммутационными таблицами (ЛКТ));

- в средства диспетчеризации приложений для управления запуском и остановом ФПО в вычислителях (конфигурационные таблицы диспетчера приложений Ятсппд);

- в активные функциональные приложения для настройки процедур обработки данных (включая коммутацию входных .ХТ1д и выходных .ЫХТ1д каналов приложений, а также

реализацию интеграционной матрицы ЯЕд).

Хранение рациональных полиномиальных элементов матриц Ед (г), как и формальное

описание других процессов в КБО за пределами линейной алгебры, целесообразно осуществлять непосредственно в целевых приложениях, оставляя за СУИ только адресные указания на данные, относящиеся к выбранной для реализации конфигурации. Структуры привлекаемых средств и связанные с ними процедуры должны обеспечивать как физическую (аппаратную), так и

х.а.д

х.п.д

ых.а.д

д

программную имплементацию матриц Свх , Свых и Ед (г). С этой целью вводится понятие

«интеграционных шлюзов», обеспечивающих управляемую подачу необходимых настроек выбранной конфигурации в используемые функциональные приложения. В каждом ФПО предусматриваются программные модули, реализующие такие шлюзы, а в СУИ -соответствующие «ключи» от этих шлюзов.

Система управления избыточностью. Система управления избыточностью КБО предназначена для осуществления и поддержания всей совокупности процессов, обеспечивающих реализацию предлагаемого подхода. Объектами управления избыточностью являются:

- избыточные компоненты КБО со встроенными средствами контроля каждого;

- наборы функциональных и системных приложений вычислителей.

При этом большая часть оборудования КБО может быть объединена через коммуникационные компоненты БИВС, тогда как другая часть соединена с вычислителями напрямую, через выделенные шины передачи данных и др.

Система управления избыточностью включает [15]:

1) резервированные вычислители, объединенные центральной вычислительной сетью;

2) коммуникационную систему БИВС в составе:

- резервированных коммутационных компонентов и каналов передачи данных;

- программных средств диспетчеризации функциональных приложений;

- интеграционных шлюзов в составе функциональных приложений;

3) специализированное системное программное обеспечение вычислителей (СПО УИ) вычислителей, основу которого составляют СК по числу возможных конфигураций КБО.

Функциональная схема СУИ показана на рисунке 4. Связи между модулями СК соответствуют рисунку 2 и в целях упрощения на рисунке 4 не показаны.

Центральная вычислительная система _Л_

Вычислитель

Вычислитель

Режимы КБО

Периферийная коммуникационная

система Периферийное оборудование

И-вычислитель

СК1 к--* СК2

¡СПО УИ

ДСК - доминирующий супервизор

МА Таблицы конфигураций ММ

МР МУ

¡.СК«4_

! СК«

Запрос готовности

Информация о готовности

Команды на реализацию конфигурации

5

5

«

5

6 Ж £ §

* §1*

Приложения

Ф1 Ш11

Ш12

Ф2 Ш21

Ш22 Ш23

Ф* пти

ши

Потоки целевой информации

Интеграционные шлюзы

М1

М2

е—

ЛКТи1 Ми

ЛКТи2

К1

ВСК

К2

ВСК

ВСК

Резервированные вычислители

Рисунок 4 - Функциональная схема СУИ: К... Кт - компоненты периферийного оборудования КБО,

СК:... СК« - супервизоры конфигураций, ММ - модуль мониторинга, МР - модуль режимов, МА - модуль

арбитража, МУ - модуль управления

К

т

На схеме серым цветом выделен ведущий а -вычислитель из набора вычислителей, отведенных для участия в управлении избыточностью, в котором среди п супервизоров сплошным контуром выделен ДСК, определенный по результатам арбитража СК, и который выполняет операции управления реализацией соотнесенной ему ДСК-конфигурации и работой других СК и вычислителей, предусмотренных для участия в процессе управления избыточностью.

Выводы. Предложенная функциональная модель, отражающая динамику взаимодействия системы управления избыточности с комплексом оборудования самолета и решаемые при этом задачи, позволила определить состав, информационно-логическую структуру и особенности реализации СУИ с супервизорами конфигураций в ее алгоритмической части.

Практическая реализация СУИ такого типа предполагается на основе системного программного обеспечения управления избыточностью в составе вычислителей БИВС, которое реализует описанные функции супервизоров конфигураций заданной структуры.

Определена роль БИВС в обеспечении избыточных КБО, которая состоит в реализации управляющей функции СУИ путем управления коммутационной аппаратурой, средствами диспетчеризации приложений, а также информационными каналами функционального программного обеспечения.

Направления дальнейших исследований связаны с решением вопросов практической реализации предложенных решений в бортовых комплексах, включая разработку требований, создание прикладных средств генерирования конфигураций, моделирования и испытаний СУИ, методик оптимизации архитектуры избыточных КБО и оценки их эффективности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Согомонян Е.С. Отказоустойчивые избыточные структуры // Автоматика и телемеханика. 1986. № 10. С. 135-143.

2. Тарасов А.А. Функциональная реконфигурация отказоустойчивых систем. М.: Логос. 2012. 152 с.

3. Кивокурцев А.Л. Повышение эксплуатационной надежности интегрированного комплекса бортового оборудования на основе реконфигурации структуры его вычислительной системы: автореф. дис ... канд. тех. наук: 05.22.14. М.: МГТУ ГА, 2014. 20 с.

4. Дегтярев А.Р., Киселев С.К. Отказоустойчивые реконфигурирующиеся комплексы интегрированной модульной авионики // Электротехн. и инф. комплексы и системы. 2016. № 1. Т. 12. С. 89-99.

5. Клепиков В.И. Отказоустойчивость распределенных систем управления. М.: Золотое сечение. 2014. 391 с.

6. Каляев И.А., Мельник Э.В. Децентрализованные системы компьютерного управления. Ростов-на-Дону: Изд. ЮНЦ РАН. 2011. 196 с.

7. Буков В.Н., Бронников А.М., Агеев А.М., Гамаюнов И.Ф. Аналитический подход к формированию конфигураций технических систем // Автоматика и телемеханика. 2017. № 9. С. 67-83.

8. Буков В.Н., Бронников А.М., Агеев А.М., Гамаюнов И.Ф. Интеграция комплекса оборудования выбранной конфигурации // Автоматика и телемеханика. 2019. № 4. С. 105-125.

9. Буков В.Н., Бронников А.М., Агеев А.М., Гамаюнов И.Ф., Шурман В.А. Генерация альтернативных связей последовательно соединенных подсистем в избыточном комплексе оборудования // Изв. РАН. Теория и системы управления. 2020. № 2. С. 53-65.

10. Буков В.Н., Бронников А.М., Агеев А.М., Гамаюнов И.Ф. Супервизорный метод управления избыточностью технических систем // Изв. РАН. Теория и системы управления. 2017. № 3. С. 59-69.

11. Буков В.Н., Агеев А.М., Шурман В.А. Арбитражный подход к управлению избыточностью комплекса бортового оборудования на основе супервизоров конфигураций // Проблемы управления. 2022. № 2. С. 24-35.

12. Агеев А.М. Принципы хранения и мониторинга информации о конфигурациях в задаче управления избыточностью комплекса бортового оборудования // Мехатроника, автоматизация, управление. 2022. Т. 23. № 1. С. 45-55.

13. Агеев А.М., Буков В.Н., Шурман В.А. Алгоритмы управления избыточностью комплексов бортового оборудования подвижных объектов. Ч. 1. Парный арбитраж конфигураций // Мехатроника, автоматизация, управление. 2022. Т. 23. № 5. С. 263-273.

14. Агеев А.М., Буков В.Н., Шурман В.А. Алгоритмы управления избыточностью комплексов бортового оборудования подвижных объектов. Ч. 2. Парный арбитраж вычислителей // Мехатроника, автоматизация, управление. 2022. Т. 23. № 6. С. 327-336.

15. Агеев А.М., Буков В.Н., Шурман В.А. Система управления избыточностью комплексов бортового оборудования воздушных судов на основе супервизоров конфигураций // Транспорт: наука, техника, управление. Научн. инф. сб. 2022. № 6. С. 10-18.

16. Николенко С.И., Кудрин А.И., Архангельская Е.А. Глубокое обучение. СПб.: Питер. 2018. 480 с.

17. Джанджгава Г.И., Дядищев А.В., Гарифов Р.Ш. О концепции мониторинга технического состояния изделий авионики на основе применения средств и методов физической диагностики // Идеи и новации. 2018. Т. 6. № 3. С. 64-68.

REFERENCES

1. Sogomonyan E.S. Otkazoustojchivye izbytochnye struktury // Avtomatika i telemehanika. 1986. № 10. pp. 135-143.

2. Tarasov A.A. Funkcional'naya rekonfiguraciya otkazoustojchivyh sistem. M.: Logos. 2012. 152 p.

3. Kivokurcev A.L. Povyshenie 'ekspluatacionnoj nadezhnosti integrirovannogo kompleksa bortovogo oborudovaniya na osnove rekonfiguracii struktury ego vychislitel'noj sistemy: avtoref. dis ... kand. teh. nauk: 05.22.14. M.: MGTU GA, 2014. 20 p.

4. Degtyarev A.R., Kiselev S.K. Otkazoustojchivye rekonfiguriruyuschiesya kompleksy integrirovannoj modul'noj avioniki // Elektrotehn. i inf. kompleksy i sistemy. 2016. № 1. T. 12. pp. 89-99.

5. Klepikov V.I. Otkazoustojchivost' raspredelennyh sistem upravleniya. M.: Zolotoe sechenie. 2014. 391 p.

6. Kalyaev I.A., Mel'nik 'E.V. Decentralizovannye sistemy komp'yuternogo upravleniya. Rostov-na-Donu: Izd. YuNC RAN. 2011. 196 p.

7. Bukov V.N., Bronnikov A.M., Ageev A.M., Gamayunov I.F. Analiticheskij podhod k formirovaniyu konfiguracij tehnicheskih sistem // Avtomatika i telemehanika. 2017. № 9. pp. 67-83.

8. Bukov V.N., Bronnikov A.M., Ageev A.M., Gamayunov I.F. Integraciya kompleksa oborudovaniya vybrannoj konfiguracii // Avtomatika i telemehanika. 2019. № 4. pp. 105-125.

9. Bukov V.N., Bronnikov A.M., Ageev A.M., Gamayunov I.F., Shurman V.A. Generaciya al'ternativnyh svyazej posledovatel'no soedinennyh podsistem v izbytochnom komplekse oborudovaniya // Izv. RAN. Teoriya i sistemy upravleniya. 2020. № 2. pp. 53-65.

10. Bukov V.N., Bronnikov A.M., Ageev A.M., Gamayunov I.F. Supervizornyj metod upravleniya izbytochnost'yu tehnicheskih sistem // Izv. RAN. Teoriya i sistemy upravleniya. 2017. № 3. pp. 59-69.

11. Bukov V.N., Ageev A.M., Shurman V.A. Arbitrazhnyj podhod k upravleniyu izbytochnost'yu kompleksa bortovogo oborudovaniya na osnove supervizorov konfiguracij // Problemy upravleniya. 2022. № 2. pp. 24-35.

12. Ageev A.M. Principy hraneniya i monitoringa informacii o konfiguraciyah v zadache upravleniya izbytochnost'yu kompleksa bortovogo oborudovaniya // Mehatronika, avtomatizaciya, upravlenie. 2022. T. 23. № 1. pp. 45-55.

13. Ageev A.M., Bukov V.N., Shurman V.A. Algoritmy upravleniya izbytochnost'yu kompleksov bortovogo oborudovaniya podvizhnyh ob' ektov. Ch. 1. Parnyj arbitrazh konfiguracij // Mehatronika, avtomatizaciya, upravlenie. 2022. T. 23. № 5. pp. 263-273.

14. Ageev A.M., Bukov V.N., Shurman V.A. Algoritmy upravleniya izbytochnost'yu kompleksov bortovogo oborudovaniya podvizhnyh ob'ektov. Ch. 2. Parnyj arbitrazh vychislitelej // Mehatronika, avtomatizaciya, upravlenie. 2022. T. 23. № 6. pp. 327-336.

15. Ageev A.M., Bukov V.N., Shurman V.A. Sistema upravleniya izbytochnost'yu kompleksov bortovogo oborudovaniya vozdushnyh sudov na osnove supervizorov konfiguracij // Transport: nauka, tehnika, upravlenie. Nauchn. inf. sb. 2022. № 6. pp. 10-18.

16. Nikolenko S.I., Kudrin A.I., Arhangel'skaya E.A. Glubokoe obuchenie. SPb.: Piter. 2018.

480 p.

17. Dzhandzhgava G.I., Dyadischev A.V., Garifov R.Sh. O koncepcii monitoringa tehnicheskogo sostoyaniya izdelij avioniki na osnove primeneniya sredstv i metodov fizicheskoj diagnostiki // Idei i novacii. 2018. T. 6. № 3. pp. 64-68.

© Агеев А.М., 2022

Агеев Андрей Михайлович, кандидат технических наук, доцент, докторант, Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж), Россия, 394064, г. Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54А, ageev_bbc@mail.ru.

w и

UDK 629.7.05:519.71 GRNTI 73.37.81:27.47.15

the functional model of the redundancy management system of aircraft airborne equipment complexes based on configuration supervisors

A.M. AGEEV, Candidate of Technical sciences, Associate Professor MESC AF «N.E. Zhukovsky and Y.A. Gagarin Air Force Academy» (Voronezh)

The only way of development of aircraft onboard equipment complexes is to introduce deliberate redundancy of their hardware and software resources using special means of managing available redundant resources. In the development of redundancy management methodology based on special structures called configuration supervisors, the task is to develop a generalized functional model of the system "control object (aircraft) + on-board equipment complex + redundancy management system", that reflects the dynamics of their interaction. The model has been developed that includes four groups of functions: a) functions of storing data on configurations, results of monitoring the readiness and effectiveness of configuration components, redundancy management system modes; b) functions of monitoring the readiness and effectiveness of components, aggregation of readiness indices and functional efficiency indicators (calculation of the corresponding integral indicators), adaptation to operating modes, external conditions and crew orders; c) configuration selection (arbitration) functions, consisting in determining the dominant configuration supervisor corresponding to the preferred configuration of equipment for performing the current task under the current conditions, as well as the preferred calculator for solving redundancy management problems; d) configuration management functions, including the formation of reconfiguration commands that control the input and output channels of switching devices, applications' manager login, input and output channels of applications, configuration of application data processing procedures. Based on the proposed model, the key functions of configuration supervisors, their composition, structure, principles of organization and interaction, both between each other and with «external» subsystems, are determined. The role and place of the onboard integrated computing environment in redundancy management are determined, which consist of the implementation of the fourth group of control functions of the redundancy management system model.

Keywords: airborne equipment complex, redundancy management, equipment configuration, configuration supervisor, airborne integrated computing environment.