Математическая модель оптимизации состава аппаратных средств бортовых информационных и управляющих систем Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Ivanov Alexander Dmitrievitch, student, [email protected], Russia, Tula, Tula State University

УДК 519.8

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОПТИМИЗАЦИИ СОСТАВА АППАРАТНЫХ СРЕДСТВ БОРТОВЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ

И УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ

О.В. Есиков, В.В. Сигитов, С.М. Цыбин

Рассмотрены принципы построения бортовых информационных и управляющих систем сложных технических комплексов. Формализованы математические модели оптимизации состава программных и аппаратных средств современных бортовых информационных и управляющих систем

Ключевые слова: бортовые информационные и управляющие системы, дискретная оптимизация.

В основе современных концепций построения бортовых информационных и управляющих систем (БИУС) [1] лежит открытая сетевая архитектура и единая вычислительная платформа. Функции систем комплекса технических средств в этом случае выполняют программные приложения, разделяющие общие вычислительные и информационные ресурсы. Открытость архитектуры БИУС позволяет для их построения использовать компоненты от разных производителей. Это обеспечивает возможность выбора конфигурации аппаратных средств БИУС под решение конкретного круга задач, последующей модернизации системы.

Реализация данного подхода к построению БИУС сложных технических систем (СТС) и комплексов требует решения целого круга задач, в первую очередь связанных с определением конфигурации вычислительных и программных средств, управлением вычислительными ресурсами и процессами обработки данных. От результата решения данных задач зависит эффективность функционирования БИУС и образца СТС.

Задачи, решаемые в области построения БИУС.

1. Определение состава аппаратных средств.

2. Определение состава программных средств.

3. Определение плана распределения программных средств функциональных задач в системе вычислительных средств.

Задача определения состава программных средств БИУС определяет вариант построения ПО обеспечивающий максимальное задействование программных компонентов в реализации функций системы, при наложении ограничений на объемы занимаемой оперативной и долговременной памяти [2]. Решение данной задачи позволит определять составы комплектов унифицированного ПО (как общего, так и специального) для БИУС различного уровня и назначения.

Задача определения плана распределения программных средств функциональных задач в системе вычислительных средств БИУС решается по критерию равномерной загрузки вычислительных комплексов [3 - 5]. Она решается как на этапе проектирования БИУС, так и на этапе эксплуатации. На этапе эксплуатации БИУС задача распределения программных средств функциональных задач решается при выходе из строя отдельных элементов БИУС с целью перераспределения вычислительных ресурсов для сохранения общей работоспособности системы.

Пусть БИУС содержит М элементов (вычислительных модулей (ВМ), средств коммутации, обработки сигналов и т.п.), которые могут быть связанны в единый комплекс. Каждый 1-й элемент БИУС потенциально может быть реализован т1 вариантами. Совместимость элементов, входящих в БИУС, определяется единством используемых и реализованных технических и технологических решений, обеспечивающих взаимодействие элементов в процессе эксплуатации БИУС (тип питания, тип шины данных и применяемых сетевых протоколов и протоколов обмена данными, форм-фактор и т.п.).

Обозначим через 2 номер выбранного варианта реализации ¿-го элемента БИУС, 21 = 1, 2, ..., т1, I = 1, 2, ..., М. Каждый 21 вариант ¿-го элемента БИУС обладает рядом параметров, например: р(21) - потребляемая

мощность, 0(21) - стоимость, г(21) - вес, у(21 ) - объем.

Пусть для множества вариантов элементов БИУС сформирован перечень характеристик совместимости О, удовлетворяющих техническому заданию, и определены значения каждой характеристики совместимости для каждого элемента gikjl. = 1, если у-я характеристика к-го варианта

¿-го элемента БИУС соответствует ее 1-му значению и 0 - в противном случае (у = 1, 2, ..., i = 1, 2, ..., М, к = 1, 2, ..., т^ I = 1, 2, ..., Ц), где J = О, Ц - число вариантов значений у-й характеристики, удовлетворяющих требованиям ТЗ и реализуемых вариантами элементов БИУС.

Полученный вариант построения БИУС будет совместим по у-й характеристике, если будет выполнено следующее условие

М

Пguljl > 1,у = 1,2,..., J;I = 1,2,...,Цу. i=1

Вариант построения БИУС будет полностью совместим, если

J ЦуМ

ПIП > 0.

у =11=1=1

Тогда по критерию минимума стоимости задача выбора состава аппаратных средств БИУС может быть сформулирована следующим образом. Определить такие значения переменных 21 (I = 1, 2, ..., М), которые обеспечивают

M

Z c(zi)® min (1)

i=1

при ограничениях

а) на общее энергопотребление

M

Z p(zi )£ р доп; (2)

i=1

б) на вес оборудования БИУС

M

Z Г(Zi )< Rдоп; (3)

i=1

в) на занимаемый объем

M

Z v(zi )< Vдоп; (4)

i=1

г) на общую совместимость элементов варианта

J LjM

П Z П gizj * 0; (5)

j=11=1i=1

д) на значения переменных

zt = 1,2,...,mt, i = 1,2,...,M. (6)

Выражения (1) - (6) относятся к классу задач выбора состава комплекса технических средств и для их решения могут использоваться существующие методы [5 - 8].

Таким образом, применение математической модели оптимизации состава комплекса аппаратных средств БИУС позволит принимать обоснованные решения на этапе проектирования и совершенствования средств автоматизации управления сложными техническими системами и комплексами.

Список литературы

1. Гатчин Ю.А., Жаринов И.О. Основы проектирования вычислительных систем интегрированной модульной авионики: монография. М.: Машиностроение, 2010. 224 с.

2. Павлов А.М. Принцип организации бортовых вычислительных систем перспективных летательных аппаратов // Мир компьютерной автоматизации. 2001. № 4 [Электронный ресурс]. URL: www.mka.ru/?p= 41177. (дата обращения 25.04.2007).

3. Пятницких А. Бортовые компьютеры: варианты построения готовых систем // Современные технологии автоматизации. 2008. № 2. С. 20-24.

4. Есиков О.В., Старожук Е.А., Хомяков К.А. Математические модели распределения вычислительных ресурсов в бортовых информационных и управляющих системах по критерию равномерной загрузки // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 9. С. 96-102.

5. Есиков О.В., Цыбин С.М., Шевченко Д.В. Применение метода роя частиц для решения задачи распределения вычислительных ресурсов в бортовых информационных и управляющих системах по критерию равномерной загрузки // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып. 9. Ч. 1. С. 74-82.

6. Алексеев О.Г. комплексное применение методов дискретной оптимизации. М.: Наука, 1987. 248 с.

7. Михалевич В.С., Волкович В.Л. Вычислительные методы исследования и проектирования сложных систем. М.: Наука, 1982. 285 с.

8. Киселев В.Д., Есиков О.В., Кислицын А.С. Теоретические основы оптимизации информационно-вычислительного процесса и состава комплексов средств защиты информации в вычислительных сетях / под. ред. Е.М. Сухарева. М.: Полиграфсервис XXI век, 2003. 200 с.

Есиков Олег Витальевич, д-р техн. наук, профессор, главный специалист, cdhaeacdhae.ru, Россия, Тула, АО «Центральное конструкторское бюро аппарато-строения»,

Сигитов Виктор Валентинович, д-р техн. наук, генеральный директор, cdhaeacdhae.ru, Россия, Тула, АО ««Центральное конструкторское бюро аппарато-строения»,

Цыбин Станислав Михайлович, ведущий инженер, infacdhae.ru, Россия, Тула, АО ««Центральное конструкторское бюро аппаратостроения»

MATHEMATICAL MODEL FOR OPTIMIZING THE COMPOSITION OF HARDWARE ON-BOARD INFORMATION AND CONTROL SYSTEMS

O. V. Esikov, V. V. Sigitov, S.M. Tsyhin

The principles of building onboard information and control systems of complex technical complexes are considered. Formalized mathematical models for optimizing the composition of software and hardware of modern onboard information and control systems.

Key words: onboard information and control systems, discrete optimization.

Esikov Oleg Vitalyevich, doctor of technical sciences, professor, chief specialist, cdhaeacdhae.ru, Russia, Tula, JSC «Central Design Bureau of Apparatus Engineering»,

Sigitov Viktor Valentinovich, doctor of technical sciences, General Director, cdhaeacdhae.ru, Russia, Tula, JSC «Central Design Bureau of Apparatus Engineering»,

Tsyhin Stanislav Mikhailovich, leading engineer, infacdhae.ru, Russia, Tula, JSC ««Central Design Bureau of Apparatus Engineering»