CC BY
89
УДК 629.73.08
А. М. Данилов, Э. В. Лапшин, Г. Г. Беликов, В. Б. Лебедев
МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ ОРГАНИЗАЦИИ МНОГОПОТОКОВОЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ С РАСПАРАЛЛЕЛИВАНИЕМ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ
Аннотация. Предлагаются методологические принципы создания авиационных тренажеров с использованием многопроцессорных информационновычислительных комплексов с распараллеливанием вычислительных процессов в реальном масштабе времени. Приводится их реализация при разработке тренажера транспортного самолета.
Ключевые слова: многопотоковая обработка данных, модульная архитектура, многопроцессорные вычислительные комплексы.
Abstract. The article describes methodological principles of construction of flight simulators using multi-information-processing systems with parallel computing processes in real time. The authors present their implementation in the course of development of a transport aircraft simulator.
Key words: multi-threaded processing, modular architecture, multiprocessor computer systems.
Введение
Концепция модульности предполагает возможность объединения, разделения и модификации отдельных элементов без их влияния на систему в целом [1-5]. При модульной архитектуре систем модули могут создаваться независимо друг от друга и объединяться в блоки для получения необходимых результатов. Многие элементы модульности (модули пилотажных приборов, силовой установки, подвижности, кабина, вычислитель, пульт инструктора и др.) уже используются в современных тренажерах. Однако до последнего времени объединение модулей традиционно требовало больших временных и финансовых затрат (иногда ожидаемая выгода не достигалась или требовались чрезмерные усилия). Так, во многих пилотажных приборах используются аналоговые данные, а в ряде других приборов и вычислителях используются цифровые данные. Налицо обмен в авиационных тренажерах (АТ) большими потоками различной информации. Наибольшие трудности связаны с необходимостью выполнения всех операций в реальном масштабе времени.
1. Описание и постановка задачи
Модульный подход, облегчая некоторые трудности, налагает дополнительные ограничения, связанные с приведением данных в совместимую форму, на систему в целом. Однако если указанные проблемы будут решены, то присущая модульному подходу гибкость будет значительно перекрывать указанные ограничения по обработке данных. Вычисления могут распределяться между различными процессорами.
Существует потенциальная опасность выбора узкоспециализированного подхода с определением некоторой архитектуры ЭВМ и установкой жесткой структуры интерфейса с применением специального языка программиро-
№ 4 (20), 2011
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
вания. Должна существовать возможность создания новых необходимых модулей на основе единого подхода для обеспечения совместимости модулей друг с другом.
При модульном подходе модули и интерфейс могут рассматриваться с функциональной точки зрения (логический уровень) или система рассматривается как набор аппаратных и программных модулей (физический уровень). Указанное разделение позволяет достичь основной цели - разделить указанные уровни так, чтобы изменения на одном уровне не вызывали изменений на другом. Так, можно модернизировать модули акселерационных эффектов, визуализации, установить другие ЭВМ и т.д. без изменения логической структуры АТ или наоборот, использовать различные элементы физического уровня для создания конкретных АТ.
Решение вопроса о взаимодействии модулей на самом деле является решением задачи передачи данных от модуля к модулю. Для их связи необходима схема сопряжения (в идеале - универсальная).
Специального рассмотрения при модульном подходе требует вопрос программного обеспечения. Наибольшие усилия затрачены на обеспечение мобильности программного обеспечения. Доля стоимости математического обеспечения в общей стоимости АТ постоянно возрастает. Поэтому повышение эффективности труда программиста становится все более важным.
Во избежание сложности внедрения технических новшеств требования к модулям, интерфейсу и т.д. не должны быть чрезмерно жесткими и замыкаться на существующих технологиях. Залог успеха - в создании достаточно гибких модулей и системы в целом. Модуль должен определяться функционально. Типы используемых ЭВМ, длина слов, язык программирования и т.п. не должны входить в определение модуля. При определении модулей, интерфейса, утверждении стандартов (для исключения разногласий) головная организация, координируя деятельность подрядчиков, должна исполнять и роль эксперта.
Рассмотренный подход использовался при разработке ряда комплексных тренажеров самолетов Ил-76МД, Ил-96-300, Ту-204, Ан-72, Ан-74, широко используемых для подготовки летного состава в учебно-тренировочных центрах как гражданской, так и военной авиации.
2. Методы решения задач
Ограничимся рассмотрением модульного построения архитектуры комплексного тренажера на примере тренажера самолета Ту-204.
В состав тренажера входят:
- кабина с рабочими местами двух пилотов, бортинженера и инструктора, устанавливаемая на шестистепенном стенде имитатора акселерационных эффектов;
- базовый вычислитель, включающий ЭВМ и устройство комплексиро-вания;
- модуль информационного обмена, состоящий из стоек абонентских терминалов, расположенных вне кабины и в кабине;
- модуль имитатора визуальной обстановки, включающий генератор изображения и модуль отображения визуальной обстановки;
- рабочее место инструктора вне кабины тренажера;
- две стойки с бортовыми ЦВМ;
- модуль имитатора метеонавигационной радиолокационной станции МНРЛС-85;
- модуль общего электропитания с автономным комплектом первичного электропитания для базового вычислителя тренажера;
- модуль кондиционирования воздуха в кабине тренажера.
На рис. 1 приводится модульная структура комплексного тренажера самолета Ту-204.
Возможны два варианта модульного построения АТ.
В первом варианте (связи показаны сплошными линиями) к каждому вычислительному комплексу (ВК) через интерфейс типа «Общая шина» подключается контроллер одной стойки абонентских терминалов с модулями системы информационного обмена (СИО) и используемым бортовым оборудованием. К каждой стойке абонентских терминалов бортовое оборудование подключается с учетом задач, решаемых вычислительным комплексом. Например, во втором вычислительном комплексе решаются задачи динамики полета, системы дистанционного управления, автоматической системы штурвального управления.
К стойке абонентских терминалов, взаимодействующих с вычислительным комплексом два (ВК 2), подключаются органы управления полетом, бортовое оборудование систем, связанных с вычислительной системой управления полетом, вычислительной системой управления тягой, системой предупреждения критических режимов, системой предупреждения о приближении к земле, а также модуль имитатора акселерационных эффектов. Для уменьшения запаздывания к общей шине ВК 2 подключается модуль имитации визуальной обстановки. Здесь возможно создание тренажера из функционально-законченных модулей:
- пилотажного модуля (включает ВК 2, ВК 3, две стойки абонентских терминалов и соответствующее оборудование);
- модуля бортинженера (включает ВК 4, стойку абонентских терминалов, приборы, органы управления, сигнализаторы силовой установки, бортовых систем контроля двигателей, топливной системы, системы регулирования давления, комплексную информационную систему сигнализации);
- модуля самолетовождения (включает ВК 5, стойку абонентских терминалов, бортовое оборудование системы самолетовождения и радиотехнических систем; к общей шине ВК 5 подключается имитатор метеонавигаци-онной радиолокационной станции);
- модуля инструктора (включает ВК 1, стойку абонентских терминалов, оборудование рабочего места инструктора (РМИ)).
Такое построение позволяет разрабатывать и специализированные тренажеры (естественно, с объемом решаемых задач, меньшим, чем в комплексном АТ). Запаздывание от управляющего воздействия от штурвала до изменения изображения в имитаторе визуальной обстановки определяется запаздыванием собственно имитатора визуальной обстановки и 1-2 циклами решения задач.
Во втором варианте (связи показаны пунктирными линиями на рис. 1) контроллеры стоек абонентских терминалов подключаются не к интерфейсу «Общая шина» ВК 1 - ВК 5, а к магистрали модуля передачи данных (подключается к одному из входов общего поля памяти оперативного запоминающего устройства (ОЗУ)).
ю
Рис. 1. Структурная схема комплексного тренажера самолета
№ 4 (20), 2011 Технические науки. Информатика, вычислительная техника
Здесь устройство комплексирования ОЗУ, кроме функций обмена данными между ВК 1 - ВК 5, выполняет функции приема и передачи данных от оборудования кабины и рабочего места инструктора. Это позволяет создать гибкую структуру вычислительной системы тренажера, обеспечивающую перераспределение потоков информации (позволяет уменьшить количество коммутирующих средств). Эксплуатационная надежность тренажера во многом определяется надежностью устройства комплексирования (отказ устройства приведет к отказу тренажера в целом).
С учетом изложенного выше очевидна целесообразность построения тренажера по первому варианту, что практически и реализовано.
Ограничимся рассмотрением основных модулей.
Модуль имитатора динамики полета. Структурная схема с указанием взаимосвязей с другими имитаторами приводится на рис. 2.
Воспроизводится движение самолета в пространстве (решение замкнутой системы нелинейных дифференциальных уравнений; входные параметры -управляющие воздействия экипажа, выходные - параметры полета).
Моделируются:
- движение по взлетно-посадочной полосе (ВПП) и рулежным дорожкам;
- взлет и набор высоты;
- полет по маршруту, снижение и заход на посадку;
- уход на второй круг (с использованием средств комплекса стандартного пилотажно-навигационного оборудования);
- экстренное снижение;
- полет по кругу, заход на посадку и посадка;
- пробег по ВПП с использованием всех средств торможения;
- полет при опасных внешних воздействиях.
Учитываются:
- температура воздуха и атмосферное давление;
- высота (уровень местности) аэродрома;
- горизонтальная составляющая скорости ветра;
- сдвиг и порывы ветра (вертикальный и горизонтальный);
- обледенение (изменение аэродинамических характеристик);
- состояние ВПП;
- сила тяжести и центровка самолета;
- режимы работы силовой установки (включая реверс);
- положение управляющих поверхностей, механизация крыла, шасси (при движении по земле учитываются характеристики устойчивости и управляемости; коэффициенты увода и трения колес с учетом состояния ВПП, торможения колес и работы антиюзового устройства);
- аэроупругость.
Для обеспечения подобия реального и моделируемого полетов самолета непрерывно вычисляются параметры полета в реальном масштабе времени. Экипажу с соответствующих модулей предоставляется визуальная, акустическая, акселерационная информация, показания приборов пилотажнонавигационного комплекса, положения и усилия на органах управления (формируемых в соответствии с параметрами, получаемыми в имитаторе динамики полета (ИДП)).
Вза имо действую щие модули
Модуль системы 5 5 5 5
7 Оэ , Он , Ов , О инт, фст
управления ______________________________
Модуль управлений 8з ’ 8пр > 8шн ’ 8шл > 8шп >
механизац. крыла 8в.т,Фн.ш
МОДУЛЬ ТОрМОЗНОЙ Ртл , Рти
системы
Модуль ТОПЛИВНОЙ От системы
Модуль имитатора
навигационной
обстановки
Рабочее место инструктора
Модуль противо- -
обледенительной
системы
Нм , Назр . , ИК
Исход, положение,
останов, команды Сигнал “Обледенение’
Математическая модель движения самолета в невозмущённой ______________среде_________
Модугпг имитатора динамики полета
Р 1 Р 2 П вд1 П вд2
Модуль продольного^
Модуль
силовой
установки
движения
►
►
Модуль бокового ■* движения
Унифнцированный <
модуль механики полета
Модуль
аэродинамических
коэффициентов
Модуль весовых и центровых характеристик
Модуль имитатора
атмосферных
явлений
Модуль имитации ша сси
Модуль движения по земле
Ук, и,
кх 5 к у
Г.. Г .11. \1. а.
п ,п , и, вт и,
.Т’ V’ ’ .
сое и, С, II'.. IV_
і', у.
8ІП у, С08 у, \|/^
V, »:,• ч у IV.., IV.
У
у
Взаимодействующие
модули
^ Система управления, Модуль тормозной системы,
Модуль
визуальной
обстановки,
Модуль
акустических
шумо в,
Модуль
акселерационных
эффектов,
ВСУП-85,
СЭИ-85,
СППЗ, БИНС, СОК, СВС-85, СПКР-85, ВСУП-85,
ВСС-85
Жл, Nп , Жн , Мі,
ПВПП
Рис. 2. Структурная схема модуля имитатора динамики полета
№ 4 (20), 2011 Технические науки. Информатика, вычислительная техника
Производится декомпозиция системы уравнений движения (продольное и боковое движения, движение по земле, модуль аэродинамических коэффициентов).
Шаг интегрирования задается из условий устойчивости и мощности
ЭВМ.
Предусматривается возможность программного ввода и вывода значений физических параметров на дисплей.
Метод моделирования позволяет обеспечить воспроизведение динамических характеристик в полном соответствии с «Нормами годности авиационных тренажеров для подготовки авиаперсонала воздушного транспорта».
Модуль имитатора акселерационных эффектов предназначается для воспроизведения составляющих акселерационного поля информации, связанных с изменениями линейных перегрузок, угловых ускорений и перемещений, характерных для различных режимов полета, а также воспроизведения эффектов:
- постоянного ненаправленного «фонового» движения в процессе всего полета;
- вибрации от работающих двигателей;
- шумов от выпуска и уборки шасси;
- обжатия стоек шасси при торможении, растормаживании, а также эффектов, вызванных их касанием ВПП, включая раздельное касание носовой, левой и правой стойками;
- тряски при движении по ВПП;
- сваливания.
Модуль также позволяет одновременно имитировать пространственное маневрирование и движение, вызванное внешним воздействием.
Разработка динамических стендов (включая системы управления ими) осуществляется на основе компромисса между возможно более точным моделированием (в наземных условиях) акселерационных ощущений летчика и жесткими техническими ограничениями на максимальные линейные (в меньшей степени на угловые) перемещения кабины стенда (во много раз меньшие реальных перемещений самолета). Точное моделирование акселерационных ощущений летчика во всем диапазоне частот по линейным степеням свободы принципиально невозможно, а по угловым - затруднительно. Противоречие устраняется с использованием особенностей восприятия перегрузок летчиком. В имитаторе акселерационных эффектов воспроизводятся частоты 0,3-3 Гц. Задаваемые перемещения определяются с учетом их допустимого диапазона (независимо от способа формирования управляющих сигналов).
Для того чтобы при моделировании низких частот в изменении перегрузки кабина тренажера не только не выходила за ограничения по перемещению, но и незаметно для летчика стремилась вернуться в среднее, нейтральное положение, используются фильтры верхних частот. Воспроизведение на стенде длительно действующих линейных, боковых и продольных перегрузок (в диапазоне не более ±0^) обеспечивается возможностью наклона кабины на соответствующий угол. При разработке имитатора используются основы формирования ощущений наклонов у человека по реакциям отолитов, тактильных рецепторов. При разгоне и торможении самолета результирующая массовых сил, действующая на рецепторы, вызывает ощущение наклона по тангажу. Кабина тренажера наклоняется на соответствую-
№ 4 (20), 2011
Технические науки. Информатика, вычислительная техника
щий угол тангажа (линия горизонта на экране перед летчиком не изменяет своего положения). Аналогично строится имитатор для боковых перегрузок.
При имитации длительно действующих перегрузок учитывается взаимное расположение отолитового аппарата (в районе головы летчика) и центра вращения самолета (отолиты воспринимают перегрузки от возникающих при вращении центробежных сил). Одновременно с вращением подвижной платформе задаются линейные перемещения (табл. 1). Как в канале крена, так и тангажа используются фильтры.
Таблица 1
Рабочие характеристики динамического стенда
Параметр Диапазон Максимальная Максимальное
движения перемещения скорость ускорение
Продольное ± 0,6 м ± 0,8 м/с ± 8 м/с2
Вертикальное ± 0,5 м + 0,7...0,8 м/с ± 8 м/с2
Боковое ± 0,6 м ± 0,8 м/с ± 8 м/с2
Крен ± 24° ± 20 °/с ± 100 °/с2
Тангаж ± 21° ± 20 °/с ± 100 °/с2
Рыскание ± 23° ± 20 °/с ± 100 °/с2
Заключение
1. Рассматриваются методологические принципы создания авиационных тренажеров модульной архитектуры с использованием системного подхода.
2. Приводятся структура, состав, а также указываются взаимосвязи информационно-вычислительных систем тренажеров, предусматривающих распараллеливание вычислительных процессов.
3. Предлагаются варианты модульного построения тренажеров.
4. Результаты исследований использованы при разработке динамических стендов и комплексных тренажеров самолетов, широко используемых для подготовки летного состава в учебно-тренировочных центрах.
5. Приведенные принципы разработки авиационных тренажеров могут использоваться при проектировании и других управляемых в пространстве динамических систем.
Список литературы
1. Анисимов, А. Н. Методологические принципы проектирования сложных управляемых в пространстве динамических систем в приложении к разработке авиационных тренажеров / А. Н. Анисимов, А. М. Данилов, И. А. Гарькина, Б. В. Клюев, Э. В. Лапшин // Идентификация систем и задачи управления 81СРЯ0'04 : труды III Международной конференции (Москва, 28-30 января 2004 г.). - М. : ИПУ РАН им. В. А.Трапезникова, 2004. - С. 279-311.
2. Данилов, А. М. Динамика и управление внеатмосферными астрономическими обсерваториями / А. М. Данилов, Л. З. Дулькин, А. С. Земляков, В. М. Матросов,
B. А. Стрежнев // Труды VI Международного симпозиума ИФАК по управлению в пространстве : в 2 т. Т. 1. Управление в пространстве. - М. : Наука, 1976. -
C. 153-171.
3. Данилов, А. М. Модульная архитектура пилотажных авиационных тренажеров на базе ПЭВМ / А. М. Данилов, Э. В. Лапшин, В. Н. Шихалеев // Тренажеры и
компьютеризация профессиональной подготовки : труды III Всесоюзной научнотехнической конференции. - Калининград, 1991. - С. 212-213.
4. Гарькина, И. А. Системная методология идентификации сложных динамических систем. Аэрокосмические приложения / И. А. Гарькина, А. М. Данилов, А. П. Прошин // Аэрокосмические приборные технологии : сборник материалов III Международного симпозиума (Санкт-Петербург, 2-4 июня 2004 г.). - СПб., 2004. - С. 39-43.
5. Данилов, А. М. Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров / А. М. Данилов, Э. В. Лапшин // Приборы и системы управления. -1989. - № 8. - С. 11-12.
Данилов Александр Максимович доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой высшей математики, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
E-mail: fmatem@pguas
Лапшин Эдуард Владимирович
доктор технических наук, профессор, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры, Пензенский государственный университет
E-mail: edlapshin@mail.ru
Беликов Георгий Георгиевич доцент, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры, Пензенский государственный университет
E-mail: edlapshin@mail.ru
Лебедев Виктор Борисович
доктор технических наук, профессор, кафедра информационного обеспечения управления и производства, Пензенский государственный университет
E-mail: inoup@pnzgu.ru
Danilov Aleksander Maksimovich Doctor of engineering sciences, professor, head of sub-department of higher mathematics, Penza State University of Architecture and Construction
Lapshin Eduard Vladimirovich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of radio devices engineering and production, Penza State University
Belikov Georgy Georgievich associate professor, sub-department of radio devices engineering and production, Penza State University
Lebedev Viktor Borisovich Doctor of engineering sciences, professor, sub-department of dataware, information management and production,
Penza State University
УДК 629.73.08 Данилов, А. М.
Методологические принципы организации многопотоковой обработки данных с распараллеливанием вычислительных процессов / А. М. Данилов, Э. В. Лапшин, Г. Г. Беликов, В. Б. Лебедев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2011. - № 4 (20). -
С. 26-34.
