CC BY
86
НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ. Н. Э. БАУМАНА
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл № ФС77 - 48211. Государственная регистрация №0421200025. ISSN 1994-0408
электронный научно-технический журнал
Применение имитационного моделирования для контроля вычислительных систем гидролокационных комплексов # 06, июнь 2013 Б01:10.7463/0613.0570096
Сотников А. А., Якупов Ш. 3., Романовский А. С.
УДК 004.052.32
Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана alex_sotnikov@mail.ru shamil@shamil.ru roman@iu6-31.bmstu.ru
Введение
Контроль сложных технических объектов является необходимым и наиболее ответственным звеном в производственном процессе для достижения и поддержания высокого уровня качества промышленных изделий. Наиболее высокие требования к качеству изделий предъявляются в том случае, если бракованное изделие в эксплуатации может нанести ущерб здоровью людей или привести к значительным материальным затратам. Одним из таких ответственных направлений эксплуатации сложных технических систем является гидролокация. Полноценный контроль функционирования вычислительных систем гидролокационных комплексов сопряжен с рядом трудностей, связанных с необходимостью использования в процессе контроля водной среды — гидробассейна или специального полигона для натурных испытаний. Оба способа сопряжены с серьезными материальными затратами: аренда полигона, транспортные и командировочные расходы или содержание гидробассейна. Кроме того присутствует ряд технических ограничений: отсутствие доступа к герметичным технологическим соединителям гидролокационного комплекса, невозможность управления параметрами водной среды, зависимость от метеорологических условий, либо наличие переотражений сигнала от стенок гидробассейна. В таком случае актуальной становится задача построения технологического контрольного комплекса, лишенного вышеуказанных недостатков, но обеспечивающего требуемую достоверность контроля.
В работах [2, 7, 12, 14] авторами рассмотрены теоретические основы и обобщенные методики контроля сложных технических систем. На практике разработчик сталкивается с недостатком исходных данных, а учет полного набора факторов приводит к непомерному
разрастанию модели процесса поиска неисправностей [9]. Применение в модели допущений непосредственно влияет на показатель достоверности. Для построения эффективной методики контроля необходимо учитывать особенности построения и основные принципы работы объекта, его место и назначение в качестве составной части в структуре более крупных изделий, так как только в этом случае разработчик в состоянии оценить соотношение степени снижения достоверности и увеличения сложности процесса контроля за счет применения допущений в модели.
Целью данной работы является определение способа повышения достоверности контроля вычислительных систем гидролокационных комплексов. Для достижения поставленной цели необходимо последовательное решение следующих задач:
1) анализ особенностей построения и основных принципов работы объекта контроля;
2) анализ особенностей контроля вычислительных систем гидролокационных комплексов;
3) применение имитационного моделирования для повышения достоверности контроля;
4) проведение экспериментальных работ.
Научная новизна предложенного способа заключается в применении имитационного моделирования сигналов устройств гидролокационного комплекса в режиме реального времени для решения задач определения исправности вычислительной системы. Проведение исследований в данной области обусловлено недостаточной достоверностью систем контроля [3] гидролокационных комплексов в промышленности. Для практического применения результатов работы использована штатная технологическая контрольно-проверочная аппаратура гидролокационных комплексов.
1. Анализ особенностей построения и основных принципов работы вычислительных систем гидролокационных комплексов
Центральная вычислительная система гидролокационного комплекса (ЦВСГЛК) предназначена для обнаружения и классификации объектов локации, управления параметрами движения комплекса и выполняет следующие основные функции:
• выдача команд зондирования водной среды на гидроакустическую систему (ГАС);
• получение гидролокационной информации от ГАС;
• взаимодействие с системой управления рулевыми механизмами (СУРМ);
• выдача команд на систему автоматики для управления работой системы подъема (СП);
• выдача команд на двигательную систему (ДС) для управления скоростью движения.
Структурная схема гидролокационного комплекса приведена на рис. 1.
ЦВСГЛК построена по модульному принципу. Модули объединены общей шиной информационного взаимодействия. Структурная схема ЦВСГЛК представлена на рис. 2.
Рис. 1. Структурная схема гидролокационного комплекса
Рис. 2. Структурная схема ЦВСГЛК
В состав вычислительной системы входят следующие модули:
• модуль управления параметрами движения (МУПД) — осуществляет управление работой всех модулей, решает задачи стабилизации и навигации гидролокационного комплекса;
• модуль обработки гидроакустических сигналов (МОГАС) — осуществляет управление работой ГАС (выбор типа посылки, формирование команд на зондирование), прием и обработку гидроакустической информации, решает задачи обнаружения, уточнения координат и классификации объектов локации;
• модуль регистрации служебной информации (МРСИ) — осуществляет запись служебной информации в постоянное запоминающее устройство с целью ее дальнейшего воспроизведения и анализа результатов работы гидролокационного комплекса;
• модуль ориентации в пространстве (МОП) — реализует функции датчика угловой скорости и акселерометра по трем осям пространства;
• модуль стабилизированных источников питания (МСИП) — формирует необходимые для работы всех модулей номиналы стабилизированного напряжения питания;
• модуль взаимодействия с аналоговыми системами (МВАС) — обеспечивает взаимодействие с аналоговыми системами гидролокационного комплекса: осуществляет выдачу релейных команд и прием потенциальных сигналов.
Наиболее интенсивная вычислительная нагрузка приходится на МОГАС, так как для эффективной работы гидролокационного комплекса процесс обработки гидроакустических сигналов должен производиться в режиме реального времени.
Для обеспечения выполнения требований по обнаружению и классификации объектов локации вычислительные устройства МОГАС последовательно решают следующие задачи [11]:
1) восстановление формы сигнала — компенсация искажений, претерпеваемых сигналом при прохождении через физическую среду распространения волны;
2) гетеродинирование — процесс смещения рабочей полосы частот в область низких частот для снижения объема вычислений при дальнейшей обработке;
3) подавление нежелательных сигналов — снижение влияния шумовых и помеховых источников на полезный сигнал;
4) формирование диаграммы направленности — преобразование представления сигнала для определения направления приема;
5) обнаружение — адаптивное пороговое определение признаков наличия объектов локации в пространственном луче;
6) определение основных параметров — вычисление координат объектов локации и выделение классификационных признаков.
Для обеспечения выполнения вычислительными устройствами указанных функций в режиме реального времени выполняется параллельная обработка данных, реализованная на многопроцессорной системе. Структурная схема одного вычислительного устройства МОГАС приведена на рис. 3. Поток входных данных поступает с ГАС на несколько групп последовательно связанных процессоров первичной обработки сигналов (ППОС). Вычисле-
Рис. 3. Структурная схема вычислительного устройства МОГАС
ние пеленгов, дальности и определение классификационных признаков объектов локации выполняется в выделенном процессоре вторичной обработки сигналов (ПВОС).
Реализация многопоточного алгоритма на мультипроцессорной системе является сложной технической задачей, при решении которой необходимо уделять внимание особенностям построения многопроцессорных систем обработки сигналов, в частности проблемам возникновения конфликтов между вычислительными блоками. Жесткий контроль за временем реализации вычислений является другой серьезной технической задачей, решение которой необходимо для стабильного функционирования системы реального времени.
Количество входных данных QD, поступающих в ЦВСГЛК в единицу времени, зависит от частоты принимаемого дискретного сигнала Fs и количества гидрофонов Мс в решетке ГАС [10]:
QD = 4 ■ Fs ■ Мс.
Объем операций, выполняемых за единицу времени, определяется не только потоком входных данных QD, но и алгоритмом обработки гидроакустических данных, его параметрами (разрешающая способность обнаружения, количество классификационных признаков).
Проведенный в данной работе анализ особенностей построения и функционирования вычислительных систем гидролокационных комплексов показал, что ЦВСГЛК является сложной цифровой мультипроцессорной системой реального времени с высокой производительностью. Уровень требований к производительности ЦВСГЛК определяется параметрами антенной решетки ГАС, полосой зондирующих сигналов, разрешающей способностью обнаружения и другими параметрами алгоритма обнаружения.
2. Анализ особенностей контроля вычислительных систем гидролокационных комплексов и применение имитационного моделирования для решения задачи функционирования
Исходя из результатов анализа, проведенного в предыдущей части статьи, можно сделать вывод, что в ЦВСГЛК, наряду с типовыми для сложных технических систем неисправностями (отказ электрорадиокомпонента, короткое замыкание, обрыв проводника), существует значительная вероятность сбоев. Сбоем в работе цифрового устройства считают неисправность, время существования Тс которой значительно меньше времени ее обнаружения То и локализации Тл [8]:
Тс < То + Тл.
Сбой вызван тем, что в цифровом устройстве ячейка регистра, счетчика, логического элемента не срабатывает от управляющего сигнала или ложно срабатывает при его отсутствии, либо происходит побитное искажение данных. Причинами возникновения сбоев в работе цифрового устройства могут быть воздействие электрической помехи (некачественное экранирование, ошибки синхронизации, отсутствие защитных фильтров, гонки сигналов) или
ошибки программного обеспечения (некорректная работа с памятью, незащищенный протокол обмена данными, неточности при обработке прерываний). В многопроцессорных системах реального времени сбой может стать следствием некорректного разрешения конфликтов при взаимодействии программ процессоров, а также нарушения временной циклограммы работы.
Если определение отказов аппаратной части, таких как короткое замыкание, обрыв проводника, выход на нештатные режимы, является стандартной задачей контроля сложных технических систем и выявляется набором тестов при проверке работоспособности, то выявление сбоев является очень кропотливой и трудоемкой задачей, требующей глубокого знания принципов работы контролируемого объекта. На настоящий момент не существует универсальной методики обнаружения сбоев в цифровых вычислительных системах, стандартных технологических приемов или инструментов контроля работы многопроцессорной вычислительной системы, поэтому существенное влияние на эффективность определения неисправностей оказывает метод контроля [1].
Одним из наиболее эффективных способов контроля сложных вычислительных систем реального времени является проведение функционирования [3] объекта контроля наряду с проверкой его работоспособности [4]. Реализация функционирования объекта контроля более наукоемкая и дорогостоящая работа по сравнению с проверкой работоспособности изделия, но за счет увеличения вероятности выявления сбоев достоверность контроля при применении данного способа выше. При этом, чем лучше приближена циклограмма функционирования к штатным режимам работы устройства, тем выше достоверность контроля.
Структурная схема системы контроля при проведении функционирования вычислительной системы гидролокационного комплекса приведена на рис. 4.
Основными задачами при проведении функционирования объекта контроля являются управление режимами работы ЦВСГЛК в соответствии с циклограммой и обеспечение максимальной вычислительной нагрузки на процессоры и линии информационной связи. Наи-
Рис. 4. Структурная схема системы контроля ЦВСГЛК
более важными требованиями при решении указанных задач являются: адекватность моделей имитируемых устройств и четкое соблюдение режима реального времени при работе программы контроля, так как при реализации внешних воздействий необходимо обеспечить согласованность работы штатной программы вычислительной машины гидролокационного комплекса и технологической программы контроля. Функционирование с применением имитационного моделирования должно выполняться в реальном режиме времени по циклограмме, обеспечивая имитацию событий в требуемом порядке и с надлежащими временными интервалами между ними. Так как при моделировании внешней обстановки гидролокационного комплекса, в частности гидроакустических сигналов, поступающих на антенную решетку, события появляются регулярно, то целесообразно применение метода моделирования с фиксированным шагом [13]. По методу фиксированного временного шага отсчет системного времени ведется через заранее определенные временные интервалы ДЬ. Величина ДЬ оказывает решающее влияние на процесс моделирования, так как любое положительное приращение времени заставляет процесс моделирования двигаться вперед. Если величина ДЬ выбрана неправильно, то результаты моделирования также могут оказаться неадекватными реальным процессам.
На рис. 5 представлена иллюстрация влияния величины приращения времени на процесс имитационного моделирования. Формирование событий, возникающих в гидролокационном комплексе в моменты времени Ьк, осуществляется через равные промежутки времени ДЬ и 2ДЬ на временных метках и Б'/ соответственно. Оптимальной с точки зрения эффективного использования вычислительных ресурсов имитационного комплекса является ситуация, при которой за время равное шагу моделирования происходит не более одного события, т.е. к < г.
Наиболее частым событием в вычислительной системе является процесс приема гидроакустической информации от ГАС. Таким образом шаг приращения времени в программе
Рис. 5. Влияние величины приращения времени на процесс имитационного моделирования
моделирования определяется периодом приема гидроакустических данных ТГАС:
А* < ТгАс.
С другой стороны величина шага приращения модельного времени определяется временем выполнения моделирования на конкретной аппаратуре, то есть вычислительной мощностью контрольной аппаратуры и вычислительной сложностью математической модели. Обозначим минимальное время, необходимое для подготовки вектора имитационных данных, Тори, тогда
ТОРи < А < ТГАС.
Достоверность Д системы контроля определяется [8]:
• полнотой выбора контролируемых параметров, методом их оценки и степенью учета взаимозависимостей элементов системы — методическая достоверность Дм;
• ошибками измерения параметров системой контроля — инструментальная достоверность Ди.
Полагая, что Дм и Ди являются независимыми величинами, получим значение достоверности
Д = Дм • Ди.
В отличие от способов повышения инструментальной достоверности контроля [6] функционирование вычислительных систем гидролокационных комплексов с применением имитационного моделирования в режиме реального времени позволяет увеличить методическую достоверность контроля за счет учета зависимостей оцениваемых параметров от влияния параллельных процессов.
3. Описание экспериментальной установки и основные результаты моделирования
Комплект технологической контрольно-проверочной аппаратуры (ТКПА) разработан и изготовлен НИИ ИСУ МГТУ им. Н.Э. Баумана с целью проведения контроля гидролокационных комплексов и их составных частей при всех видах испытаний на заводе-изготовителе, лабораторно-стендовых и полигонных испытаниях, работах по восстановлению технического состояния.
Комплект ТКПА состоит из следующих составных частей:
• пульт оператора на базе ПЭВМ (предназначен для дистанционного управления процессом контроля и визуализации результатов);
• устройство включения и блокировки(предназначено для дистанционного отключения электропитания объекта контроля в случае возникновения нештатной ситуации);
• стойка аппаратурная (предназначена для реализации стимулов и команд на объект контроля, в том числе электропитания);
• комплект соединительных кабелей (предназначен для обеспечения электрического соединения составных частей ТКПА и объекта контроля);
• диск с программным обеспечением и документация.
Конструктивно стойка аппаратурная выполнена на базовых несущих конструкциях по стандарту МЭК 60297 [5]. Внешний вид стойки представлен на рис. 6.
Рис. 6. Внешний вид стойки аппаратурной
Стойка аппаратурная выполняет следующие основные функции:
1) взаимодействие с пультом оператора;
2) обеспечение внешнего электропитания объекта контроля и имитации внутренних бортовых батарей электропитания; измерение параметров электропотребления;
3) формирование цифровых и аналоговых стимулирующих команд на объект контроля;
4) прием цифровых и аналоговых сигналов от объекта контроля;
5) имитационное моделирование гидроакустических сигналов;
6) самоконтроль.
Программное обеспечение имитационного моделирования реализовано на высокопроизводительном цифровом процессоре серии DM642 фирмы Texas Instruments, США. Управление параметрами модели осуществляется с пульта оператора. Информационный обмен между управляющей ПЭВМ и процессором осуществляется по информационному каналу Ethernet, 100 Мбит. Информационный поток гидроакустических данных поступает на бортовой вычислитель объекта контроля посредством штатного цифрового последовательного интерфейса SPI.
На рис. 7 представлены результаты моделирования гидроакустических сигналов. С целью эффективного распределения вычислительных ресурсов ТКПА имитационное моделирование гидроакустических сигналов проводилось на пониженной частоте в комплексном виде (после гетеродинирования) [10].
5 10 15 20 25 30 35 4 0 5 10 15 20 25 30 Рис. 7. Результаты имитационного моделирования гидроакустических сигналов
Практическое применение функционирования и имитационного моделирования при контроле вычислительных систем гидролокационных комплексов позволило увеличить достоверность контроля на 20-25 %.
Заключение
В работе приведены результаты анализа особенностей построения и функционирования вычислительных систем гидролокационных комплексов применительно к задаче их контроля на стадиях разработки и эксплуатации. Проанализированы виды и причины возникновения
неисправностей. Предложен и реализован эффективный способ выявления сбоев при проведении контроля качества изделий, в основе которого заложен принцип проведения функционирования вычислительных систем гидролокационных комплексов с использованием имитационного моделирования гидроакустических сигналов в режиме реального времени.
В статье представлено краткое описание комплекта технологической контрольно-проверочной аппаратуры, разработаной и изготовленной НИИ ИСУ МГТУ им. Н.Э. Баумана в рамках выполнения опытно-конструкторской работы с целью проведения контроля гидролокационных комплексов и их систем. Приведены результаты имитационного моделирования гидроакустических сигналов с использованием технологической контрольно-проверочной аппаратуры.
Наряду с применением в области технического контроля, имитационное моделирование гидракустических сигналов в режиме реального времени может активно применяться для отладки бортового программного обеспечения гидролокационных комплексов и разработки перспективных алгоритмов обнаружения подводных объектов.
Список литературы
1. Воробьев В.Г., Константинов В.Д., Денисов В.Г. Техническая эксплуатация авиационного оборудования: учебник для вузов / Под ред. В.Г. Воробьева. М.: Транспорт, 1990. 296 с.
2. Глухов В.В. Техническое диагностирование динамических систем. М.: Транспорт, 2000. 96 с.
3. ГОСТ 20911-89. Техническая диагностика. Термины и определения. М.: Стандартин-форм, 2009. 9 с.
4. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1990. 20 с.
5. ГОСТ Р МЭК 60297-3-101-2006. Конструкции несущие базовые радиоэлектронных средств. Блочные каркасы и связанные с ними вставные блоки. М.: Стандартинформ, 2007. 18 с.
6. Загрутдинов Г.М. Достоверность автоматизированного контроля. Казань: Издательство КГУ, 1980. 279 с.
7. Зверев Г.Я. Оценка надежности изделия в процессе эксплуатации. М.: ЛЕНАНД, 2010. 96 с.
8. Иванов Ю.П., Никитин В.Г., Чернов В.Ю. Контроль и диагностика измерительно-вычислительных комплексов: Учебное пособие. Спб.: ГУАП, 2004. 98 с.
9. Разумный В.М. Оценка параметров автоматического контроля. М.: Энергия, 1985. 80 с.
10. Сотников A.A. Способ повышения эффективности вычислительных комплексов цифрового имитационного моделирования гидроакустической обстановки в реальном масштабе времени // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электронный журнал 2013. № 2. DOI: 10.7463/0213.0531784.
11. Сотников A.A., Якупов Ш.З. Цифровая первичная обработка гидролокационных сигналов // Труды № 1 молодых ученых, аспирантов и студентов «Информатика и системы управления». М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003, С. 277-282.
12. Александровская Л.Н., Круглов В.И., Кузнецов А.Г. и др. Теоретические основы испытаний и экспериментальная отработка сложных технических систем: учеб. пособие. М.: Логос, 2003, 736 с.
13. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем — искусство и наука: пер. с англ. М.: Мир, 1978. 421 с.
14. Городецкий В.И., Дмитриев А.К., Марков В.М. и др. Элементы теории испытаний и контроля технических систем / Под ред. Р.М. Юсупова. Л.: Энергия, 1978. 192 с.
SCIENTIFIC PERIODICAL OF THE BAUMAN MSTU
SCIENCE and EDUCATION
EL № FS77 - 48211. №0421200025. ISSN 1994-0408
electronic scientific and technical journal
Controlling computing systems of sonar complexes
with the use of simulation modeling
# 06, June 2013
DOI: 10.7463/0613.0570096
Sotnikov A. A., Yakupov Sh. Z., Romanovsky A. S.
Bauman Moscow State Technical University 105005, Moscow, Russian Federation alex_sotnikov@mail.ru shamil@shamil.ru roman@iu6-31.bmstu.ru
The authors propose a method of increasing accuracy control of computing systems in sonar complexes. This method allows to increase methodical validity of a control system by using simulation modeling of signals from sonar complex devices in real time. This article presents a brief analysis of the structure and main working principles of the monitored item; the main potential problems are emphasized along with the causes of their occurrence; application area of the proposed method was determined. This method could be applied to technical control of products in industry and to debugging of on-board software of sonar complexes and development of new promising algorithms of sonar signal processing.
References
1. Vorob'ev V.G., Konstantinov V.D., Denisov V.G. Tekhnicheskaia ekspluatatsiia aviatsionnogo oborudovaniia [Technical operation of aviation equipment]. Moscow, Transport, 1990. 296 p.
2. Glukhov V.V. Tekhnicheskoe diagnostirovanie dinamicheskikh system [Technical diagnostics of dynamic systems]. Moscow, Transport, 2000. 96 p.
3. GOST 20911-89. Tekhnicheskaia diagnostika. Terminy i opredeleniia [State Standard 2091189. Technical diagnostics Terms and definitions.]. Moscow, Standartinform Publ., 2009. 9 p.
4. GOST27.002-89. Nadezhnost' v tekhnike. Osnovnyeponiatiia. Terminy i opredeleniia [State Standard 27.002-89. Industrial product dependability. General concepts. Terms and definitions]. Moscow, Standards Publishing House, 1990. 20 p.
5. GOSTRMEK 60297-3-101-2006. Konstruktsii nesushchie bazovye radioelektronnykh sredstv. Blochnye karkasy i sviazannye s nimi vstavnye bloke [State Standard of RF 60297-3-101-2006.
Mechanical structures for radio-electronic equipment. Subracks and associated plug-in units. Dimensions of mechanical structures of the 482,6 mm (19 in) series]. Moscow, Standartinform Publ., 2007. 18 p.
6. Zagrutdinov G.M. Dostovernost' avtomatizirovannogo kontrolia [Reliability of automated control]. Kazan', KSU Publ., 1980. 279 p.
7. Zverev G.Ia. Otsenka nadezhnosti izdeliia v protsesse ekspluatatsii [Evaluation of reliability of the product during operation]. Moscow, LENAND, 2010. 96 p.
8. Ivanov Iu.P., Nikitin V.G., Chernov V.Iu. Kontrol' i diagnostika izmeritel'no-vychislitel'nykh kompleksov [Control and diagnostics of measuring-computing complexes]. St. Petersburg, SUAI Publ., 2004. 98 p.
9. Razumnyi V.M. Otsenka parametrov avtomaticheskogo kontrolia [Estimation of parameters of automatic control]. Moscow, Energiia, 1985. 80 p.
10. Sotnikov A.A. Sposob povysheniia effektivnosti vychislitel'nykh kompleksov tsifrovogo im-itatsionnogo modelirovaniia gidroakusticheskoi obstanovki v real'nom masshtabe vremeni [Method of improving efficiency of digital simulation systems for modeling a real time hydro-acoustic situation]. Nauka i obrazovanieMGTUim. N.E. Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU], 2013, no. 2. DOI: 10.7463/0213.0531784.
11. Sotnikov A.A., Iakupov Sh.Z. Tsifrovaia pervichnaia obrabotka gidrolokatsionnykh signalov [Digital primary treatment of hydrolocation signals]. Trudy №1 molodykh uchenykh, aspirantov i studentov <<Informatika i sistemy upravleniia» [Proc. no. 1 of young scientists, postgraduates and students "Information science and control systems"]. Moscow, Bauman MSTU Publ., 2003, pp. 277-282.
12. Aleksandrovskaia L.N., Kruglov V.I., Kuznetsov A.G., et al. Teoreticheskie osnovy ispytanii i eksperimental'naia otrabotka slozhnykh tekhnicheskikh system [Theoretical basis of tests and experimental testing the operation of complex technical systems]. Moscow, Logos, 2003. 736 p.
13. Shannon R.E. Systems Simulation: The Art and Science. Englewood Giffs, N.J., Prentice-Hall, 1975. (Russ. ed.: Shennon R. Imitatsionnoe modelirovanie sistem — iskusstvo i nauka. Moscow, Mir, 1978. 421 p.).
14. Gorodetskii V.I., Dmitriev A.K., Markov V.M., et al. Elementy teorii ispytanii i kontrolia tekhnicheskikh sistem [Elements of the theory of testing and control of technical systems]. Leningrad, Energiia, 1978. 192 p.
