CC BY
72
УДК 656.13:681.3
УПРАВЛЕНИЕ ПРОЕКТОМ СОЗДАНИЯ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ
ПЕРЕВОЗОК
Л.И. Нефедов, д.т.н., профессор, С.А. Кривенко, к. т.н., доцент, ХНАДУ, А.П. Стативка, аспирант, ХНУРЕ
Аннотация. Разработан метод, позволяющий управлять проектом геоинформаци-онной системы. Применение метода рассмотрено на примерах проектирования конечного автомата, кодера Рида-Соломона, при этом применены пакеты в редакции 2005 года: Quartus II 5.1; MATLAB 7.0.4; спецификации Европейского института стандартов связи ETSI 6.8.0. Метод повышает производительность труда и качество проработки решений, сокращает сроки разработки проекта на основе применения современных средств автоматизации и программного обеспечения фирм Microsoft, Math works, Altera и Европейского института стандартов связи ETSI.
Ключевые слова: транспортное средство, управление движением, спутниковые гео-информационные технологии.
Введение
В настоящее время уже предложены эффективные методы, которые позволяют быстро разрабатывать приложения, например, обеспечивающие доставку WEB-ресурсов на абонентские терминалы автомобильной геоинформационной системы, при этом связь может осуществляться на базе стандартов GSM, CDMA и других стандартов мобильной цифровой связи [1]. Однако эти методы, как правило, касаются либо только программного обеспечения (как приведенный выше пример), либо только аппаратного обеспечения системы.
В настоящее время актуальны методы, которые обеспечивают ускорение многих фаз автоматизированного проектирования комплекса, в частности при построении системы на одном кристалле (system-on-a-programmable-chip, SOPC). Настоящая статья посвящена разработке метода, позволяющего управлять проектом геоинформацион-ной системы. Применение метода рассмотрено на примере проектирования конечного автомата, управляющего работой кодера Рида-Соломона, при этом применены пакеты в редакции 2005 года: Quartus II 5.1; MATLAB 7.х.х; спецификации Европейского института стандартов связи ETSI
7.х.х. Эти исследования выполняются в рамках научно-исследовательской работы «Державна інтегрована інформаційна система (ДІІС) забезпечення управління рухомими об’єктами».
Анализ публикаций
Развитие городских инфраструктур и процесс урбанизации крупных населенных пунктов привели к обострению проблем управления транспортными потоками и оптимизации работы специальных и муниципальных служб городов. Кроме того, увеличивающиеся объемы пассажирских и грузовых перевозок предъявляют повышенные требования к контролю их состояния и контролю состояния и целостности грузов. Наряду с этим, в крупных населенных пунктах необходим контроль состояния окружающей среды. Значительные финансовые ресурсы расходуются на ежедневный процесс сбора и обработки информации о радиационном фоне и выбросе вредных веществ в черте крупных городов. Особенно важно обладать в реальном времени информацией о местонахождении своих транспортных или мобильных специальных средств, их техническом состоянии и состоянии перевозимых грузов. К числу потребителей принадлежат: службы быстрого реагирования (МЧС, скорая помощь); аварийноремонтные и транспортные службы, организации, осуществляющие пассажирские и грузовые перевозки, как в пределах городов, так и междугородние и международные перевозки. В статье [2] рассмотрены возможности улучшения информационного обеспечения на основе спутниковых геоинформационных технологий. Приведенные результаты подтверждают, что предложенный новый метод определения положения подвижных
объектов обладает более высокой точностью и быстродействием.
В работе [3] выявлены тенденции и перспективы использования систем глобальной навигации (GPS) и мобильной глобальной цифровой связи (GSM) на основе анализа мирового опыта разработки ведомственных систем и схем наблюдения, навигации и связи с подвижными объектами. Детальное рассмотрение систем GPS и GSM позволило отметить следующие общие черты: модель систем можно представить в форме сети; мобильные станции имеют средства передачи данных и определения координат в пространстве; системы построены на основе компьютерных технологий цифровой обработки сигналов. Реализация этих преимуществ перспективна с точки зрения тенденций развития современных компьютерных технологий. Конечная продукция проекта представляет ведомственную интегрированную систему наблюдения, навигации и связи с подвижными объектами, которая позволит повысить точность определения координат в дифференциальном режиме и оперативность передачи информации для принятия управленческих решений. Однако в работе вопросы управления этим проектом не рассмотрены.
Рассмотрению сценария мониторинга и управления транспортными потоками сети автомобильных дорог с помощью геоинформационных технологий при применении интегрированного ядра [3] посвящена статья [4]. Однако этот сценарий не касается вопросов управления проектом.
Применение модели кодера источника [5] системы, соответствующей спецификациям GSM Европейского института стандартов связи, для имитации работы сложной системы рассмотрено в работе [6]. Средствами автоматизации проектирования может служить программное обеспечение фирмы Altera [7].
Цель и постановка задачи
Приведенный выше анализ позволяет определить цель работы как повышение эффективности управления проектом создания геоинформацион-ной системы на основе развития и совершенствования существующих методов управления проектами [8]. Эффективность в данном случае подразумевает повышение производительности труда и качества проработки решений, сокращение сроков разработки проекта на основе применения современных средств автоматизации и соответствующего программного обеспечения.
В качестве примера объекта проектирования целесообразно выбрать кодер канала системы, соответствующей спецификациям GSM Европейского института стандартов связи. В этом случае проект геоинформационной системы будет рассмотрен
полностью в соответствии с основной моделью системы цифровой связи Шеннона [9].
Метод управления проектом
геоинформационной системы
При управлении проектом предлагается выделить приведенные ниже ключевые узлы жизненного цикла проекта геоинформационной системы. Они представлены ниже в виде 8 этапов. Применение метода иллюстрируется на примере проектирования элемента геоинформационной системы, причем этот элемент сам является сложной системой
- фильтром с конечной импульсной характеристикой. Сложность этого элемента определяется его многоуровневой иерархической структурой. Рассматривается применение этого элемента совместно с кодером канала Рида-Соломона, с параметрами соответствующими спецификации 3GPP TS 45.003 Release 6(сентябрь 2005 года) для второго поколения мобильной связи. В примере использованы пакеты программного обеспечения систем автоматизированного обеспечения в редакции 2006 года: Quartus II 5.1; MATLAB 7.х.х.
Этапы управления проектом
Сначала необходимо создать модель проекта или его составной части в программном обеспечении MATLAB/Simulink. После того, как создана собственная или адаптирована выбранная модель, можно создать файлы с текстовым описанием аппаратуры на языках AHDL, VHDL или Verilog HDL для компиляции проекта в пакете автоматизированного проектирования Quartus II. Альтернативным вариантом является формирование файлов для синтеза и компиляции с помощью средств языков VHDL или Verilog HDL.
Этап 1. С помощью программного обеспечения MATLAB/Simulink синтезировать модели элементов геоинформационной системы на основе штатных блоков пакета Simulink и пользовательских блоков, например, блоков Altera DSP Builder. Этот этап отражает изменения, происшедшие в науке. В современных компьютерноинтегрированных технологиях на смену моделям, разработанным на основе математического аппарата дифференциального и интегрального счисления, ориентированных на ручной неавтоматизированный расчет, пришли модели, ориентированные на компьютер. Например, описание аналоговых систем на языке дифференциальных уравнений, который господствовал несколько веков, заменяется описанием дискретных систем в пространстве состояний [10].
При этом используются разделы высшей математики, посвященные представлению математических моделей матрицами (теория множеств, теория вероятностей). Носителем этого языка сегодня является пакет программного обеспечения
MATLAB/Simulink. Переход от окружающих нас непрерывных явлений к цифровому представлению осуществляется с помощью теоремы отсчетов. Эта теорема в литературе ассоциируется с различными фамилиями Котельникова, Найкви-ста, Шеннона и хотя эта теорема была доказана более полувека назад, однако и сегодня встречаются различные формулировки этой теоремы и она порой неодинаково трактуется [10, 11].
Этап 2. Использовать специализированный блок, например, блок SignalCompiler, для синтеза и анализа проекта.
Этап 3. Имитировать работу изделия на основе модели в пакете Simulink, например, выполнить анализ сигналов модели с помощью осциллографа.
Этап 4. Запустить программу SignalCompiler и настроить параметры имитации и синтеза, например, с помощью средства RTL фирмы Altera.
Этап 5. Выполнить RTL моделирование. Например, средства Altera DSP Builder поддерживают процесс автоматизированного проектирования с помощью программного обеспечения ModelSim на основе сценария, написанного на языке команд для инструментов автоматизированного проектирования (tool command language, tcl). Но, естественно, можно применить языки VHDL или VerilogHDL для ручного моделирования с помощью любых доступных средств моделирования.
Этап 6. Использовать выходные файлы, производимые блоком SignalCompiler средств Altera DSP Builder для выполнения синтеза средствами RTL. Средства Altera DSP Builder поддерживают автоматизированные потоки синтеза для следующих пакетов автоматизированного проектирования Quartus II, Synplify, Precision RTL Synthesis или LeonardoSpectrum на основе сценариев, написанных на языке tcl. Но можно синтезировать файлы с текстовым описанием аппаратуры на языке VHDL вручную, используя другие инструменты синтеза.
Этап 7. Компилировать проект системы в среде Quartus II.
Этап 8. Загрузить прошивочную информацию проекта в макет системы и провести комплексные испытания аппаратного и программного обеспечения системы.
Рассмотрим примеры реализации этих этапов.
Пример 1. Так как теорема отсчетов является базовой, то первый этап проектирования целесообразно рассмотреть на примере проектирования именно элемента выполняющего аналого-цифровое преобразование.
Задание можно сформулировать следующим образом: синтезировать модель аналого-цифрового преобразователя на основе штатных блоков пакета Simulink и пользовательских блоков Altera DSP Builder. На рис. 1 изображена модель модуля амплитудной модуляции.
Рис. 1. Модель Simulink
Пример 2. Задание: выполнить проектные процедуры синтеза и анализа фильтра с конечной импульсной характеристикой с помощью специализированного блока SignalCompiler.
С помощью этого блока синтезировано текстовое описание фильтра с конечной импульсной характеристикой. Анализ текстового описания позволил рассчитать все необходимые атрибуты проекта. В многочисленных отчетах, сформированных блоком, можно найти информацию о том, что при реализации фильтра на микросхеме семейства Stratix необходимо 133 логических элемента, после расчета и оптимизации это число составило 103 логических элемента. Это составляет менее одного процента ресурсов микросхемы, содержащей 10570 логических элементов. Затраты времени на эти процедуры проектирования составили 10 и 25 секунд соответственно (рис. 2).
Flow Elapsed Time
Analysis & Synthesis 00:00:10 00:00:25
Рис. 2. Фрагмент отчета
Пример 3. Задание: выполнить имитацию работы амплитудного модулятора на основе модели в пакете Simulink. Анализ сигналов модели выполнен с помощью осциллографа - штатного блока в пакете Simulink (рис. 3).
Рис. 3. Сигналы на осциллографе пакета Simulink
Пример 4. Задание: после запуска программы SignalCompiler настроить параметры имитации и синтеза с помощью средства RTL фирмы Altera.
На рис. 4 приведены результаты решения этой задачи.
Рис. 4. Технологическая карта
Пример 5. Задание: синтезировать схему спроектированного конечного автомата фильтра. Результаты ЯТЬ моделирования в рамках этапа 5 представлены на рис.5.
Рис. 5. Схема конечного автомата фильтра
Модель представляет собой схему конечного автомата фильтра, на которой могут быть отработаны процессы, различные сценарии развития событий в системе.
Пример 6. Задание: синтезировать граф спроектированного конечного автомата.
На этапе 6 использованы выходные файлы, производимые блоком SignalCompiler средств Altera DSP Builder для выполнения синтеза средствами RTL схемы состояний конечного автомата, управляющего системой. Результаты синтеза представлены на рис. 6.
Пример 7. Задание: построить временные диаграммы сигналов на входе и выходе фильтра.
После компиляции проекта на этапе 7 системы в среде Риайш II получен полный комплект рабочей конструкторской и программной документации. На рис. 7 показаны временные диаграммы сигналов на входе и выходе фильтра из отчета компилятора о временном моделировании.
Рис. 7. Временная диаграмма
Пример 8. Задание: разработать модель Simulink кодера Рида-Соломона, соответствующего спецификации 3GPP TS 45.003 Release 6(сентябрь 2005года) Европейского института стандартов связи.
Этап 8 предусматривает загрузку прошивочной информации проекта в макет системы и проведение комплексных испытаний аппаратного и программного обеспечения системы. Это составляет предмет будущих исследований. В рамках данной работы была создана только модель одного из элементов для комплексных испытаний системы с помощью программного обеспечения MATLAB/Simulink. Этот элемент представляет собой кодер Рида-Соломона, соответствующий спецификации 3GPP TS 45.003 Release 6(сентябрь 2005года) Европейского института стандартов связи. Модель Simulink изображена на рис. 8.
reset rsou1(7:0)|
rs¡n(7:Ü) sink ena к
sink_eop sink_sop Reed_Solomon 4.0.1 source_eop !
sink_val source_sop к
source_ena
Reed _S o lomo n_v4_Q_1
Рис. 8. Модель Simulink кодер Рида-Соломона Приведенные примеры подтвердили целесообразность и эффективность предложенного метода.
Выводы
Таким образом, разработан новый метод, позволяющий, в отличие от известных подходов, комплексно управлять проектом создания геоинфор-мационной системы на протяжении всего жизненного цикла. Применение метода на примерах проектирования амплитудного модулятора,
управляющего конечного автомата, фильтра, кодера Рида-Соломона показывает, что он повышает производительность труда и качество проработки решений, сокращает сроки разработки проекта на основе применения современных средств автоматизации и программного обеспечения фирм Microsoft, Math works, Altera и Европейского института стандартов связи ETSI. Сокращение сроков разработки оценено на примере проектирования фильтра с конечной импульсной характеристикой. При традиционном подходе проектирование фильтра занимает шесть недель, а при использовании описанного метода всего один день, т.е. имеет место выигрыш в 42 раза.
Литература
1. Нефедов Л.И., Овчаренко В.Е., Кривенко С. А.,
Кривенко С.С. Применение WEB-технологии в автомобильной геоинформационной системе - Харьков: Изд-во НИТИП. Технологии приборостроения. - 2004. - № 1. -С.21-25.
2. Нефедов Л.И., Кривенко С.А., Тырса В.В. Ин-
формационное обеспечение управления транспортными ресурсами на основе спутниковых геоинформационных технологий // Автомобильный транспорт / Сб. научн. тр. -Харьков: Изд-во ХНАДУ. - 2003. - Вып.13.
- С.284-286.
3. Пресняков И.Н., Нефедов Л.И, Кривенко С.А.
Тенденции и перспективы создания ведомственных систем наблюдения, навигации и
связи с подвижными объектами - Харьков, Изд-во ХНУРЭ. Прикладная радиоэлектроника. Том 3. -2004. - № 4. - С.85-89.
4. Нефьодов Л.І., Кривенко С.А. Моніторинг та
управління транспортними потоками мережі автомобільних шляхів за допомогою геоін-формаційних технологій // Автомобільні дороги та дорожнє будівництво. - К.: НТУ. -2004. - №72. - С.107-112.
5. Кривенко С.А. Метод идентификации стохас-
тических источников - Харьков: Ротапринт ИРЭ НАН Украины. Радиофизика и электроника. Том 8. - 2003. - №2. - С.204-209.
6. Кривенко С.А. Метод имитации стохастиче-
ских источников - Харьков: Ротапринт ИРЭ НАН Украины. Радиофизика и электроника. Том 8. - 2003. - №3. - С.404-409.
7. Нефьодов Л.І., Кривенко С.А. Застосування
пакету MAX+PlusII при викладанні дисципліни „Гнучка автоматизація виробництв” // Сучасні технології підготовки фахівців в умовах подальшого розвитку вищої освіти України: Матеріали міжнародної науково-методичної. - Харків: ХНАДУ, 2005. -С.53-54.
8. Нефьодов Л.І., Петренко Ю.А., Кривенко С.А.,
Богданов М.І., Демішкан В.Ф. Управління проектами: Навчальний посібник. - Харків: ХНАДУ, 2004. - 200 с.
9. Andrew J. Viterbi, Jim K. Omura Principles of
digital communication and coding - McGraw-Hill Book Company, 1979. - 536 p.
10. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов.
- СПб.: Питер, 2002. - 608 с.
11. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические ос-
новы и практическое применение. Изд.2-е, испр.: Пер с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. - 1104 с.
Рецензент: В.Д. Сахацкий, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 22 марта 2006 г.
