УДК 28.23.11
А. А. Лямкин, Н. П. Микуленко, Т. Ф. Тревгода
ЯЗЫК ОПИСАНИЯ ПРОЦЕССОВ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ В ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ
Предлагается объектно-признаковый язык описания структуры пространственного размещения, характеристик и информационных связей сложных технических систем. Представлены алгоритмы обработки информации и модели функционирования систем с использованием объектно-признакового языка.
Ключевые слова: техническая система, объектно-признаковый язык, описание, структура, алгоритм.
Введение. Цели функционирования сложных технических систем (СТС) достигаются только благодаря управлению. В основе алгоритмов управления лежат правила поведения системы и ее компонентов, приводящие к достижению заданной цели. Алгоритмы управления СТС, составной частью которых являются алгоритмы обработки информации, реализуются в виде функционального программного обеспечения (ФПО) комплексов управления. В конечном счете ФПО определяет эффективность функционирования систем.
Правила поведения системы (иначе, правила управления, правила боевого использования, правила обработки информации) формулируются ее заказчиком на естественном языке в терминах конкретной предметной области, а их реализация в виде ФПО осуществляется исполнителем. Вербальность технического задания на создание ФПО часто ведет к разному пониманию заказчиком и исполнителем одних тех же задач, что, как известно, приводит к длительному и дорогостоящему процессу отладки системы, а нередко и к невозможности реализации ее проекта.
Синтаксис и семантика языка. Для формализации описания СТС, включая процессы ее функционирования и управления, а также для формулирования технического задания на ФПО в целях его однозначного толкования заказчиком и исполнителем может служить объектно-признаковый язык — некий метаязык, который является промежуточным между вербальным языком и языками программирования высокого уровня.
Для понимания сути языка достаточно рассмотреть лишь его синтаксис и семантику. Можно считать, что каждый конкретный объект Х принадлежит к определенному множеству (типу) объектов (Т.Х). Любой объект этого множества характеризуется номером, иначе говоря, именем конкретного экземпляра (ЫТ.Х) и целым набором других признаков, которые перечисляются в квадратных скобках после имени объекта (Т.Х [Ы Т.Х...]). Объекты и их признаки обозначаются на латинице начальными буквами терминов языка предметной области и общепринятых физических величин.
Существуют признаки числовые (например, Б — дистанция, V — скорость, и — угол) и нечисловые (например, ТС — тип цели, РН — признак высоты). Если признак объекта характеризуется только одним членом некоторого множества, то все члены множества перечисляются в фигурных скобках (например, ТС:(С, Ж, Я], где С — самолет, Ж — вертолет, Я — ракета). Если признак объекта характеризуют все члены множества, то они задаются кортежем в угловых скобках (например, ОЯ: <ЬХ, ЬУ, где ОЯ — геометрические размеры объекта вдоль осей его симметрии).
Признаки бывают зависимыми и независимыми. Зависимость (функция) одного признака от другого указывается в круглых скобках (например, Е(П) — энергия или мощность Е принимаемого излучения зависит от дальности Б до источника излучения). Описание типа
любого объекта Х можно рассматривать как таблицу, где в первой графе указывается его имя Т.Х, а в последующих графах — все остальные признаки.
Для описания информационных связей между объектами служат входные и выходные формуляры обмена информацией (F.) с расширением по имени объекта. Чтобы различать входные и выходные формуляры одного и того же объекта, для входного формуляра вводится дополнительное расширение U (управляющий), а для выходного — I (информирующий). При однозначном понимании, о каком формуляре идет речь (например, при последовательном соединении объектов) необходимость в дополнительном расширении отпадает. Различие между типами объектов Т.Х [...] и формулярами FX [...] заключается в том, что признаки в формулярах являются переменными величинами, а в типах объектов — постоянными.
Между признаками могут устанавливаться различные соотношения, принятые в математике и языках программирования высокого уровня (например, +, -, •, /, =, >, >, <, <, SQRT, SIN, SGN и т. п.). Это позволяет описывать процессы функционирования СТС и алгоритмы обработки информации и управления.
Описание структуры СТС. Любая СТС в обобщенном виде может быть представлена совокупностью (рис. 1) таких взаимосвязанных средств, как:
SZ — средства технического зрения, с помощью которых система получает информацию о состоянии других взаимодействующих с ней систем;
SV — средства информационного и/или материального воздействия на другие СТС;
KU — комплекс (средство) управления;
SO — оператор системы;
SD — средство доставки (носитель) всех других средств.
Эти пять взаимосвязанных средств представляют собой ядро, которое может быть использовано как для построения блочной модели структуры СТС, так и для формализованного ее описания. Отметим, что на любом уровне иерархии системы обязательным является лишь наличие комплекса управления.
Так, описание батареи самоходных зенитных комплексов может быть представлено в виде двух строк (по числу уровней иерархии):
T.KG [NT.KG, NT.SZ, NT.KU, NT.SD, QL, N_T.KL ]; T.KL [NT.KL, NT.SZ, N_T.KU, NT.SD, QSV, N_T.SV], где первая строка описывает тип группы T.KG (батарея), а вторая — тип входящих в ее состав локальных зенитных комплексов (T.KL).
Описание батареи включает в себя: NT.KG — номер батареи, количество (QL) и название (NT.KL) подчиненных зенитных комплексов; в описании зенитного комплекса (T.KL) содержится его имя (NT.KL), количество (QSV) и имя (N T.SV) средств воздействия (артиллерийских или ракетных установок). Кроме того, и в описании батареи, и в описании зенитного комплекса содержится имя средств технического зрения (NT.SZ), имя комплекса управления (N T.KU) и имя средства доставки (N T.SD).
Описание пространственного размещения СТС. Тип пространственного размещения T.RX любого объекта (системы, комплекса или их составной части) относительно заданной (реперной) точки в общем случае характеризуется его координатами (X, Y, Z), скоростью (V) и направлением движения объекта в горизонтальной (EZ) и вертикальной (EY) плоскостях неподвижной декартовой системы координат:
T.RX [NT.RX, X, Y, Z, V, EZ, EY].
При неподвижном объекте углы EZ и EY определяют его пространственную ориентацию. Тип размещения отдельного средства СТС характеризуется координатами относительно
Рис. 1
геометрического центра носителя. Тип размещения является важной характеристикой начальных условий функционирования системы.
Описание характеристик отдельных средств СТС. При описании конкретных образцов средств системы (обнаружителей, носителей и др.) следует исходить из обобщенного описания каждого средства, что ведет к единообразию описаний и позволяет выявить или не упустить существенные детали. При этом важно иметь представление о том, для каких целей будет использоваться данное описание. Каждый объект в целом обладает и функциональными, и конструктивными, и экономическими характеристиками. Однако при решении разных по целям задач эти характеристики используются порознь.
Например, описание характеристик такого средства технического зрения, как обзорная РЛС с антенной решеткой, с точки зрения функциональности средства может быть представлено в виде
где QM — максимальное число сопровождаемых целей, DM и DH — минимальная и максимальная дальности обнаружения соответственно, T — период обзора, 1К:<К, M, D> — измеряемые координаты целей (соответственно K — курсовой угол, M — угол места, D — дальность), TD — точность измерения дальности, TE — точность измерения углов.
В функциональном описании Т.SZ отсутствуют массогабаритные, стоимостные или эксплуатационные характеристики. Степень подробности такого описания зависит от целей его дальнейшего использования.
Описание информационных связей СТС. На рис. 2 показаны информационные связи комплекса управления KU с другими средствами системы и с надсистемой. Связи представлены в виде формуляров обмена информацией. Их совокупность образует информационную модель системы.
Например, информирующий формуляр радиолокационного обнаружителя имеет вид
где ЬC — количество сопровождаемых целей, Ы_С — номер цели в нумерации данного обнаружителя.
Управляющий формуляр носителя ^В) имеет вид
Описание процессов функционирования СТС. Информационная модель объекта может служить для системного описания процесса его функционирования. Модель (алгоритм) функционирования какого-либо подвижного объекта (системы) M.X может быть представлена в виде преобразования информации из входного формуляра F.XU в выходной F.XI в соответствии с характеристиками объекта, задаваемыми его типом Т.Х и типом его размещения Т.ЕХ:
I.SZ [N_T.Z, QM, DM, DH, T, IK:<K, M, D>, TD, TE],
F.ZI [LC, N_C, K, M, D],
¥Ш [V, EZ, ЕУ]. Аналогичным образом могут быть описаны и все другие связи.
Р.Ш \ Р. ии
Рис. 2
M.X = F.ХЮ ТХ&ТЯХ > F.XI.
В общем случае число входных и выходных формуляров не ограничено. Например, модель комплекса управления СТС (см. рис. 2) можно записать как
MКЮ = F.2! & F.OI & FDI & FVI & FUU ТК > F2Ю & FСЮ & FDU & FVU & F.UI.
Для представления алгоритмов обработки информации и моделей функционирования систем с использованием объектно-признакового языка может служить улучшенная авторами форма структурограмм [1].
Функциональное программное обеспечение комплекса управления КЮ любой СТС включает в себя две группы программ: 1) программы обработки информации и 2) программы выработки команд управления. К 1-й группе относятся программы отождествления объектов, их классификации, преобразования координат, расчета характеристик взаимного положения объектов и др. Для примера рассмотрим упрощенный алгоритм отождествления воздушных целей (объектов), реализуемый в ФПО корабельного комплекса радиоэлектронного подавления (РЭП) противника.
Надводный корабль обнаруживает цели с помощью РЛС, аппаратуры обнаружения лазерных излучений и станции радиотехнической разведки. Информация о радиолокационных ^.Я1), лазерных ^.СЪ) и радиотехнических ^.ЯТ) целях в виде входных формуляров поступает на вход программных средств комплекса РЭП:
F.RL[LC, Ы_С, КЯ, МЯ,ТЕЯ, ПЯ]; ЕСЦЩ КЪ, МЪ, ТЕЪ]; F.RT[LT, Ы_Т, КТ, МТ, ТЕТ].
В формулярах обозначено: ЪС, ЪЪ, ЪТ — количество целей; Ы_С, Ы_Ъ, Ы_Т — номера целей; КЯ, КЪ, КТ — курсовые углы; МЯ, МЪ, МТ — углы места; ТЕЯ, ТЕЪ, ТЕТ — точность измерения углов соответственно радиолокационных, лазерных и радиотехнических целей; ПЯ — дистанция до радиолокационной цели.
Другая информация, имеющаяся в этих формулярах, но не использующаяся в алгоритме отождествления, не приведена.
Поскольку расстояния между обнаружителями корабля весьма малы по сравнению с расстояниями до целей, отождествление производится в сферической системе координат [2]. Будем считать, что обзорная РЛС, в отличие от аппаратуры обнаружения лазерных излучений и станции радиотехнической разведки, обнаруживает все существующие цели с большей точностью. Задача программы отождествления состоит в том, чтобы определить, какую цель видят все три обнаружителя, два или один. Это необходимо знать в дальнейшем для назначения средств противодействия. Отождествление можно проводить только по курсовым углам целей ввиду их рассредоточения, превышающего угол места, и большей точности обнаружителей по горизонту.
Алгоритм отождествления приведен на рис. 3. Формуляры обнаружителей показаны в блоке исходных данных. Сначала за счет перебора целей (путем организации цикла в цикле) производится попарное сравнение курсовых углов радиолокационных и лазерных целей. При их совпадении вырабатывается признак отождествления РС = <ЯЪ+СЪ> (цели радиолокационная и лазерная одновременно), а при несовпадении — РО = ЯЪ (цель только радиолокационная). Как только угол КЯ какой-либо радиолокационной цели совпадет с углом КЪ лазерной цели, перебор последних прекращается за счет присвоения лазерной цели Ы_Ъ значения ЪЪ, заполняется промежуточный формуляр отождествления F.СP и производится переход к сравнению следующей радиолокационной цели со всеми лазерными. По окончании операций сравнения в формуляре F.СP указывается общее число радиолокационных целей. Затем аналогичные действия производятся уже при сравнении курсовых углов радиотехнических целей и целей, характеристики которых были записаны в формуляре F.СP. В результате сравнения
всех целей признаки отождествления записываются в окончательный формуляр отождествления (р.О), в котором указывается общее число целей ЬС, и на этом алгоритм заканчивается.
F.RL[LC, N_C, KR, MR, TER, DR] F.OL[LL, N_L, KL, ML, TEL] F.RT[LT, N_T, KT, MT, TET]
N C := 0
NC := NC +1 N C < LC
N L := 0
NL := NL +1 N L < LL
\ (KR > (KL- TEL)) л (KR < (KL+ TEL)) /
PO := <RL+OL>; N L := LL PO := RL
F.OP[N C, K, M, D, PO ]:= N C, KR, MR, DR, PO
F.OP[LC]:= F.RL[LC]
N C := 0
N_C := N_C +1 ^ N_C < LC
N_T := 0
NT := NT +1 ^ N T < LT
\ (K > (KT- TET)) л (K < (KT+ TET)) /
PO :=<PO+RT >; N_T := LT PO := PO
F.O[N C, K, M, D, PO ]:= N C, K, M, D, PO
F.O[LC]:= F.RL[LC]
F.O[LC, N_C, K, M, D, PR, OO]
Рис. 3
Заключение. Объектно-признаковый язык позволяет в формализованном виде описать структуру сложной технической системы, ее пространственное размещение, характеристики составляющих систему компонентов, внутренние и внешние информационные связи, а также модели функционирования и алгоритмы обработки информации и управления, что способствует лучшему взаимопониманию между специалистами.
список литературы
1. Жарковский А. В., Лямкин А. А., Микуленко Н. П. Структурограммы на основе объектно-признакового языка // Программная инженерия. 2012. № 4. С. 23—27.
2. Лямкин А. А. Алгоритмы отождествления подвижных объектов // Изв. вузов. Приборостроение. 2004. Т. 48, № 12.
Александр Анатольевич Лямкин
Николай Павлович Микуленко
Татьяна Федоровна Тревгода
Рекомендована кафедрой систем автоматического управления
Сведения об авторах
канд. техн. наук, доцент; Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет „ЛЭТИ", кафедра систем автоматического управления; E-mail: alex-ljamkin@yandex.ru
канд. техн. наук; Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет „ЛЭТИ", кафедра систем автоматического управления; E-mail: nmikulenko@yandex.ru
канд. техн. наук; Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет „ЛЭТИ", кафедра систем автоматического управления; E-mail: tat.trevgoda@yandex.ru
Поступила в редакцию 20.11.12 г.
Знак „:=" на рис. 3 соответствует операции присвоения.