Е-сетевые средства моделирования и имитации процессов функционирования сложных динамически реконфигурируемых систем в задачах построения компьютерных тренажеров

Актуальность проблемы.

В настоящее время спутниковые системы ретрансляции и связи становятся все более распространенными вследствие того, что предоставляют потенциальным потребителям возможность оперативного получения необходимой им информации. Спутниковые системы ретрансляции и связи являются автоматическими, либо полуавтоматическими системами, что подразумевает удаленное управление космическим аппаратом (КА). Управление КА ведется из центра управления полетами (ЦУП.), который является составной частью наземного комплекса управления (НКУ) КА. В состав НКУ входят также системы организации каналов связи с КА, терминальные пульты управления, системы жизнеобеспечения и поддержания работоспособности штатного состава НКУ КА.

Основной штатной единицей НКУ КА является оператор, в обязанности которого входят: анализ телеметрической информации (ТМИ), поступающей с борта КА и характеризующей работоспособность его подсистемвыработка адекватных действий на штатные и внештатные ситуации, возникающие в процессе эксплуатации КАручное управление функционированием подсистем КА в рамках заданного списка радиокоманд (РК). Как правило, от точности действий оператора зависит стабильность функционирования КА в целом. Поэтому существенную роль в обеспечении работоспособности и повышения ресурсоемкости КА играет уровень подготовленности операторов ЦУП КА. Для теоретической и практической подготовки операторов ЦУП КА разрабатываются тренажерные системы, обеспечивающие на профессиональном уровне процесс обучения и контроля полученных знаний.

Все существующие тренажерные системы можно разделить на натурные, полунатурные и программные эмуляторы реального объекта, подлежащего изучению. В настоящее время разработка и построение натурных и полунатурных тренажерных комплексов обучения операторов ЦУП КА экономически неоправданны, так как их конструкция подразумевает наличие программно-аппаратных модулей реально функционирующих КА. Современные методы построения тренажерных систем, основанные на использовании высокоскоростных вычислительных комплексов, позволяют осуществить эмуляцию процесса функционирования подсистем КА в реальном времени на уровне генерации псевдореальной ТМИ. Так как оператор оценивает функционирование подсистем КА на основе ТМИ, поступающей с борта КА, и воздействует на его подсистемы с помощью заранее определенной совокупности РК можно получить алгоритм взаимодействия оператора и реально функционирующей системы, который в дальнейшем может быть реализован программно. В настоящее время программные тренажерные системы получили наибольшее распространение по сравнению с натурными и полунатурными при решении задач исследования влияния внешних факторов на функционирование сложной системы, а также для обучения операторов управления сложными техническими объектами.

Основой любой программной тренажерной системы является программный имитатор динамического функционирования реального объекта, адаптацию к управлению которым требуется осуществить в течении обучения оператора на тренажере. В процессе разработки программных имитаторов функционирования подсистем КА возникает множество задач, зачастую неразрешимых с помощью стандартных языков и методов программирования. В частности, можно выделить ряд аспектов, таких как функционирование тренажерной системы в реальном, замедленном и ускоренном масштабах временимногоплатформенность и многофункциональность применения конечной разработкизатраты на проектирование, внедрение, эксплуатацию и модернизацию тренажерной системыэкономический эффект. До настоящего времени построение программных имитаторов было основано на использовании математических функциональных зависимостей между основными параметрами реальной системы и создании на их основе конечного программного продукта, использующего фиксированный набор алгоритмов, реализующих параметрические преобразования. Рассмотренные концепции построения программных имитаторов привели к появлению программных продуктов, предназначенных для использования в конкретных задачах выбранной целевой области использования. Как правило, конечный программный продукт, предоставляемый пользователю, не подлежит модификации и для его использования требуется конкретный тип ЭВМ. Модернизация таких тренажерных систем требует вмешательства программиста-проектанта, что, в свою очередь, оценивается большими временными и материальными затратами, а зачастую и вовсе невозможно.

Актуальность диссертационной работы определяется существующей потребностью построения программных имитаторов на базе набора стандартных модулей, обеспечивающих построение максимально возможного набора тренажерных систем в минимальный временной интервал и с минимальными материальными затратами без участия программиста-проектанта. Существующие методы построения имитационных систем не позволяют разработать библиотеку простых программных модулей, и на основе этой библиотеки, создавать программный имитатор путем синтеза отдельных модельных компонент. Кроме того, отсутствие стандартных методов взаимодействия программного имитатора с пользователем тренажерной системы требует разработки методов динамического воздействия пользователя на имитационный процесс в реальном времени.

В силу выше изложенного следует отметить, что в настоящее время существует потребность в новых методах построения систем имитации динамики функционирования подсистем КА, обеспечивающих простоту конечной разработки, наличие возможности модификации конечным пользователем структуры имитатора в зависимости от поставленных задач, а также временное масштабирование имитационного процесса. Кроме того, существует потребность в разработке новых методов взаимодействия пользователя и тренажерной системы в процессе проведения тренинга, а также в последующие моменты для оценки результатов тренировочного процесса.

Цель работы. Создание новых методов и развитие известных теоретических основ имитации динамики функционирования сложных управляемых динамически реконфигурируемых систем и разработка на этой основе новых методов и методологии построения тренажерных комплексов обучения операторов ЦУП КА, обеспечивающих процесс тренинга в режиме временного масштабирования и динамического взаимодействия пользователя с имитационной системой в процессе тренинга.

Основные задачи диссертационной работы, определяемые сформулированной выше целью, состоят в следующем:

1. Разработка методологии модельного представления процесса имитации динамики функционирования подсистем КА с помощью аппарата Е-сетей;

2. Разработка метода имитационного моделирования непрерывных процессов' взаимодействия внутренних компонент систем с распределенными параметрами с помощью аппарата Е-сетей;

3. Разработка механизма привязки модельного времени к реальному, а также введение коэффициента временного масштабирования в процессе динамического функционирования программного имитатора.

Введение

коэффициента временного масштабирования позволяет осуществлять имитацию в ускоренном и замедленном масштабах времени;

4. Разработка метода синтеза отдельных модельных компонентов сложной системы в единую Е-сетевую имитационную модель;

5. Разработка механизма трансформации значений внутренних параметров динамической имитационной модели в псевдореальную ТМИ;

6. Разработка методики оценки функциональных возможностей программных тренажерных комплексов и апробация программной тренажерной системы обучения операторов ЦУП КА, созданной на основе разработанных методов.

Научная новизна. Основным результатом диссертации является создание методов и разработка на их основе методологии построения имитаторов сложных управляемых динамически реконфигурируемых систем, которые в совокупности с методом привязки модельного времени к реальному и механизмом трансформации результатов работы динамической модели в псевдореальную ТМИ позволяют построить программный тренажерный комплекс обучения операторов ЦУП КА.

Новые научные результаты и основные положения, представленные к защите, сводятся к следующему.

1. Разработана новая методология модельного представления процесса имитации динамики функционирования подсистем КА. Данная методология отличается способом представления предметной области моделирования, основанного на введении метасвойств объектного представления Е-сетевой модели и описания иерархической структуры подсистем предметной области в виде базового набора объектов.

2. Предложен новый метод моделирования непрерывных процессов систем с распределенными параметрами, заключающийся: а. в расширении свойств позиции-очереди базового набора Е-сетевого аппарата;

•• Ь. в разработке алгоритма и. введении новых функций преобразования атрибутов позиции-очередис. в организации предложенного режима функционирования Е-сетевой модели на основе позиции-очереди, использующего ее новые свойства, которые позволяют осуществить имитацию динамики функционирования систем с распределенными параметрами.

3. Предложены новые принципы взаимодействия динамически функционирующей имитационной модели с внешней средой. Предложенные принципы позволяют обеспечить динамическое взаимодействие пользователя с имитационным процессом, а также практически реализовать имитацию влияния внешних факторов на параметрическую реконфигурацию имитационной модели в процессе ее функционирования.

4. Предложен метод привязки модельного времени к реальному с заложенным принципом масштабирования. На основе данного метода разработан алгоритм преобразования физических величин, функционально зависимых от реального времени. Разработанный алгоритм позволяет осуществить имитацию функционирования сложной системы в замедленном масштабе времени, а также в режиме ускорения, что является необходимым в задачах тренинга операторов ЦУП КА.

5. Расширен базовый набор типов элементарных Е-сетей за счет введения синхронного перехода.

Введение

синхронного перехода позволяет решить проблему возникновения тупиковых ситуаций при изменении маршрута движения фишки в процессе функционально-параметрической реконфигурации, осуществляемой в реальном времени.

6. Предложен метод формирования вектора мгновенного состояния динамически функционирующей имитационной модели, на основе которого разработан механизм трансформации результатов работы динамической имитационной модели в псевдореальную ТМИ.

Практическая значимость работы. Представленные в диссертационной работе результаты представляют собой новый информационно-методологической подход к имитации динамики функционирования сложных управляемых динамически реконфигурируемых систем, позволяющий реализовать концепции объектно-ориентированного моделирования в задачах построении программных тренажерных комплексов: обучения операторов ЦУП КА, что, в свою очередь, позволяет разрабатывать принципиально новые модели тренажеров на основе базового набора имитационных моделей без участия специалиста-проектанта.

Создана базовая библиотека Е-сетевых моделей, обеспечивающая возможность построения имитатора КА из ее компонентов и позволяющая осуществить построение принципиально новой тренажерной системы на основе синтеза модулей из своего состава.

Апробирован программный тренажерный комплекс обучения операторов ЦУП КА, построенный на основе базовой библиотеки Е-сетевых моделей. Результаты работы использованы в НПО ПМ г. Железногорска в рамках проекта построения тренажерного комплекса обучения обслуживающего персонала КА класса «БЕБАТ».

Реализация результатов работы. Реализация результатов работы осуществлена в разработке и создании: средств моделирования и имитации функционирования подсистем КА в реальном масштабе времениаппаратуры преобразования модельных отчетов в телеметрическую информациюопытных образцов тренажерного комплекса. Работа выполнялась в рамках хоздоговорных работ по следующим тематикам: «Разработка программно — управляемого имитатора телеметрической информации», «Разработка и поставка программно-аппаратных средств приема и обработки телеметрической информации», «Разработка и поставка имитационного программно-аппаратного комплекса», заключенных с НПО ПМ, «Теоретические и экспериментальные исследования принципов синтеза и применения динамически настраиваемых сетевых имитационных моделей процессов функционирования структур БКУ в интересах КА связи народно-хозяйственного назначения», заключенным с ЦНИИМАШ.

Апробация диссертационной работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной научно-технической конференции «XXII гагаринские чтения», проходившей в Москве в 1996 годуМеждународной научно-технической конференции «Спутниковые системы связи и навигации» (Красноярск 1997) — русско-корейских интернациональных симпозиумах (Корея 1997, Новосибирске 1998, Корея 2001) — Международной конференции по проблемам управления (Москва 1999) — Международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов» (Новочеркасск 1999) — Международной научнотехнической конференции «Теория и. практика имитационного моделирования и создания тренажеров» (Пенза 1999) — Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск 2002) — на научных семинарах кафедры «Автоматики и компьютерных систем» Томского политехнического университета.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 22 статьи и тезисов докладов.

Основные результаты опубликованы в следующих работах.

1. Цапко С. Г., Барковский А. Н., Цапко Г. П. Моделирование динамических процессов в многоконтурных системах управления. /МНТК «Технологии и системы сбора, обработки и представления информации». — Рязань, 1995. — стр. 46−47.

2. Цапко С. Г., Барковский А. Н., Цапко Г. П. Исследование систем стабилизации с параметрической обратной связью методом Е-сетевого моделирования. /МНТК «Технологии и системы сбора, обработки и представления информации». — Рязань, 1995. — стр. 47.

3. Цапко С. Г., Барковский А. Н. Моделирование подсистем космического аппарата с помощью Е-сетей / МНТК «XXII гагаринские чтения». — Москва, 1996. -стр. 60−61.

4. Цапко С. Г. Обеспечение достижимости при Е-сетевом моделировании сложных систем /"3-я НТК студентов, аспирантов и молодых ученых". — Томск, 1997. — стр. 93−94.

5. Цапко С. Г., Цапко Г. П. Е-сетевой метод имитации логики функционирования сложных управляемых систем. /Международная научно-техническая конференция и выставка «Спутниковые системы связи и навигации». -Красноярск, 1997. — стр. 24.

6. Tsapko G.P., Dmitrieva Е.А., Barcovsky A.N., Tsapko S.G. The Object-Oriented Approach at Devolopment The Simulating Models of Complex System /Korea-Russia International Symposium on Science and Technology Poster Session ME: Mechatronics/Electronic Engineering. — Korea: University of Ulsan Republic of Korea, 1997. — page 58.

7. Barcovsky A.N., Danilenko D.N., Tsapko S. G. E-nets Tool for the Riliability Problems /Korea-Russia International Symposium on Science and Technology Poster.

Session ME: Mechatronics/Electronic Engineering. — Korea: University of Ulsan Republic of Korea, 1997.-page 60.

8. Tsapko S.G. The E-Network Method of Imitation of Complex Dynamically Reconfigured System Functioning /Korea-Russia International Symposium on Science and Technology Poster Session ME: Mechatronics/Electronic Engineering. — Korea: University of Ulsan Republic of Korea, 1997. — page 59.

9. Цапко С. Г. Метод Е-сетевого моделирования логики функционирования подсистем космического аппарата. /Международная конференция «Информационные средства и технологии». — Москва, 1997. — стр.15.

10. Tsapko S.G. E-net method of object-oriented modeling complex dynamically changing system structure /Abstract of the second Russian-Korean international symposium on science and technology Poster Session ME: Mechatronics/Electronic Engineering. -Tomsk, 1998.-page 263.

11. Цапко С. Г. Методология построения имитационных моделей динамики функционирования сложных реконфигурируемых систем с позиций объектно-ориентированного подхода в реальном масштабе времени /Международная конференция по проблемам управления. — Москва, 1999. — стр. 270−271.

12. Барковский А. Н., Цапко С. Г. Об условиях достижимости в Е-сетях. /Межвузовский научно-технический сборник «Кибернетика и ВУЗ». — Томск, 1999. -стр. 75−82.

13. Цапко Г. П., Цапко С. Г. Метод модельного представления адаптивных динамически реконфигурируемых систем в задачах создания тренажеров и имитации функционирования космического аппарата. /Научно-технический сборник «Трансфертные технологии в информатике» под редакцией Погребного В. К. — Томск, 1999. — стр.28−30.

14. Цапко С. Г. Об одном расширении сетей Петри. /Научно-технический сборник «Трансфертные технологии в информатике» под редакцией Погребного В. К. -Томск, 1999.-стр. 102−103.

15. Цапко С. Г. Применение SADT-технологии и сетевых методов статистического моделирования в тренажеростроении. /Н-ая Международная научно-техническая конференция «Новые технологии управления движением технических объектов». — Новочеркасск, 1999. — стр. 23−25.

16. Цапко С. Г. Математическая модель имитации динамики функционирования сложных технических систем в реальном времени. /II-ая Международная научно-техническая конференция «Новые технологии управления движением технических объектов». — Новочеркасск, 1999. — стр. 25−26.

17. Цапко С. Г. Применение сетей Петри для имитации функционирования сложных систем с заложенным принципом резервирования. /Международная научно-техническая конференция «Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров». — Пенза, 1999. — стр. 111−113.

18. Цапко С. Г. Программный имитатор динамики функционирования сложной технической системы в режиме реального времени. /Международная научно-техническая конференция «Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров». — Пенза, 1999. — стр. 113−115.

19. Tsapko S.G. Operational use of the vehicle of E-net simulation for imitation of dynamics of operation of subsystems of a space vehicle in real time. /Korea-Russia International Symposium on Science and Technology Poster Session ME: Mechatronics/Electronic Engineering. — Tomsk, 2001. — page .

20. Цапко С. Г. Е-сети с приоритетами. /IV-ая Всероссийская научно-техническая конференция «Новые информационные технологии. Разработка и аспекты применения». — Таганрог, 2001. — стр. 23−25.

21. Цапко С. Г. Минимизация Е-сетевого графа модельного представления динамических реконфигурационных систем. /НТК студентов, молодых ученых и специалистов «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании». — Рязань, 2002. — стр. 4−5.

22. Цапко С. Г. Объектно-ориентированный подход к модельному представлению блочной структуры космического аппарата. /Международная НПК студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». -Томск, 2002. — стр. 170−172.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и 6 приложений. Она изложена на 163 страницах машинописного текста, включает 65 рисунков, список литературы из 92 наименований и дополнена приложениями на 28 страницах.

Основные результаты, определяющие научную новизну и практическую значимость диссертационной работы, с целью удобства их анализа, были перечислены в конце каждой главы. Поэтому в настоящем заключении приводится лишь обобщенная характеристика результатов проделанной работы с выделением следующих из них:

1. Разработана новая методология модельного представления процесса имитации динамики функционирования подсистем КА, позволяющая создавать базовый набор имитационных моделей выбранной предметной области и на основе полученного набора синтезировать имитационную модель, генерирующую информационный поток, адекватно отражающий процессы функционирования заданной совокупности подсистем КА.

2. Предложен новый метод имитации взаимодействия непрерывных процессов в системах с распределенными параметрами, заключающийся в расширении базового набора функций над атрибутами фишек, принадлежащих позиции-очереди, и разработке на основе полученного набора функций математического аппарата имитации взаимодействия нескольких процессов, принадлежащих одной, либо группе взаимодействующих подсистем.

3. Предложены новые принципы взаимодействия динамически функционирующей имитационной модели с внешней средой, обеспечивающие динамическое воздействие пользователя на имитационный процесс и обеспечивающие адекватную реакцию модели на внешние факторы.

4. Предложен метод привязки модельного времени к реальному с заложенным принципом масштабирования, на основе которого разработан алгоритм преобразования физических величин, функционально зависимых от реального времени, позволяющий осуществить имитацию функционирования сложной системы в замедленном времени, а также в режиме ускорения.

5. Показана необходимость расширения базового набора типов элементарных Е-сетей за счет введения синхронного перехода, позволяющего решить проблему возникновения тупиковых ситуаций при изменении маршрута движения фишки в процессе функционально-параметрической реконфигурации, осуществляемой в реальном времени.

6. Предложен метод формирования вектора мгновенного состояния динамически функционирующей имитационной модели, на основе которого разработан механизм трансформации значений внутренних — параметров динамической имитационной модели в псевдореальную телеметрическую информацию.

7. Разработана библиотека Е-сетевых компонент, на основе синтеза которых построен программный имитатор, обеспечивающий генерацию информационного потока, соответствующего реальной телеметрической информации динамически функционирующего КА. Полученный программный имитатор адекватно принципам функционирования реального КА реагирует на заданный набор имитируемых внешних воздействий и в совокупности с модулем взаимодействия •оператора и инструктора образует тренажерный комплекс обучения операторов ЦУП КА.

Результаты апробации полученного тренажерного комплекса подтверждают основные теоретические положения данной диссертационной работы и доказывают обоснованность выбора аппарата Е-сетевого моделирования в качестве формализма, обеспечивающего возможность решения задач построения тренажерных комплексов.