Введение к работе
Актуальность. Для последних лет характерно бурное развитие приложений компьютерной графики, реализованных как на графических станциях, на персональных компьютерах, так и на мобильных устройствах: сотовых телефонах, смартфонах, коммуникаторах и GPS-навигаторах. Становится общепринятым использование в сложных системах контроля и управления многооконных графических интерфейсов, электронных карт (ГИС), трехмерной анимации, обработки нескольких потоков видеоинформации и т.д. Это приводит к тому, что производители авиационной техники стараются перенести такие функциональные возможности на сферу специальных встраиваемых систем бортового авиационного применения. С другой стороны, наблюдается практически ежегодная сменяемость поколений аппаратного обеспечения, которые отличаются от своих предшественников не только новыми функциями, но и временными, надежностными и массо-габаритными характеристиками, что дает возможность существенно расширять функциональные возможности бортовых систем авиационной техники.
Эти две тенденции породили большое разнообразие технических заданий (ТЗ) на разработку бортовых комплексов визуализации полетной и системной информации, называемых комплексные системы электронной индикации и сигнализации (КСЭИС), и широкий спектр аппаратных платформ реализации КСЭИС. Современные технические задания на комплексные системы электронной индикации и сигнализации содержат требования, все более подчеркивающие сложность объекта проектирования. В ТЗ определяются задачи решаемые комплексом в жестком реальном времени; расширяется функциональное назначение элементов комплекса; вводятся сложные объекты синтезированной визуализации, относящиеся к 2D- и 3D- представлениям и их смешению с потоками видео-, метео- данных и данными системы предупреждения сближения с землей; повышаются требования качества представления информации при визуализации; вводятся ограничения по массо-габаритным характеристикам.
Кроме того, сохраняется тенденция ко все большей минимизации
времени, отводимого на разработку, отладку и сопровождение проектируемых
систем, что определяется высокой конкуренцией на рынке производителей
встраиваемых систем. Это заставляет проектировщиков КСЭИС строить
системы на базе типовых компьютерных плат бортового применения,
обеспечивая проблемную ориентацию проектируемых систем
соответствующим программным обеспечением.
Интенсивные исследования в области приложений компьютерной графики проводились с конца 70-х годов прошлого века. Основные результаты отражены в работах Созерленда И.Е., Освальда Э., Брезенхема Дж.Е. и др. В них обсуждались вопросы человеко-машинного интерфейса, построения примитивов, обрезки линий и примитивов, сглаживания и заливки, структуры и ядра графических систем. Остались нерешенными вопросы компенсации
искажений геометрии фигуры в результате построений в дискретной плоскости, производительности алгоритма сглаживания синтезированного изображения, взаимодействия аппаратных и программных исполнительных механизмов, проектирования объектно-ориентированных структур описательных данных для исполнительных механизмов. Кроме того, в них не затрагивались вопросы автоматизации проектирования программного обеспечения для реализации разработанных моделей и методов.
Исследованием аспектов проектирования специального программного обеспечения бортовых систем занимались Джанджгава Г.И., Бражник В.М., Рогалев А.П., Никулин А.С. и др. Данным работам характерна сильная привязка к проблемной области авиационного приборостроения. В то же время, процессы разработки безопасного программного обеспечения для критических условий применения рассматривали Девис Н., Хамфри У., Редвайн С, Фаулер М. и ЛипаевВ.В.
Задачам автоматизации проектирования программного обеспечения и программных систем посвящены работы Буча Г. и Рамбо Дж., связанные с разработкой унифицированного языка моделирования (UML —Unified Modeling Language) - основой продуктов компании Rational Software, и работы Международного союза электросвязи (ITU-T), связанные с языком графических описаний и спецификаций SDL (Specification and Description Language), который входит в Рекомендации ITU-T серии Z.100 и является основой программных продуктов фирмы Telelogic.
В развитии объектно-ориентированного программирования можно выделить исследования Буча Г., Элиенса А., Кнута Д., Ахо А., Шалыто А.А. и др. Однако, в них не учитывается специфика современных КСЭИС, которая оказывает существенное влияние на эффективность методов и средств автоматизации проектирования.
Таким образом, все вышеизложенное определяет актуальность разработки подходов к автоматизации проектирования специального программного обеспечения комплексных систем электронной индикации и сигнализации, обеспечивающих проектирование КСЭИС в минимальные сроки с требуемыми характеристиками качества.
Целью диссертационной работы является разработка методики автоматизированного проектирования программного обеспечения КСЭИС, опирающейся на комплекс новых моделей, методов и инструментальных средств и обеспечивающей разработку ПО с требуемыми характеристиками качества в сжатые сроки.
Следуя цели, в диссертационной работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. Анализ современных моделей и методов визуализации графической информации, требований, предъявляемых к специализированным встраиваемым системам авиационного применения, и подходов к автоматизированному созданию программного обеспечения.
Разработка функционально-структурной модели процесса автоматизированного проектирования программного обеспечения специализированных бортовых систем авиационного применения.
Разработка методики автоматизации проектирования СПО КСЭИС.
Разработка инструментальных средств автоматизации проектирования СПО КСЭИС.
Разработка методов визуализации, обеспечивающих требуемые характеристики качества визуализации и функционирования КСЭИС.
Объектом исследования в работе является автоматизация проектирования КСЭИС, предметом исследования служат применяемые для этого модели и методы.
Методы исследования базируются на теории алгоритмов, алгебраических методах компьютерной графики и строятся на сочетании формальных и содержательных методов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Разработана новая функционально-структурная модель процесса автоматизированного проектирования программного обеспечения специализированных бортовых систем авиационного применения и методика автоматизации проектирования СПО КСЭИС.
Предложена новая методика реализации объектно-ориентированного подхода к программированию функциональных задач ввода-вывода и визуализации.
Предложен новый метод сглаживания синтезируемых образов для растровых устройств визуализации.
Практическая ценность работы состоит в:
Разработанном комплексе инструментальных средств автоматизации проектирования СПО КСЭИС, применяемом при выполнении реальных проектов на независимых РМ, назначение которых соответствует функциям, определенным в функционально-структурной модели;
Разработанном и реализованном методе сглаживания синтезируемой линии в процессе ее построения, который внедрен в графическую библиотеку САПР КСЭИС, применяемую во всех проектах выполняемых ОАО УКБП, обеспечивая совместно с расчетными методами и палитрой качественное отображение входных параметров.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена непротиворечивостью применяемых моделей и методов, результатами экспериментальных исследований и результатами успешной эксплуатации разработанных систем КСЭИС.
Апробация работы проведена на конференциях : 1. Системы искусственного интеллекта и нейроинформатика. Международная конференция «Континуальные логико-алгебраические исчисления и нейроматематика в науке, технике и экономике -КЛИН-2003, 2004, 2005, 2007 гг.».
Вторая международная конференция "Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности" 07-09.02.2006, Санкт-Петербург, Россия.
Information Technologies: Proceeding of Russian-German scientific conference devoted to 10-years cooperation of Ulyanovsk State Techical University and Darmstadt University of Applied Science. - Ulyanovsk, U1STU, 2007.
Публикации результатов работы. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе: одна в журнале списка ВАК, получены два свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ №2006612257 и №2006612397.
