Введение к работе
Актуальность проблемы.
Значительные успехи в разработке и внедрении микропроцессорной техники создали необходимые условия для проектирования систем управления движением поездов с высокими показателями безопасности, надежности, экономичности и технологической эффективности.
Системы управления движением поездов представляют собой комплекс технических и технологических систем, важнейшее место в котором занимают системы обеспечения безопасности перевозочного процесса (СОБ). К ним относятся системы электрической и диспетчерской централизации, автоматической блокировки и локомотивной сигнализации. Важным компонентом систем железнодорожной автоматики и телемеханики, построенных на основе микропроцессорной техники, является их алгоритмическое и программное обеспечение (АиПО). При разработке АиПО, как и любого другого элемента сложной системы, необходимо оценивать его качество.
До настоящего времени вопрос надежности программного обеспечения (ПО) систем управления решался преимущественно активными методами поиска и устранения ошибок. Однако данные методы только дополняют пассивные методы безошибочного проектирования АиПО, являющихся основой надежности и безопасности программ.
Решение проблемы безошибочного проектирования АиПО СОБ неразрывно связана со стоимостью. Во-первых, суммарная стоимость устранения ошибок в ПО на различных стадиях его тестирования
примерно в 6 раз больше стоимости их устранения или недопущения на стадии проектирования. Во-вторых, не менее важной проблемой является построение СОБ единого функционального назначения на основе унифицированных решений АиГО, что приведет к снижению его стоимости за счет серийного проектирования алгоритмических и программных средств.
Показателем качества высшего ранга, оценивающим технологическую систему в целом, является ее технологическая эффективность, т. е. степень достижения целей системы. Особенности работы и дополнительные возможности микропроцессорных СОБ требуют разработки принципиально новых методик оценки их технологической эффективности.
Таким образом, проблема разработки новых методов проектирования и оценки качества алгоритмических и программных средств СОБ является актуальной.
Исходной основой диссертации являются:
теоретические и прикладные исследования проектирования безопасных систем управления движением поездов Брылеева A.M., Вахнина М.И., Варшавского В.И., Каляева А.В., Лисенкова В.М., Рогинского Н.О., Сапожникова В.В., Сапожникова Вл.В., Шалягина Д.В. и других;
фундаментальные работы по теории надежности программ и теории массового обслуживания Майерса Г., ЛипаеваВ.В., Гласса Г., Эрланга А.К., Клейнрока Л. и других;
исследования по проектированию автоматизированных производственных систем Дружинина Г.В., Губинского A.M., Сергеевой И.В., Иыуду К.А. и других.
Целью диссертации является разработка теории и методов проектирования, практической реализации и оценки качества алгоритмических и программных средств микропроцессорных СОБ движения поездов.
Методы исследования.
В диссертации теоретические исследования проводились на основе теории вероятностей, теории множеств, теории массового обслуживания, теории надежности, теории нечетких множеств, теории проектирования автоматизированных систем управления и методов математического моделирования.
Достоверность научных положений и выводов подтверждена математическими доказательствами, результатами расчетов и опытной эксплуатацией системы диспетчерского управления "Диалог" и системы управления малыми станциями "Диалог МС".
Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:
разработана априорная модель надежности АиПО систем управления движения поездов, позволяющая осуществлять алиорную сравнительную оценку надежности алгоритмов и программ с произвольной структурой. На основе априорной модели надежности выделены основные типы ошибок ГО;
установлена и проанализирована взаимосвязь эксплуатационных показателей надежности алгоритмических и программных средств и показателей их безопасности с учетом ошибок контроля второго рода; сформулированы основные определения и предложена методика формального описания и анализа средств обеспечения безопасности алгоритмов и программ СОБ на основе обобщенного структурного метода и теории нечетких множеств;
- в качестве модели АиГО систем железнодорожной автоматики и телемеханики предложена кумулятивная модель алгоритмического обеспечения (АО), основанная на фреймовом описании СОБ. Доказано, что по сравнению с существующими моделями данного класса, эта модель обладает наилучшими показателями априорной надежности и экономичности; обоснована возможность ее серийного использования с применением автоматизированной системы проектирования АиПО;
- для реализации кумулятивной модели АО предложена гомоморфная модель функционирования СОБ и разработан алгоритм ее построения при помощи специальной формальной грамматики;.
- для оценки технологической эффективности систем
микропроцессорной централизации (МПЦ) предложен и разработан
метод оценки оперативности обработки данных в системе в
зависимости от заданной пропускной способности станции;
разработан алгоритм автоматизированного проектирования ПО систем
МПЦ.
Практическая ценность полученных в диссертации результатов состоит в следующем:
разработаны методы сравнительной оценки априорной надежности и безопасности алгоритмов и программ для микропроцессорных систем железнодорожной автоматики и телемеханики;
предложена кумулятивная модель АО СОБ; разработаны методы оценки технологической эффективности систем МПЦ, позволяющие снизить стоимость проектирования и повысить надежность алгоритмических и программных средств СОБ.
разработанные методы синтеза и оценки качества
АиПО систем управления движением поездов послужили основой для проектирования систем диспетчерского управления и МПЦ.
Реализация результатов. Теоретические исследования и
практические разработки выполнены в рамках
научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проводимых по приказу Министра путей сообщения: "Разработка комплекса программно-аппаратных средств управления устройствами электрической централизации" (1995 -1997 гг.). Тема включена в "Программу разработки и внедрения средств СЦБ, связи и вычислительной техники на железных дорогах России на период до 2000 г.", выполняемую в соответствии с Указом Министра путей сообщения N152-y от 1 июля 1993 года.
Результаты исследований, полученные в диссертации, послужили основой для разработки, внедрения и эксплуатации микроэлектронной системы диспетчерской централизации "Диалог" и системы управления малыми станциями "Диалог МС", а также для разработки алгоритмического и программного обеспечения системы управления станциями "РИФ -ЭЦ", техническое задание на которую утверждено Департаментом сигнализации, связи и вычислительной техники МПС РФ, а разработку проекта внедрения ведет институт Гипротранссигналсвязь для станции Суйда Октябрьской железной дороги.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на:
заседаниях кафедр "Автоматика и телемеханика на
железнодорожном транспорте" Московского государственного
университета путей сообщения (МИИТ) и Российского
государственного открытого технического университета путей сообщения (1993-1997);
второй Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта" (Москва. 1996)
четвертой Всероссийской научно-технической конференции "Качество информации" (Москва, 1994)
научно-методической конференции "Современные научные аспекты функционирования транспортного комплекса и развитие его кадрового потенциала" (Москва, 1996);
ежегодных межвузовских научно-методических конференциях "Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта" (Москва, 1996, 1997).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 13-й публикациях, из которых пять написаны лично автором.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, 3 приложении. Общий объем работы - 183 страницы, в том числе 135 страниц основного текста, 27 иллюстраций, 1 таблица, список литературы из 110 наименований.
