Введение к работе
Актуальность работы. Современная тенденция к расши-ению сферы работ по автоматизации технологических провесов (ТП) относится не только к отраслям промышленности дискретным характером производства но и, в большой мере, к правлению на транспорте, включая железнодорожный. Успе-и разработок и промышленного выпуска средств микропро-ессорной вычислительной техники создают прочную основу ля проектирования и внедрения автоматизированных систем правления (АСУ) ТП с высокими показателями экономично-ги и надежности. Несомненно, что этому же способствует онцепция развития средств железнодорожной автоматики и глемеханики (СЖАТ), одобренная президиумом НТС МПС Ф в октябре 1998 г. (протокол № 28 от 7 ноября 1998 г.).
Весьма важно, что работа по развитию и усилению техни-еского и технологического оснащения железнодорожного эанспорта не прекращалась в период спада перевозок и ведет-ї в настоящее время, особенно на объектах государственной рограммы по безопасности движения. Проведенная на Крас-оярской железной дороге предпроектная работа показала эф-ективность внедрения АСУ ТП (с учетом информационно-;хнологического комплекса задач управления перевозочным роцессом) на основе микропроцессорной диспетчерской цен-эализации и координатной системы интервального регулиро-шия на базе цифрового радиоканала.
Для рассматриваемого класса автоматизированных систем травления при определении состава технических средств и ;хнологий акцент делается прежде всего на Российские разра-угки и предприятия, что позволит создать отечественную сис-:му, аналогичную Европейской ERTMS.
Специфичность области применения - управление техни-
4 ческим объектом, функционирующим в реальном времени и реализующим технологический процесс перевозки людей, грузов и т.д. - порождает целый ряд проблем в программировании АСУ ТП. Однако на современном этапе развития различные подходы к программированию систем управления имеют тенденцию к сближению, а подходящей базой для этого может стать унификация архитектуры АСУ ТП. Более того, известно, что в технологии многоуровневого программирования используется концепция архитектуры связи открытых систем, предложенная международной организацией стандартов в качестве эталонной модели построения систем обработки данных. Применение ее в приложении к АСУ ТП впервые было рассмотрено в работах Шенброта И.М., Антропова М.В. и Давиденкс К.Я.
Такие показатели качества управляющих программ, каї корректность и помехоустойчивость определяют належності программной архитектуры АСУ ТП. В работе под корректно стью понимается способность программы давать с большой ве роятностью правильные результаты при всех комбинациях ис ходных данных, допустимых в рамках постановки задачи. По мехоустойчивость - способность программы с большой веро ятностью обнаруживать ошибки, возникающие в процессе вы полнения и блокировать или уменьшать их вредное влияние.
Для формирования гарантоспособной программной архи тектуры АСУ ТП большое значение имеют также время откли ка (время реакции программ на внешние события), время рее тарта (продолжительность повторного запуска программ), за траты времени на защиту данных.
В связи с изложенным появилась настоятельная потреб ность в разработке эффективной системы формирования гаран тоспособных программных архитектур АСУ ТП, позволяющее с учетом надежностных характеристик осуществлять синте; анализ, коррекцию программных архитектур, учитывать эти
акторы в составе интерактивных средств экспресс-анализа, эиентированных на специалистов предметной области.
В диссертации обобщены результаты по комплексу простых работ для обеспечения устойчивой эффективной дея-шьности Красноярской железной дороги, выполняемых в терние ряда лет в научных коллективах Сибирской аэрокосми-гской академии, Красноярского государственного техниче-сого университета и НИИ систем управления, волновых провесов и технологий. Исследования, результаты которых со-гавили основу настоящей работы, проводятся в соответствии хоздоговорными НИР по программе информатизации КрЖД в рамках создания информационно-поисковых систем для роведения исследований по профилю деятельности КрЖД.
Работы в этой области проектирования надежных архи-жтур ПО АСУ технологическими процессами требуют боль-[их затрат, однако современные масштабы разработок и вне-рения систем реального времени на основе информационно-їхнологических комплексов как на железнодорожном трансорте, так и в других отраслях промышленности, не оставляют эмнений в экономической целесообразности, своевременно-ги и актуальности поставленных задач исследования.
Целью настоящей работы является разработка автома-язированной системы формирования гарантоспособной про-эаммной архитектуры АСУ технологическими процессами.
Для достижения этой цели ставились следующие задачи:
провести анализ задач, имеющих первостепенной значене и существенно влияющих на эффективность внедрения нформационно-технологического комплекса АСУ ТП;
разработать модели и алгоритмы формирования гаранто-пособной программной архитектуры АСУ ТП;
разработать алгоритмическое и программное обеспече-ие процедур анализа риска и учета неопределенности при вы-
боре объема вводимой архитектурной избыточности;
реализовать разработанные алгоритмы и программное обеспечение в виде автоматизированной системы формирования гарантоспособной программной архитектуры АСУ ТП;
решить с помощью автоматизированной системы практические задачи формирования эффективной по надежности программной архитектуры системы управления технологическим процессом перевозки людей, грузов и т.д. на Красноярской железной дороге.
Методы исследования. Системный анализ и методы математической оптимизации. Методы теории вероятностей, анализ риска и теория статистических решений. Теория множеств, комбинаторика и теория графов. Многоатрибутивные методы принятия решений и прикладные аспекты теории надежности.
Научная новизна работы.
-
Предложен комплекс математических моделей формирования гарантоспособного ПО АСУ ТП, отражающий надежностный фактор одно- и многофункционального состава зада1 системы управления и многоуровневую архитектуру программного обеспечения.
-
Аналитически определены показатели, характеризующие поведение архитектуры программного обеспечения и позволяющие выявить архитектурно-связанные компоненты.
-
Разработан метод определения объема вводимой архитектурной избыточности при исполнении гарантоспособные программных компонент АСУ ТП, применяемый для выработки решеНИЯ В УСЛОВИЯХ Неопределенности И ЯВЛЯЮЩИЙС5
обобщением и развитием задач анализа риска и теории стати стических решений целеориентированного программирования.
4. Разработана методика автоматизированного экспресс
анализа архитектурной надежности информационных техно
логий в АСУ ТП, которая применена в рамках современной
7 хнологии программирования АСУ ТП.
Практическая ценность. Разработанная в диссертации істема формирования гарантоспособной программной архи-ктуры АСУ ТП применена при программирования АСУ пе-:возочным процессом на Красноярской железной дороге и юектировании высоконадежного ПО информационно-биологического комплекса задач при внедрении информаци-1ных технологий для управления КрЖД. Созданные на ее ба-: системы автоматизации сокращают сроки и снижают стои-ость разработки, увеличивают надежность и улучшают со-эовождаемость ПО. Надежностное проектирование про-)аммной архитектуры АСУ ТП позволяет решать новые задачі по качественной оценке и быстрому восстановлению систе-ы ПО при введении оптимальной избыточности программных эмпонент.
Использование автоматизированного экспресс-анализа прощает организационно-технологическую схему разработки рограммной архитектуры АСУ ТП, исключая промежуточ-ые неформализованные этапы и процедуры и обеспечивая ривлечение к разработке как специалистов по подсистемам правления ТП, так и специалистов по АСУ ТП в целом.
Реализация результатов работы. Под руководством и ри непосредственном участии автора диссертации выполнен яд экспериментальных работ, в ходе которых разработан и ередан в составе автоматизированных средств технической иагностики программный комплекс диалогового формирова-ия гарантоспособного ПО подсистем АСУ ТП на КрЖД. В со-таве автоматизированной системы технической диагностики АСТД) разработаны и внедрены современные технологии ди-гностирования, гарантоспособность которых позволяет выяв-ять неблагополучные машины с трудноопределимыми отка-ами и повышать надежность работы системы управления.
8 Материалы диссертационной работы введены в учебные курсы и используются при чтении лекций для студентов Красноярского государственного технического университета и Сибирской аэрокосмической академии. Эти материалы нашли отражение в учебном пособии «Технология надежностного программирования задач автоматизации управления в технических системах», г. Красноярск, НИИ СУВПТ, 2000 г., написанном в соавторстве с А.А.Ступиной и И.Н.Давыдовым.
Основные тезисы, выносимые на защиту.
-
Для задач формирования высоконадежной, отказоустойчивой архитектуры ПО АСУ ТП разработан комплекс математических моделей, учитывающий сложные взаимосвязи компонентов многоуровневой архитектуры и отражающий надежностный фактор ПО при одно- и многофункциональном исполнении системы управления.
-
Разработанная процедура определения дохода от информации при выборе объема вводимой архитектурной избыточности обеспечивает эффективное специально организованное сопровождение ПО АСУ ТП с учетом базовых требование методологии гарантоспособных вычислений к разнообразив: проектирования программных компонент.
-
Разработанный программный комплекс для интерактивного экспресс-анализа архитектурной надежности инфор мационных технологий в АСУ ТП отвечает современным тре бованиям, предъявляемым к программному обеспечению, і предназначен для решения оптимизационных задач выбора ар хитектуры ПО.
-
Разработанная система формирования гарантоспособ ной программной архитектуры АСУ ТП применима для широ кого класса сложных информационно-управляющих систем, і которым предъявляются повышенные требования по надежно сти функционирования.
9 Апробация работы. Основные положения и результаты іботьі прошли всестороннюю апробацию на всероссийских и гждународных конференциях, научных семинарах и научно-эактических конференциях. В том числе, на научно-эактической конференции с международным участием «Ин-ормационные технологии в инновационных проектах» їжевск, 2000), международной AMSE конференции ССМ'99 Santiago de Compostela, Испания, 1999), 10-й международной ібочей конференции Немецкого общества по исследованию пераций GOR-Workshop "Entscheiden 2000" (Darmstadt, Терапия, 2000), на научных семинарах кафедры Системного ана-иза и исследования операций Сибирской аэрокосмической кадемии (1998-2000), института систем управления, волновых роцессов и технологий (1998-2000).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 пе-атных работ, список приводится в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из ведения, четырех глав, заключения, списка литературы из 114 аименований и приложений.