Введение к работе
Актуальность теки. Соврсмошшо пилотнруешо аииацкошшэ и космические летателыше аппарата' (J!А) содержат больмоо число бортових слетом (Бб), спешшіщх міюі'оуровновую структуру о большим количеством взаимодействующих її взаимосвязмпшх оломонтоп и разнообразном роккмоп функциониропашя.
Сложность комплекса бортових спетом обусловливает трудности, возникающие при практической разработке алгоритмов управления, ислольяуешх для формирования упрапля ю.чих воздействий. ' D ооюду управления комплексом БС М колосообразно положить гт *mcm управления по модель, согласно которому управление, осуществляется па осново оОраОотіси (интерпретации) встроенной в систему управления модели высокого концептуального (ситуационного) урошгя, адекватно отражающей тропе сси управления.
В настоящее время извостнн иерархическиеситуаціюнішз модели процессов управления, позволяющие достаточно эффективно задавать алгоритми управления БС ЛЛ в виде иерархической совокупности ситуация управления, условий пер .одой ситуаций, команд упраодотш л других допстпий, предусмотренных п ситуациях. Однако практическое применение этих модолои зптруднош п пиду определенной абстрактности математического аппарата иерархических моделей и отсутствия сродств реализации и интерпретации моделей в Сортовом вычислительном комплексе. Для аффективного применения иерархических моделей пообходиш лополімтольнио сродства, позволявшие достаточно легко:
задавать шіеіяше представление иерархических. моделей4 ситуаций и удобной для разработчика формо в іпяцассо проэктнроваиия системи управления комплексом БС.ЛА;
производить перепад иерархической-модели управления во внутреннее представление вычислительного комплекса (ВІС) пв этапе реализации моделі' п системе управления GC ДА;'
производить обработку иерархической модели для организации автоматизированного управления БС М (пвдачн команд нерекдпчеиия режимов Функдиошгропания бортових систем к сообщении окинагсу) в процесса эксплуатации системы управления ЕС ЛЛ.
В связи с эти?* позникпог важная и актуальная задача исследования и разработки лингвистического» алгоритмического и программного обеспечения иерархических моделей управления БС ЛЛ.
Тема диссортациошюй рябс-ти связана с вшгадиснием работ по
жг .>{-о і г as ел лс іг>вс-сг) v. n 3::-2- и -ік/яь. пр-нюдимих в Уфимском государственном авиационном техническом университете по заказу 10ЇО "Молния" (г. Москва), а также с ы.ткшюнием работ, поддержанных государствешіїм грантом по фундаментальним исследованиям в области авиационной і! рзкетно-космичоскоЯ техники (і;;ифр 94-4.5-44 по направлению "Искусственный интеллект в ннфоршцкашшх и управляющих комплексах лотателишх аппаратов").
Цель и задачя исследования. Целью работы является создашю алгоритмических к язикових средств разработки ситувциошки моделей управления комплексом бортсшіа елстем ЛЛ и их реашгзация в формо програвшого обеспечения информационно-управляющей системи (ИУС). Для достижения данной цели решались следующие задачи:
разработка лингвистического обеспечения для задания вцоїшш-го представления моделей ситуаций;
разработка внутренней структуру иерархически* ситуашюшшх-моделей, реализуемых в составе системы управления БС ЛА;
разработка и реализация матодоп трансляции внешнего представления иерархической модели во внутреннее представление:
разработка л "реализация методов интерпретации внутреннего представления иерархической модели для организации автоматисиро-ванного управлении комплексом БС ЛА в реальном времени;
исследование технических характеристик реализации и эффективности использования язука иерархических моделей ігри практическом применении для управления бортовими системами ЛЛ.
Методика исследования. Разработка языка иерархических моделей осуществлялась на основе методов задания формальних языков (синтаксиса и семантшси). Внутреннее представлепио моделей управления разрабатывалось на основании теории структур давних. Транслятор и интерпретатор иерархических моделей разрвботтш на основе применения методов программирования.
Научная новизна. В работе впервые предложен сиоциализирован-ішй непроцедурішй язик, позволяющий на высоком концептуальном уровне отісивать иерархические модоли ситуаций управления БО ЛА, задавая иерархическую вложенность ситуаций, переходь' момшу ситуация -ми, взаимодействие процессов управления и т.д. Язшс базируется на аппарате иерархических моделей yrrfявления, расширешюм с направлении повышения удобства и эффективности практического использования в системе управления бортовими системами ЛА, для чего проддог.еїш:
обіцодостушпіо процесса, массиш ігроцоссов, рокурсішішо ггроцосси к т.д. Кроме того, новими являются:
- структур''! іі"н;кіг. , позполтацир, адекватно отображать иерархические модеми ь памяти ЭВМ, обеспечивал компактность нредстаплиллл наряду с зфі»?кті'шостью обработки;
- методы автоматического перевода иерархических моделей, оа-дзншіх во висипом представлении, осиовашше на макроподстановке с последующей настрз.'Ііссл параметром адресации модели, выполняемой рекурсивной процедурой настройки;
-' методи интерпретации, оспова.ч.чие па хсі}і7Т}оло текущего состояния вдрчшической кодели и рекурсивном ооходо внутреннего ігрод-ставлопня іпгуйцп-онной моделі.
на защиту шносятел:
-
НаїіК иерархических моделей управления.
-
Структура внутреннего представления иерархической йодоли.
-
Транслятор язика иерархических моделей управления.
-
Ипторпротатор язика иерархических' моделей управления.
-
і^зулітати исследования технических характеристик и эффективности лингвистического л программного обеспечения уігравдошія б'ртошми системами ЛЛ.
Практическая ценность. Практическую ценность имеют: паше внешнего представления ситуационной иерархической модели уіграплеігая как средство задания, алгоритмов управления бортовыми системами JIA, транслятор иерархических моделей как средство автоматизации реализации моделей и системе управления-, интерпретатор моделей ситуаций как сродство автоматизации обработки, молодой в процессе функционирования системы управления ВС .ЯЛ.
исполнив практичеашо результати диссертационной работы используются в составе тренажорію-исіштательного стенда Научно-производственного объединения "Молния" (г. Мосгаза): комплекс Моделей иерархических процоссоп для имитации работы и управления БС изделия ІІФ35, комплекс язикових, алгоритмических и программных средств для реализации моделей иерархичеспнх процессов управления ЬС J'A. Перечислен;;ио результаты лредназначени лил істрой и качественной разработки и внедрения алгоритмов упрашгагам комплексом БО М как в итатішх, так и г. неита'тішх-ситуациях, а также для проверки их работоспособности и эффективности при проведении тренажерных испытании с участком оклн.акз.
Технические ромспил. связанть-л с организацией информационного
сопровождения экипажа и процесса управления комплексом Ь'С ЛА, защищены авторскими свидетельствами на изобретения .Л 1807785, [832992. Разработанное программное обеспеченно (транслятор и интерпретатор иерархических моделей) зарегистрированы в Реестра программ ДЛЯ ЭВМ РосЛНО (рог. JW 940430, 94043Г).
пгюбацкя работы. Осношшс результата к положения работ» об-суздплись на: Всероссийской научной конференции "Системи автоматического регулирования и управления техническими объектами" (Уфа, 1S39), Всесоюзных Гагарпнскпх чтениях (Москва, 198У), Всесоюзной научно-технической конференции "Разработка систем технического зрения И их применение в промышленности" (Уфа, 1992), Юбилейной научно-технической конференции "Актуальные проблемы авиастроения" (Уфа, J99?,), 3-й мРкпсдомстБ/знмэ" научно-технической конференции "Проблеми, управления и навигации авиашюшю-космических систем" (Киев, 1S34), Всероссийском совещании "Проблеми создания национальных, академических с иге Я баз даншх и баз знаний" (Уфа, 1995).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том число" I статья, получено 2 аиторекчх свидетельства на изобретения и І полоаэтелиюе реиеігае по заявке на изобретение.
ООгеи работы. Диссертация состоят на введения, четырех глап и заключения, изложошшх на 172 листах машинописного текста, списка литератур!/ и.приложений.
' СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе обсукдгштся особенности процессов управления комплексом ВС ЛА , рассматриваются известные модели, используемые при организации автоматизированного управления ВС, исследуется процесс проектирования информационно управляющей системи БС ЛА, а также языковые средства,применяемые при разработке ИУС.
Проведешшй анализ показал, что особенностью многих бортових систем ЛА является дискротнип (переключательный) характер убавления. Управление подобными системами целесообразно осуществлять в соответствии с ситуационным подходом, на основа использования встраиваемой модели управления високого концептуального уровня.
.Существующие способы моделирования дискретных процессов в большинстве своем основаны на теории графов. Проведенный анализ выявил недостатки таких моделей, связанные со сложностью попосред
.5
стпегаюй роализацгоіи в DK. Известно иерархические, ситуациошше модели и алгоритми их обработки позволяют в явном виде задавать алгоритмі управлені1 і бортовым» системами М, по имеют рад особенностей, обусловленных определенной аОстракиїостьи математического аппарата иерархических моделей и затрудняющих их фактическое использование при организации автоматизированного управления БС ЛА. Бил сделан вывод о необходимости модификации моделей в направлении повышения эффективности использования в системе управления.
Практическая реализация иерархических ситуационных моделей в системе управления БС ЛА требует наличия языковых и программных средств, позволяющих- аффективно задавать шептав.. "родставлеіше модели в процесе проектирования, атоматнчєски транслировать его во внутреннее'представление па этапе реализации моделей в системе управления, обрабатывать внутреннее представление в процессе управления. Использование известных, язикових- средств характеризуется длительностью и трудоемкостью разработки, отладил и модификации системы управления. Били сделаны выводи.о 'необходимости создания следующего лингвистического и программного обеспечения:
- специализированного нещ зЦодурнога яёыка задания иерархиче
ских моделей ситуаций, позволяющего проектировщику систем;; управ
ления БС лл задавать внешнее представление модели .на высоком Кон
цептуальном урогаш;
.- внутреннего представления иерархической модели, реализующего .внешнее представление в'ПК сйсгеш угфавления ВС ЛА;
-транслятора внешнего ііредставлеїшя иерархической модели во внугрешее представление;
- интерпретатора" внутреннего представления для формирования
сообщений экипажу и команд управления БС ЛА в реальном-времени.
И соответствий со., сделаш-шми выводами" формулируются цель и основные задачи исследования.
' Вторая гліва содоркит описание и обсуждение разработанного языка иерархических- моделей для практического задания ситуационных моделей процессов управления при организации автоматизированного управления бортовыми системами ЛА.
Рассматриваются основные концепции языка и вопросы интерпре тации его конструкция на примере простой, модели, символьное (': использованием разработанного язика иерархических моделей) и графическое представление которой ..приведено на'рис.1.
Модель состоит из pnn.worj, жяючаюишх предложения, КОТіркп !
ROOT Example-
PROCESS pt STATS sip I ACTION' _«s-lpl_
Jl'MP s2pl WHEN _cslpl_ NOT О
STATE s2pl , Г 1
ACTION _аэ2р1_ W/.
ДЛЛР slpl W1EN _os2pl_ NOT 0 Y'f1
DIVE p2 ' '
DIVE p3
PROCESS p2 . STATE alp2
JiJMP.*2p2 WHEN _c^lp2_ STATE sp2 JVUP.slpZ WHEN _cs2p2_
PROCESS p3 STATE чІрЗ
JUMP зЙрЗ WHEN _сзірЗ_ STATS e2p3 JUMP slp3 WHEN. _csSj>a_ END ...
Тис. І. символьное и графическое представление .иерархической модели
спав очередь мо.гут содержать опции; . Модель; всегда ігаїщается с ІШР-раздеда [одного sunt- Нескольких, задающих внешнее имя- модели в цолом| в примера Ехпяріе» по которому интерпретатор обращается к модели яри'абрз&гяк» в процессе управленияJ« Далее идут . PltQCESS-разде'ль', ошсгщавдіе.влсмаигврше модели fP?, P2, РЗ). В .толе процесса располагаются SlATB-ра.здели', соответствующие состошсіям-. подали (например, для .модели РГ-состогашя SJPJu S2PJJ и содержащие описание действия, свпзаіпаїх с этой ситуацией: акций (ACTION), переходов (JUMP);, йогружеііий (DIVE).
АСїІОК-предложеяия задах» действия, которые-додзиш Сить вппо-лнени в опродрлеіпнд условиях. Это шкет бить визов шіешюй процедуры (как в примере) или вцполиещш каких-лиоо внутрешпос действий (вичислений). ЛШЧтредлоиеши задают смену текущих состояний модели и условия, при которых это происходит. DIVE-предложения обеспечивают иогружешга во внутрешше модели-данного состояния. Модель всегда заканчивается йШ-преддокеияем, указывающим конец модели.
Среда всех опций наиболее вакшми являются: WHEN-опция, задающая условия выполнения действий (в примере'- вызовы внешних, процедур, -внчисушящи условия), Wl'i'II опция, позволяющая задавать спи-
сок аргументов при погружении во внутреннюю модель, и іП'/Лі'і;-опция, задающая активность действия в зависимости от значення статусі -системной переменной, значение которой оггродоляет характер текущей обработки модели. Статус шкот принимать следуицио значения: IIUT - при инициализации модели; PROLOG - при первом цикле интерпретации данного состояния; GEflEfUL -- при последа ищи циклах обработки; EPILOa - при.эш'логовой обработке перед сменой данного есстояшш.
В работе пркпод'.ітся полняя спецификация языка (опиеанно синтаксиса и сс'.|\пнтпки вС'Х конструкций языка), которая содержит следующую'информацию для кандого ргсчола.-.предложения или опции:
назначение со::'п;от.стг,увиег.о объекта язика;
структуру ifcu.'іермзт, показшізшше состав и последовательность входящих в него' озъекгон; '
ограничения, дЬпалня'ишіе структуру или формат л опроделеїш того, что может быть в шпе написано;
правила интерпретации, определяющие сі.мел назначения и особенности обработки раздела, предложения или опции.
Обсуждаются основные ігриокіі использования язика: управление активностьюдействий; организация взаимодействия и синхронизации параллёльшх процессов; использование паромешшх и парайзтров, повторно, используемцх и рекурсивних процессов, массивов процессов.
В щхааьей.глЬ&в обсуздаются вопроси, связагашо с разработкой алгоритмического . и програвдшго- обеспачегаш автоматизйропатюй системи управления ВС М. Осиовша зтаїш разработки програшного обеспечеімя представлены на рис,2» '-.'.
Нв концептуальном уровне .управления, разрабатывается ь лшнее представление модели управления БС ЛА средствами языка иерархических модзлей, которое затеи автоматически транслируется во внутреннее представление, реализуемое в вычислительном комплексе системь управления, при помощи специализйровашюго транслятора.
Логический уровень управления лродполагаот интерпретацию вну-трешшго представления иерархической модели, циклически обрабатываемого интерпретатором во внешнему сигналу запуска, в процессе обработки происходит смена текущего состояний додели, фиксируомоі'о в памяти текущего состояния хранения йеаду циклами интерпретации і
При обработке моделей управления а рвпльном .времени возтшкаот необходимость выполнения задаваемых моделью действий (физический уроьонь управления) для организация евтомйтіізиройаННого управления по ЛА. Эти действия (акции) описываются внешними процедурами и
/ .ранепиторч / ЬНЄШЯііО \
Н представления} .. 9а шутрен- / Bee /
Зтіп іуащйсиировіїїия
Пачать
состошка
Внутрєанее предстішлеяне иерархической
модели
-Ч Вшов
Циклический
запуск ,
обработки
/Ишйрпреіатор\ (игрархичесїаіі, ~
подай /
Резульгат (истншюсії. иредшмсв
Лопиеоіий уровень управлений
, Внешние процедури -
. Проверка
изіїеряєїкх
йгфааирой
система
Команды зкадака
ОрГаїш
взмшчдейстіш с stmta&eu
Сигналы . Н ИРДЙШДИК т—
L
КС'Каяды івтоиатнческог І упрев'гешш
Бортовім силены
Физический уровені упрінлениї
Эк tines
Рис.2- Этапы разраОртіш програмшюго обеспечения система управлений
могут оыть четырех типов:
выдача команд автоматического управления, поступающих на Ь'с;
- видача сигналов индикации и оповещения экипажа;
обработка команд экипажа, поступающих от экипажа через ор гаїш взаимодействия при ручном режиме управления;
проверка измвряемих параметров функционирования ЬС ЛА, контролируемо* информационно-измерительной системой. -
При интерпретации пераргичзско!ї модели необходимы контроль и коррекция текущего состояния модели. Между циклами ооработіш информация о текущем состоянии модоли хранится в оперативной памяти вычислительного комплекса, названной" памятью текущего ' состояшія (Ш'С). Предложена функция адресации, дотирая Навдому элементарному процессу иерархической модоли ставит в соотпотствио адроса ячеек 1ГГС. Доказано, что полученная функция адресации оОеспочивает (.мінімальний оогем ПТС" при корректном отображении адресов. Практическая реализация функции алпесации учитиваат возможность рекурсдаїшх и повторно используемых моделей путам дополнения рассмотренной схеми механизмом динамического выделения участков'ПТС.
Введено понятие массива иерархических процессов для множества Енутрешшх процессов, имеющих' идентичную .структуру. Рассмотрена эквивалентное,, представление массива процессов, принципы контроля текущего состояния отдельных экземпляров массива, вопроси программной реализации массива в ВК.'Продложоная фуїдация адресации позволяет рассчитать адреса элементов экземпляра процесса:"
Aa,j) ^ і і ,KHW))( тх) = .
A{1)(X,J)) і ll(r)(X,J)), ЩХ) > о
где N{X) - функция нумерации, определяющая порядковий помер масси ва среди массивов-оратьев (Л(Х)= для корневого массива); . i(X,J) функіція, определяющая вершину-предка массива;
T)(K,J) - функция,' задающая предыдущий экземпляр" массива;
Н{Х) - характеристическое число-массіша процессов. Ьнешнее представление иерархической Модели, заданной в видо совокупности-предложений ни разработанном языке пректировщиком системи управления,'должно быть пре'оорпзовано во внутреннее предо тяплешю, реализуемое в вычислительном комплексо.- Внутреннее пред-ста^'інпие разрабатывалось в соответствий со следующими принципами: производительности, подразумевающим ооеспечеіпіе достаточно быстро-1-1 поиска плсм'нтп в модели; корректности, цроднолатицего доста
точное?), :;,\к>вдг.хсн" элементов и свяоой дая обработки модели; компактности, направленного па уменьшение' объема памяти, занимаемого модель».' Иа рис. "З представлена обобщенная структура йодоли, пояс--няадт организацию внутрешего представления. Модель размещается в четырех сегментах: основно?.:, гдо размешш основино элемента модели, дсполштсльноа, в котором располагаются списка аргументов поопределенней лдлш, сегменте вііошшіх процедур, динамических сегментах ГНС, Разраеотаїш структури данных, соответствующие элементам иерархической модели- управления. .Внутреннему представлении АОТІОН-гфедложриад. соответствуют две структури дашшх.: ACTION (juift описания шіутрошвіх акций) п l;AU'i'I0W (для огаїсашш внешних акций). Определена процедура доступа из основной модели, к списку . аргументов, к впеїшаїм процедурам, к состояниям, к нижестоящим и вдшостоя-щлм элементам модели. '
Рис. 3. Внутреннее представление ерархической модели
Разработан транслятор внешнего представления иерархической модели, задаваемого ..разраоотчмгои системи управления НС ЛА, во
II
внутреннее представление, реализуемое в ВК. Предложен способ реализации трансляція: «а осново использования макросродств стагедзрт-пого транслятора а. орнтмического язика,(сил использозан . макроассемблер HASH фірмн Microsoft) для гогарвции. внутренних стуктур элементов и установки связей. В результате трансляции .получается ооьоктииЯ модуль с незаполненными полями параметров адресации, заполнение которых осуществляется специальной процедурой настроит при инициализации модели п процессе интерпретации.
Разработан интерпретатор иерархической модели, обеспечизаший видачу соосйквші! згашаку п команд- переключения розкидав бортових систем из осігопе обработки внутреннего представления модели управления с рездьндаг времени, инторгтротатар внполнен в виде комплекса программ па языке Си, обрабатывающих внутреннее представление иерархической модели в -соответствии, с правилами интерпретации, устаиовленгчмн языком внеенэго представлотш-.
В четйергсой главо, исследуются технические' характеристики и эффективность язика иерархических моделей-при организации автоматизированного управлення капкозтнши Б& ЛА.
Произведена оценка быстродействия к объема .шмяти, необхода-и -о для хранения и обработки иерархической модели р процессе управления. Для оценки размера ffi'G с учетом динамически Олоков, еидєляскнх в процессе іштсрітретаціаг йоделн для размещения динамических процессов, получена - следущая формула: И(х) - 1Чг) + тх' Q(a},
н"Ш,есл:і Зх: х і Dtx) .
Q(a)~
О, в. противном случае',
f(X)=
О, . если R(3};* 0
Jut у),в противном случае. ijiRfa). ..
где 3(х) - модафицяропанноз' характеристическое число ИЛЙ-вршйпи х,. опреяелявдео "максимальній размер ПТС: для данного процесса с учетом динамических поддеревьев;
F(z) - размер блока памяти, выделенного для размещения максимального активного подпроцесса с кернш в верашпо х; _ Qfa;.-, характеристическое-число и-вериинн з. Рассматривается проносе, проектирования моделей управления бортовими системщик М .на этапе спуска -и посадки с использованием разработанного лингвистического'а 'программного обеспечения для организации тренажерных 'испытаний информационно- ундаилящой оистс . ш Ь'С м га иклото;шо-дштглпом«« стенде-треяякере. В качество
сквозного примере при разработке -ситуационных моделей управления использовалась бортовая система наддува и разгерметизации, оСеспо-чилаицая поддержание заданного уровня давления воздуха ь гермокабине экипажа, что непосредственно влияет на безопасность полета, в соответствии с ситуационным подходом, разработка МУС для управления комплексом ПС ЛА мслючает следующие отавы:
описание- модели упраплошм на основе и- лей, задач и программ функционирования комплекса. БС ЛА с учетом возможных нарушешій;
формализация моделей ситуаций с использованием разработанного лішгвистичоского и программного обеспечения; .
испытание л отладка моделей на трепажзрноы стенде .'с участием экипажа для пасть-лкп параметров модели.
Проведено исследование, эффективности разработанного, лингвистического и программного обеспечения /паї' .проектировании информа-шюшю-управляюнои системи ЛА. Использование язика високого концептуального уровня, соотиотствущого концептуально?^ уровню мышления прооктировціша системи управления, її автоматическая трансляция ситуационных моделей управления во внутреннее иредстаплакио.снижает трудоемкость и время проектирования, отладки и дальнейшей моди- ' фикации систомц управления в сроднен в 2-2,6 раза. .
