Введение к работе
Актуальность работы
В настоящее время автономные системы управления (АвСУ) и промышленные роботы в частности, реализованные с применением искусственного интеллекта, все шире внедряются в различных отраслях промышленности, транспорта и в задачах, где непосредственное участие человека невозможно или связано с высоким риском. На практике, нередки случаи, когда вследствие изменения условий работы, изменения целей АвСУ и способов их достижения, возникает необходимость в модификации интеллектуальных алгоритмов. Если АвСУ используется в удаленной или труднодоступной местности (на большой глубине, в космосе и т.п.), непосредственный доступ к ней может быть сопряжен с существенными финансовыми и временными затратами или вовсе невозможен. Дистанционная модификация интеллекта позволяет решать эту проблему и повышать эффективность использования АвСУ.
Анализ научно-технической литературы (Д.А. Поспелов, М.А. Гаврилов, В.М. Глушков, В.А. Горбатов, С.В. Емельянов, А.А. Красовский, Б.Н. Петров, Я.З. Цыпкин и др.; T. Sato, H. Watanabe, K. Shibata, M. Vorbach, R. Becker, M. Motomura, A. DeHon, J. Wawrzynek, J.P. Cardoso, M. Weinhardt, S. M. Trimberger, J. Hauser, J. Wawrzynek, T.J. Callahan, J.R. Hauser, J. Wawrzynek, C.K. Wakabayashi, M. Xu, F.J. Kurdahi и др.), нормативно-технической документации и других материалов показал, что существующие в настоящее время технологии повышающие живучесть систем, функционирующих автономно в течение продолжительного времени, не являются достаточно эффективными на всем пространстве возможных ситуаций. В то же время, высокая стоимость аналогов, реализуемых на основе технологий дублирования и резервирования функциональных узлов, не позволяет их внедрять с приемлемой степенью рентабельности, а, следовательно, они не способны решать проблему увеличения жизненных циклов АвСУ в целом. Кроме того, данный подход не предусматривает возможности изменения целей задания промышленных роботов, повышая живучесть только в случае выхода из строя отдельных частей оборудования.
Актуальность задачи реконфигурирования аппаратных средств также обуславливается возрастающим несоответствием между сроком жизненного цикла автоматизированных устройств (например, используемых в интеллектуальных зданиях, автомобилях, технологических процессах) и стремительной скоростью развития информационных и коммуникационных технологий (ИКТ). Функциональный срок жизненного цикла автоматизированных устройств, как правило, достаточно продолжителен и достигает от 5 до 50 лет. Однако, ИКТ развиваются гораздо быстрее, претерпевая существенные изменения в рамках 0.5-5 лет. Таким образом, технологии, используемые в автоматизированных устройствах, могут устаревать, а все возможности новых технологий используются ими не в полной мере или даже не используются вовсе. На сегодняшний день возможно лишь обновление программного обеспечения автоматизированных устройств, и даже оно затруднено в системах, выполняющих критически важные функции. Обновление аппаратных средств производится лишь тогда, когда продолжение использования старых устройств становится невозможным, затраты на их обслуживание становятся неприемлемыми и, следовательно, требуется замена всего автоматизированного устройства, что обычно обходится для производителей и пользователей очень дорого.
В таких условиях перспективной элементной базой для интеллектуальных АвСУ являются программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), которые представляют собой платформу для создания реконфигурируемых высокопроизводительных цифровых схем и устройств, проектируемых с минимальными материальными и временными затратами. Наличие у современных ПЛИС режимов изменения внутренней структуры в реальном масштабе времени позволяет создавать на их основе устройства с быстрой перестройкой выполняемых функций.
Разработка и последующее внедрение метода дистанционной модификации интеллекта АвСУ, реализуемого на основе технологий реконфигурируемых вычислений и ПЛИС, является, безусловно, актуальной научной задачей, решение которой по предварительным оценкам позволит повысить срок жизненного цикла автономных систем управления в некоторых задачах применения на 15-20%.
Настоящая работа посвящена решению этих задач. Разрабатываемые и исследованные в диссертации модели могут быть использованы при разработках искусственных автономных систем управления.
На основании изложенного тема диссертации является актуальной.
Цель и задачи работы
Целью диссертационной работы является разработка метода динамического реконфигурирования путей данных для их обработки в автономных системах управления, способного обеспечить адаптивное поведение в сложной, изменяющейся со временем внешней среде. Для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи:
1. Исследование технологий автономных систем управления на базе реконфигурируемых блоков и детальное изучение происходящих в них процессов. Анализ адаптивных свойств поведения автономных систем, которое обеспечивается такими системами управления.
2. Создание концепции дистанционного реконфигурирования программно-аппаратных средств на базе ПЛИС для осуществления автоматического обновления аппаратных средств автономных систем управления.
3. Разработка системы управления для динамически реконфигурируемых процессоров
4. Разработка архитектуры динамически реконфигурируемого процессора для автономной системы управления.
Научная новизна
1. Разработан метод надежного дистанционного реконфигурирования программно-аппаратных средств на базе ПЛИС с многодоменной архитектурой.
2. Создана математическая модель динамически реконфигурируемых процессоров (DRP).
3. Разработка компилятора для динамически реконфигурируемых процессоров с учетом оптимизации аппаратной архитектуры и функционального уровня моделирования. Динамически реконфигурируемый процессор имеет новую программируемую архитектуру, которая позволяет осуществлять переключение каналов с временным мультиплексированием.
4. Осуществлено распараллеливание процесса вычислений на основе создания графа управления потоками данных (CDFG), который описывает каждый шаг на основе заданных ограничений. Распараллеливание процесса вычислений дало возможность работать с каналами передачи данных не только в двух пространственных измерениях, но и во времени.
5. Решена задача балансировки каналов передачи данных путем объединения максимального использования ресурсов в любом канале, не превышая его допустимый максимум.
Практическая ценность работы заключается в том, что на основе научных результатов, полученных в диссертационной работе предложена концепция построения интеллектуальных систем управления роботами и другими сложными динамическими объектами. Сформулированы ключевые положения, составляющие ее ключевую основу. Предложенная концепция позволяет осуществлять простое и автоматическое обновление аппаратных средства устройства, что существенным образом сокращает затраты производителя/поставщика услуг. Создана среда разработки для динамически реконфигурируемого процессора, используемого в автономных системах управления. Созданное алгоритмическое и программное обеспечение, позволяющее оперативно осуществлять реконфигурацию потоков данных, защищено свидетельством о программном обеспечении и внедрено на ряде предприятий приборостроения, что подтверждается соответствующими актами внедрения.
Методы исследования:
В работе использовались методы математического моделирования, теории программирования, параллельных вычислений, математической логики, теории графов, передачи данных.
На защиту выносятся:
1. Концепция дистанционного реконфигурирования программно-аппаратных средств на базе ПЛИС, которая подразумевает надежную загрузку новых схем ПЛИС в активное устройство на основе метода реконфигурирования ПЛИС с многодоменной архитектурой. Многодоменная архитектура ПЛИС вместе с методом надежного реконфигурирования предоставляют возможность обновления программного и аппаратного обеспечения непосредственно во время функционирования устройства.
2. Метод реконфигурирования включает следующие процедуры, выполняемые между сервером реконфигурирования и модулем реконфигурирования: аутентификация, инициализация, самопроверка, реконфигурирование и проверка состояния.
3. Динамически реконфигурируемый процессор (DRP), имеющий новую программируемую архитектуру, которая позволяет осуществлять переключение каналов передачи данных с временным мультиплексированием (контекст), состоящий из многих оперативных единиц, единиц хранения и проводных соединений между ними, что позволяет DRP выполнять очень сложные параллельные вычисления.
4. Интерфейсный инструмент для компиляции потока данных для динамически реконфигурируемого процессора.
Реализация результатов.
Разработанные программные средства входят в состав программного обеспечения, которое используется для исследования модели дистанционного перепрограммирования нечеткого интеллекта промышленных роботов, реализуемого на основе ПЛИС «ФАР-ИНТЕЛЛЕКТ». На данное программное обеспечение получено свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ РОСПАТЕНТ № 2012613946 от 27.04.2012 г. Данный программный продукт используется в научно-исследовательских работах в Московском государственном университете приборостроения и информатики. Разработанные методические принципы реконфигурации интеллекта в автономных системах использованы в учебном процессе при подготовке специалистов по ГОСВПО 230102 на кафедре «Автоматизированные системы управления и информационные технологии» Московского государственного университета приборостроения и информатики.
Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных результатов подтверждена:
-экспериментальными данными и математическим моделированием предложенных методов на ПЭВМ;
-разработкой действующих программных средств, подтвержденных свидетельствами об официальной регистрации;
-результатами использования этих программ на ведущих организациях и предприятиях страны.
Апробация работы. Наиболее важные результаты докладывались на Всероссийской конференции «Проведение научных исследований в области информационно-телекоммуникационных технологий» (г. Москва), XIV Всероссийской научно-технической конференции НИТ-2011 (г. Москва), Всероссийской конференции «Проведение научных исследований в области информационно-телекоммуникационных технологий» (г. Москва), международной молодежной конференции «Информационные системы и технологии» (г. Москва), научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (г.Пенза), на Российско-австрийском семинаре по информационно-коммуникационным технологиям (г. Вена, Австрия).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано девять научных работ, в том числе две в журналах, входящих в перечень ВАК, а также получено свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ РОСПАТЕНТ № 2012613946 от 27.04.2012 г.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 246 наименований и 0 приложений.
