Введение к работе
Актуальность проблемы.
Повышение требований к точности, быстродействию, информативности и другим характеристикам процессов сбора, измерения и обработки информации обуславливает необходимость создания и развития современных систем измерения и преобразования информации. Свойства и характеристики систем измерения и преобразования во многом определяются используемыми в этих системах аналого-цифровыми преобразователями (АЦП). Поэтому создание и совершенствование аналого-цифровых преобразователей (АЦП), предназначенных для измерения параметров сложных динамических объектов и быстротекущих процессов на основе применения средств вычислительной техники является актуальной задачей. Указанные задачи нашли отражение в работах ведущих отечественных ученых: Э.И. Гитиса, П.В. Новицкого, П.П. Орнатского, В.Б. Смолова, Э.И. Цветкова и др.
Несмотря на значительные успехи в области создания современных АЦП в микроэлектронном базисе, их проектирование осуществляется в основном в соответствии с методологией построения автономных средств измерений. Вместе с тем, оптимизация структуры и технических характеристик АЦП, обеспечивающая требуемые качество и метрологические характеристики, возможна только при системном подходе. Однако, общий подход к построению АЦП как системного элемента в архитектуре информационно-измерительной системы (ИИС), обеспечивающий совместимость объектов измерения с процессами в АЦП, не получил должного развития. Различные варианты частных подходов к задачам системного проектирования АЦП отражены в работах М.М. Гельмана, B.C. Моисеева, Г.А. Шастовой и др.
Сложившаяся к настоящему времени практика проектирования и создания измерительных устройств (под конкретную измерительную задачу) основана на использовании жестких, детерминированных архитектур. Требования, направленные на реализацию потенциальных возможностей точности с учетом быстродействия используемой элементной базы с целью повышения метрологических характеристик, делают необходимым придания АЦП свойств адаптации и реконфигурации архитектуры. Перспективным направлением развития адаптивных АЦП является их построение на основе потоковых динамических архитектур (ПДА), позволяющих перераспределять ресурсы преобразователя в режиме реального времени.
Задачи построения адаптивных преобразователей в настоящее время решаются на базе использования методов, алгоритмов и программ сжатия измерительной информации, широко представленной в работах Б.Я. Авдеева, Н.М. Гаранина, А.П. Мановцева, О.Н. Новоселова, О.М. Переверткйиа и др. Реализация адаптивных преобразовате-
лей с ПДА затрудняется как сложностью алгоритмического обеспечения, так и отсутствием подходящей элементной базы для построения реконфигурируемой архитектуры измерительного устройства. Для АЦП ПДА характерны переменность логической структуры, конструктивная однородность и параллельность выполнения измерений. Наличие параллельного выполнения операций измерения обеспечивает возможность существенного увеличения скорости (производительности) измерительных устройств без увеличения физического быстродействия элементов преобразователя. Исследованию цифровых устройств с настраиваемой структурой посвящен ряд монографий отечественных и зарубежных авторов: И.В. Праншшвили, Э.В. Евреинова, В.Г. Лазарева, Н.Р. Peterson, G. Estrin и др. Вместе с тем, распространение указанных выше подходов и решений на класс АЦП требует разработки новых алгоритмов, архитектур преобразователей, методов преобразования и измерения входных потоков данных.
Нейроны и нейронные сети являются элементарными структурно-функциональными модулями, из которых может быть построена произвольной степени сложности система, в том числе и АЦП, и обеспечивают требования переменности структуры и конструктивной однородности. Работы У. Мак-Каллока, В. Питтса, Я.М. Барздиня, СО. Мкртчяна, В.А. Потапова и др. привели к созданию современной теории нейронов, однако, все эти работы ориентированы на принципиальное использование результатов в области цифровых вычислительных систем. Отсутствие в настоящее время известных разработок в области построения структурных решений адаптивных АЦП ПДА на основе нейронных технологий требует создания основ структурной теории указанных систем.
Однако, проектирование адаптивных АЦП ПДА на базе нейронных технологий является сложной научно-технической задачей. Теоретические и методологические принципы построения таких систем не нашли отражения в известной литературе. Поэтому для обоснованного выбора архитектуры АЦП, практической реализации необходимо создание методики проектирования адаптивных системных многоканальных АЦП с перестраиваемой архитектурой на основе нейронных технологий.
Особенности адаптивных АЦП ПДА не позволяют применить известные методы анализа и синтеза. Возникает необходимость создания новых методов проектирования АЦП ПДА, основанных на моделирующих алгоритмах и математических моделях. Для управления ПДА необходимо разработать оптимизирующий алгоритм на основе выбранной целевой функции. Математические модели АЦП ПДА должны базироваться на моделях нейрона и нейронной сети, а также на моделях преобразователя в виде систем массового обслуживания (СМО). Несмотря на успехи теории СМО, предоставляющей в распо-
ряжение исследователя и проектировщика множество математических моделей, общий подход к созданию СМО с изменяющимся режимом (параметрами), который характеризуется неоднородным входным потоком, переменным числом обслуживающих приборов, мест в очереди и интенсивностью обслуживания заявки отдельной совокупностью обслуживающих приборов отсутствует, хотя были известны некоторые частные решения, касающиеся указанных моделей СМО, которые нашли отражение в работах ведущих отечественных и зарубежных специалистов. Так, например, Г.П. Башариным и Б.Е. Куренковым предложена и исследована модель неоднородного входного потока для случая однородных источников; Г.А. Медведевым и О.М. Тихоненко рассмотрены одноприборные и многоприборные СМО с неоднородными требованиями и временем обслуживания, зависимым от значений признаков входного требования; L.Goel, A.Seelan, D. Smith, A.H. Ду-дин, Я.А. Коган, А.А. Назаров, И.А. Коротаев исследовали СМО, функционирующие в случайной среде. Приведенные соображения позволяют сделать вывод о том, что расчет параметров адаптивных АЦП ПДА требует построения нового раздела теории СМО с изменяющимся режимом (параметрами).
Целью диссертационной работы является решение важной научно-технической проблемы создания высокоэффективных адаптивных системных АЦП потоковой динамической архитектуры, реконфигури-руемых в процессе решения задач измерения, и выполненных на нейронах, специализированных на реализацию конкретных измерительных процедур, а также разработка методологических и теоретических основ их проектирования.
Задачи исследований. Сформулированная цель предопределяет следующие задачи исследований:
развить на основе системного подхода классификацию адаптивных системных АЦП на базе потоковых динамических архитектур управляемых потоками данных;
осуществить разработку принципов построения и основ структурной теории проектирования адаптивных системных АЦП ПДА, реализуемых на нейронных технологиях и включающих: структурно-логическую организацию АЦП и принципы построения связей нейронов, методы синтеза топологии адаптивных АЦП, механизмы адаптации, развитие принципов канальной декомпозиции общей модели структуры преобразователя и создание концепции адаптивных физических и виртуальных измерительных каналов;
сформировать и обосновать: выбор функции оптимизации, учитывающей специфику и особенности преобразования в адаптивных преобразователях; основные составляющие функции оптимизации, их
взаимосвязь и зависимость от параметров входного потока сигналов преобразователя; механизмы изменения этих параметров;
разработать ряд основополагающих принципов теории СМО с изменяющимися параметрами, которые отличаются: неоднородным входным потоком, переменным числом обслуживающих приборов, меняющимся количеством мест в очереди и интенсивностью обслуживания заявки отдельной совокупностью обслуживающих приборов, методы определения вероятностно-временньи характеристик указанных СМО;
разработать методику проектирования и оптимизации параметров структуры АЦП ПДА;
провести практическое апробирование архитектур АЦП ПДА с управлением данными (УД), методов и моделей проектирования указанных архитектур преобразователей.
Методы исследований основаны на использовании теории формальных нейронов, информационной теории измерений, теории вычислительных систем и систем массового обслуживания, теории множеств, методов математического и функционального анализа, методов математической статистики, математического моделирования.
Научная новизна. В диссертационной работе впервые сформулированы методологические и теоретические основы исследования и синтеза адаптивных системных многоканальных АЦП потоковой динамической архитектуры, реализованных на нейронных технологиях, сформулированы основополагающие принципы теории систем массового обслуживания с изменяющимися параметрами.
Разработаны основы структурной теории указанного класса АЦП, включающие:
развитие теории формальных нейронов в направлении распространения принципов насграиваемости на измерительные каналы;
развитие принципов канальной декомпозиции модели структуры преобразователя в части создания концепции адаптивных физических и виртуальных измерительных каналов;
разработку на основе единого методологического подхода обобщенных структурных решений и методов синтеза архитектур преобразователей, адаптивных к параметрам входного потока измеряемых сигналов;
- обоснование полноты структурно-логической организации
АЦП ПДА.
Осуществлено развитие основ теории СМО с изменяющимися параметрами, в том числе:
- создано обобщенное описание неоднородных входных потоков
измеряемых сигналов;
разработан комплекс моделей однородных марковских СМО с отказами в обслуживании, с бесконечной и ограниченной очередью;
разработан комплекс моделей однородных немарковских СМО с отказами в обслуживании;
- созданы аналитические методы расчета вероятностно-
временных характеристик для широкого класса предлагаемых моделей
СМО (марковских и немарковских, открытых и замкнутых, с различ
ными дисциплинами обслуживания).
На основе концепции адаптивных виртуальных измерительных каналов разработана методика проектирования оптимальной структуры АЦП ПДА, включающая:
выбор и обоснование показателя качества функционирования (средняя квадратическая приведенная погрешность преобразования);
создание двух этапной процедуры синтеза, обеспечивающей выполнение критериальных ограничений;
реализацию итерационных процедур и алгоритмов расчета параметров структуры АЦП.
Получена методика автоматизированного проектирования структуры АЦП ПДА.
Разработана процедура динамической оптимизации значений параметров предоставляемых ресурсов АЦП ПДА.
Основные защищаемые положения диссертационной работы включают:
методологические основы классификации адаптивных системных многоканальных аналого-цифровых преобразователей потоковой динамической архитектуры на базе нейронных технологий;
основы структурной теории и принципы построения функционально полных структур адаптивных системных АЦП ПДА;
развитие основ теории СМО с изменяющимися параметрами;
комплекс моделирующих алгоритмов, аналитических и имитационных моделей АЦП ПДА, реализуемый на основе концепции адаптивных виртуальных измерительных каналов и созданных моделях нового класса СМО;
методы определения вероятностно-временных характеристик созданных моделей СМО (марковских и немарковских, открытых и замкнутых, с отказами в обслуживании, с бесконечной и конечной очередью);
методику оптимизации параметров структуры АЦП ПДА, включающую обоснование выбора целевой функции и критерия оптимизации, а также процедуру определения предельного и оптимального объема оборудования адаптивного преобразователя;
приближенные методы расчета основных характеристик предложенных моделей СМО (марковских с бесконечной очередью и немарковских с отказами в обслуживании);
принципы построения механизмов адаптации, методы синтеза и анализа аппроксимационных алгоритмов, адаптивных к изменению параметров входного потока, ориентированных на применение в АЦП ПДА;
комплекс прикладных результатов синтеза архитектур, схемных решений АЦП ПДА, программных средств, обеспечивающих решение задач расчета основных метрологических и технических характеристик рассматриваемого класса АЦП.
Достоверность приводимых в работе результатов и выводов обеспечивается корректным применением математического аппарата информационной теории измерений, теории вероятностей и математической статистики, теории систем массового обслуживания. Основные расчетные соотношения, полученные в работе, подтверждаются результатами имитационного моделирования на ЭВМ и экспериментальными данными.
Практическая значимость и реализация результатов работы. Совокупность предложенных в работе идей, методологических, теоретических и прикладных результатов составляет новое направление в области создания современных адаптивных системных многоканальных аналого-цифровых преобразователей, обладающих принципиальной направленностью на достижение потенциальной точности с учетом быстродействия используемой элементной базы.
Реализация перечисленных выше результатов дает обоснованную методику для определения основных метрологических и технических параметров адаптивных системных АЦП ПДА на этапе их системного проектирования. Практическая ценность работы заключается в разработке методов исследования и синтеза адаптивных структур системных АЦП, реализованных как комплекс программ автоматизированного проектирования. Разработаны архитектурные и схемные решения различных топологий АЦП ПДА УД на базе нейронной технологии для алгоритма поразрядного кодирования. Реализованный на ЭВМ комплекс программ расчета вероятностно-временных характеристик СМО с изменяющимися параметрами позволяет ускорить процесс проектирования преобразователей.
Разработанные в диссертации теоретические положения, методы проектирования и расчета характеристик преобразователей использовались при создании аппаратурно-программных комплексов информационно-измерительных систем автоматизации испытаний авиационных изделий в ОАО "СТАР" (г. Пермь), НИИД (г. Москва), ОАО
"Авиадвигатель" (г.Пермь), а также при создании информационно-управляющих систем автоматизации технологических процессов: восстановления титана в АО "АВИСМА - Титано-магниевый комбинат" (г.Березники, Пермская область), очистных сооружений в АО Галургия (г.Пермь). Новизна и значимость технических решений подтверждаются авторскими свидетельствами на изобретения.
Полученные в диссертационной работе результаты были положены в основу, созданных совместно с НИИД (г.Москва) руководящих материалов по проектированию информационно-измерительных систем, обеспечивающих повышенное быстродействие и достоверность в проведении испытаний авиационных агрегатов.
Научные аспекты диссертационных исследований нашли свою реализацию в лекционных курсах, читаемых автором студентам специальности "Управление и информатика в технических системах" Пермского государственного технического университета, в многочисленных публикациях и выступлениях на международных и отечественных конференциях и семинарах.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 17 научных конференциях и совещаниях, в том числе на X Всесоюзной шко-ле-семинар по вычислительным сетям (Тбилиси, 1985), VIII Всесоюзной НТК "Планирование и автоматизация эксперимента в научных исследованиях" (Ленинград, 1986), XIII и XIV Всесоюзных школах-семинар по вычислительным сетям (Алма-Ата, 1988 и Минск, 1989), V Белорусской школе-семинар по теории массового обслуживания (Минск, 1989), Международной НТК " Системы за управлении на технологични процеси в дискретного производства" (Варна, 1989), XV Всесоюзной школе-семинар по вычислительным сетям (Ленинград, 1990), Всесоюзной НТК "Микропроцессорные системы автоматики" (Новосибирск, 1990), Всесоюзной НТК "ИИС-91" (Санкт-Петербург, 1991), Всесоюзной НТК "Распределенные микропроцессорные системы и локальные вычислительные сети" (Томск, 1991), XVI Всесоюзной школе-семинар по вычислительным сетям (Винница, 1991), Всесоюзной НТК "Микросистема^" (Томск-Калининград, 1992), XVII Международной школе-семинар по вычислительным сетям (Алма-Ата, 1992), республиканской НТК "Диагностика, информатика, метрология - 94" (Санкт-Петербург, 1994), республиканской НТК "Состояние и проблемы технических измерений" (Москва, 1994), IV Международной НТК "Региональная ин-форматика-95" (Санкт-Петербург, 1995), XVIII Международной школе-семинар по вычислительным сетям (Украина, Крым, 1995).
Публикации, Основные положения и результаты диссертации изложены в 38 научных работах, в том числе, учебном пособии и трех монографиях.
Структура и объем работ. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, включающего 141 наименование и приложения. Основная часть работы изложена на 217 страницах машинописного текста. Работа содержит 25 таблиц и 43 рисунка. Приложение включает ряд математических выводов, примеры расчетов характеристик АЦП, программы математического моделирования, технологические рекомендации по проектированию, акты внедрения результатов работы.