Введение к работе
Актуальность темы.
Развитие науки, техники и технологий неизбежно ведет к созданию сложных технические объектов (СТО) для которых характерно: наличие большого числа компонентов; сложный характер их взаимодействий; сложность выполняемых функций; многоуровневое(иерархическое) построение.
В состав СТО обязательно входят информационно-измерительные и управляющие системы (ИИУС СТО), которые обеспечивают: сбор измерительной информации о состоянии СТО и внешней среды; преобразование информации (принятие решения); формирование управляющих воздействий (исполнение решения).
Усложнение функций, возложенных на СТО, повышение требований к качеству их выполнения, необходимость учета взаимодействий локальных процессов, повышение порядка и сложности математических моделей и др. существенно усложняют задачу обработки данных. При этом СТО должны рассматриваться не только как многомерные, но и как многосвязные.
Примерами могут служить автоматизированные производства, сложные оптические и энергетические установки, телекоммуникационные системы, исполнительные системы роботов, объекты металлургического производства (прокатные станы, сталеплавильные печи и др.), объекты с изменяющимися свойствами; тренажерные и моделирующие стенды и т.п.
В таких СТО многосвязность проявляется в наличии перекрестных связей, за счет которых управляющее воздействие, поданное на любой из входов, изменяет несколько выходов, что приводит, как правило, к невозможности применения централизованного управления на основе единой цели и алгоритма, обеспечивающего наилучшее (или допустимое) значение показателя эффективности.
Более конструктивным (при современном уровне развития науки и техники) является подход децентрализации, при котором функции обработки данных распределяются между несколькими, взаимодействующими между собой и с СТО, центрами обработки данных (узлами, устройствами).
Организационная структура ИИУС СТО при этом усложняется и часто оказывается многоуровневой и распределенной (РИИУС СТО), в которой между некоторыми парами узлов ИИУС присутствуют отношения соподчинения.
При этом центры управления верхних (командных) уровней, реализуя более сложные алгоритмы обработки данных, получают измерительную информацию от узлов РИИС нижних уровней в некотором обобщенном (усредненном) виде. По этой причине скорости протекания процессов обработки данных на двух соседних уровнях в большинстве случаев могут различаться в десятки раз.
Цели (задачи) для узлов обработки данных нижних уровней, как правило, простейшие: регулирование значений управляемых переменных СТО в соответствии с предписанными (со стороны верхних уровней) законами их изменения во времени.
При этом центры обработки данных верхних уровней решают более сложные задачи, связанные с координацией, адаптацией подчиненных им подсистем нижних уровней и с оптимизацией режимов работы СТО. Определение числа уровней, а также необходимого числа узлов (центров) обработки данных на каждом уровне в составе подсистемы обработки данных, распределение между ними целей обработки данных, определение
алгоритмов их достижения - вот характерные проблемы, возникающие при разработке РИИУС СТО с децентрализованной (распределенной) обработкой данных.
Многоуровневый подход к организации подсистемы обработки данных создает предпосылки для разбиения процесса проектирования РИИУС СТО на ряд последовательных этапов. При этом при разработке алгоритма обработки данных для некоторого уровня обычно возможна идеализация нижних уровней, при которой считают, что их цели управления достигаются быстро и точно, а информационные воздействия со стороны верхнего уровня «замораживаются», либо имеют некоторый типовой вид.
Как уже отмечалось, РИИУС входят в состав различных СТО, поэтому актуальной задачей является разработка общих подходов к их проектированию, что обеспечит удешевление процесса проектирования, повысит надежность и качество самих систем.
Современные распределенные информационно-измерительные и управляющие системы (РИИУС) широко применяются в современном производстве, особенно в такой области как гибкое автоматизированное производство (ГАЛ) в связи с усложнением алгоритмов технологических процессов.
От РИИУС ГАП во многом зависит эффективность работы гибкой производственной системы. Рассредоточение вычислительной мощности по различным уровням и блокам РИИУС ГАП позволяет уменьшить потоки информации, сократить общее время обработки, повысить надежность систем, обеспечить гибкость построения структур и программ обработки информационных потоков.
Однако, в целом, задача построения структуры РИИУС ГАП в целом недостаточно проработана. Существующие методики анализа и синтеза структур РИИУС ГАП и алгоритмов обмена информацией либо требуют больших вычислительных мощностей, либо не позволяют найти наилучший вариант. Необходима систематизация и обобщение структур и алгоритмов работы современных РИИУС ГАП, а также разработка и представление материала, являющегося базой для повышения эффективности РИИУС ГАП.
Проведенный анализ показал, что в настоящее время однозначного решения по использованию той или иной методологии для построения РИИУС не существует, хотя можно отметить работы Горшкова А.Ф., Гарипова В.К., Ядыкина И.Б., Слепцова В.В. Промышленность предлагает не только сотни видов различного оборудования от множества производителей, но и ряд принципиально отличающихся подходов к решению создания РИИС ГАП.
Важнейшей сферой применения РИИУС являются телекоммуникационные системы.
В последнее десятилетие на МГТС активно приступили к модернизации, в основе которой - переход к цифровым системам передачи. Изменения произошли в системе связей между станциями, образовании узлов, а самое главное в иерархии сети, а именно технических аспектах, определяющих её облик. В настоящее время создана структура двухуровневой сети, в которой созданы волоконно-оптические кольца огромной пропускной способности. Она состоит из транспортной и абонентской сети связи. Сейчас сама сеть и связи между мультиплексорами - полностью цифровые.
Абонентская сеть доступа состоит из трёх основных элементов: абонентского терминала; автоматической телефонной станции; абонентской линии, которая подключается в АТС через интерфейс взаимодействия.
Развитие глобальных информационных структур, включающих фиксированную и мобильную связь, Интернет и новые инфокоммуникационные услуги оказывают
огромное влияние на структуру и алгоритмы установления соединений в традиционных телефонных сетях. Особый интерес здесь представляют различные методы и алгоритмы обработки и сжатия информации - в этой области следует отметить работы Коновалова Г.В., Желнова В.А., Иванова А.Б., Лагутина B.C., однако разнообразие подходов создает трудности при проектировании телекоммуникационных систем.
В массовом производстве особенно остро стоит проблема 100%-ного контроля продукции непосредственно в условиях технологического процесса. При этом на первое место выдвигаются требования увеличения производительности, степени автоматизации, достоверности контроля, его надежности и точности. К числу методов контроля, отвечающих большинству указанных требований, относятся электромагнитные, оптические, акустические, радиоволновые и др. методы. К показателям качества объектов относятся форма объекта, его физические свойства, состояние всей поверхности, включая краевые зоны, электрофизические свойства материала, из которого оно изготовлено и т.д.
Создание автоматизированных производств, внедрение в промышленность робототехнических комплексов, автоматических обрабатывающих центров и т.д. должно сопровождаться разработкой и созданием адаптивных информационно-измерительных и управляющих систем объектов контроля и диагностики, способных обеспечить не только выявление дефектов, но и их измерение, т.е. обладать функциями дефектометрии, определить место и причину возникновения брака с целью объективной оценки дефектности объектов. Созданию приборов и ИИУС неразрушающего контроля посвящены работы Шатерникова В.Е., Шкатова П.Н., Клюева В.В.
Оптические управляемые системы в последнее время привлекают внимание разработчиков новой техники в связи с их способностью формировать сигналы с заданными свойствами, управляя фазой излученного или принятого сигнала. Основными элементами адаптивных информационно-измерительных и управляющих оптических систем (АИИУОС) являются преобразователи света, управляющие фазой световой волны путем создания динамически изменяющихся разностей хода лучей, проходящих через систему. В создании таких систем принимали участие Аполлонов В.В., Прохоров A.M., Безуглов Д.А., Колесников А.П., работы которых позволили создать основы теории обработки оптических сигналов, однако в настоящее время остро стоит задача автоматизации работы АИИУОС путем совершенствования алгоритмов их работы.
Диссертационная работа посвящена решению актуальной проблемы создания распределенных информационно-измерительных и управляющих систем таких сложных технических объектов как элементы гибкого автоматизированного производства (гибкий автоматизированный участок или линия), адаптивные зеркала, телекоммуникационных систем связи, разработке новых методов оптимизации таких систем, совершенствованию методов обработки данных измерений и сжатия информации.
Целью диссертационной работы является разработка методологических основ и принципов построения распределенных информационно-измерительных и управляющих систем сложных технических объектов, базирующаяся на современных технологиях, новых технических решениях и высокоэффективных технологиях обработки сигналов и оптимизации структур для улучшения их технических и эксплуатационных характеристик, а также создание новых действующих образцов таких систем, реализующих предлагаемые технические решения и методы.
Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:
-
Сформулированы принципы построения обобщенных математических моделей сложных технических объектов с многоуровневым представлением и изменяющимися свойствами.
-
Проведен анализ математических методов описания сложных технических объектов с изменяющимися свойствами и разработаны методы, позволяющие проводить анализ и синтез структур и алгоритмов работы распределенных информационно-измерительных и управляющих систем сложных технических систем.
-
Разработаны методы оптимизации структур и алгоритмов функционирования распределенных информационно-измерительных и управляющих систем гибкого автоматизированного производства по критерию максимального быстродействия.
-
Проанализированы и усовершенствованы методы передачи и обработки данных в мультисервисных распределенных информационно-измерительных и управляющих системах телекоммуникации и связи.
-
Разработаны алгоритмы обработки информации и управления информационно-измерительных и управляющих систем адаптивной оптики.
-
Предложены принципы выделения информации о дефектах и разработаны алгоритмы работы информационно-измерительных и управляющих систем контроля объектов с изменяющимися свойствами в активном и пассивном режимах.
-
Проведен анализ существующих средств контроля и диагностики электронной аппаратуры и разработан метод анализа эффективности комплексного контроля телекоммуникационных сетей.
-
Созданы программно-аппаратные средства, повышающие эффективность работы разработанных методов, систем и алгоритмов.
Методы исследований. Для достижения решения поставленных задач в качестве аппарата исследований использованы: теория систем, топология, теория графов, теория информации и передачи сигналов, теория массового обслуживания, теория автоматического управления, теоретическая электротехника, электроника и микропроцессорная техника, теория вероятностей и математическая статистика, прикладная комбинаторика, тензорный анализ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Предложен принцип построения обобщенных математических моделей сложных
технических объектов с многоуровневым представлением и изменяющимися свойствами,
позволяющий наиболее полно учитывать информацию о составе объекта и структуре
связей между его информационными параметрами и функциональными звеньями.
-
Разработан метод оптимизации структур и алгоритмов работы распределенных информационно-измерительных и управляющих систем, основанный на использовании математического метода парных замещений, позволяющий исследовать любые структуры распределенных информационно-измерительных и управляющих систем сложных технических объектов с высокой точностью и быстродействием.
-
Разработан алгоритм оптимизации коммутации потоков данных в распределенных информационно-измерительных и управляющих системах, позволяющий минимизировать среднее время ожидания при передаче данных.
4. Разработаны алгоритмы сжатия данных на основе модифицированного
дискретного косинусного преобразования и функций Крестенсона, требующие
значительно меньшего количества вычислительных операций по сравнению с известными,
и позволяющие повысить степень сжатия данных при сохранении необходимой точности.
5. Разработан алгоритм сжатия многоканальных данных на основе мультивейвлетных функций, с улучшенной локализацией в пространстве и более эффективной аппроксимацией.
7. Разработаны принципы выделения информации о дефектах и разработаны
алгоритмы работы информационно-измерительных и управляющих систем контроля
объектов с изменяющимися свойствами в активном и пассивном режимах
-
Предложен метод оптимизации характеристик формируемого оптического сигнала при управлении адаптивным зеркалом, позволяющий поддерживать максимальный уровень разрешающей способности зеркала в режиме реального времени.
-
Разработан метод анализа эффективности комплексного контроля телекоммуникационных сетей.
Практическая ценность работы заключается в том, что предложенные принципы и методы позволили осуществить построение эффективных алгоритмов работы распределенных информационно-измерительных и управляющих систем с многоуровневым представлением сложных технических объектов с изменяющимися свойствам.
Разработанные алгоритмы и вычислительные методы доведены до практической реализации. В частности, разработанные в работе метод оптимизации структур и алгоритм оптимизации коммутации потоков данных позволили организовать процедуры оптимизации структур, передачи и обработки данных в распределенных информационно-измерительных системах гибких автоматизированных производств, что обеспечило своевременную проработку вопросов построения структуры распределенных информационно-измерительных систем гибких автоматизированных производств еще на этапе ее проектирования.
Алгоритмы сжатия данных с применением модифицированного дискретного косинусного преобразования, дискретного преобразования на основе функций Крестенсона и дискретное преобразование на основе мультивейвлетных функций внедрены на предприятии ОАО «Центральный научно-исследовательский технологический институт» в распределенных информационно-измерительных системах сборочных робототехнических комплексов КСП-3.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования были использованы также при разработке и внедрении распределенных информационно-измерительных систем различных изделий ракетно-космической техники.
Разработанный метод оптимизации характеристик формируемого оптического сигнала использован в распределенных информационно-измерительных системах управления адаптивной оптикой на автономных подвижных объектах.
Разработанные принципы выделения информации о дефектах и алгоритмы работы информационно-измерительных и управляющих систем контроля объектов с изменяющимися свойствами в активном и пассивном режимах использованы при разработке и изготовлении опытного образца компьютеризированного измерителя глубины трещин «ЗОНД ИГТ» и устройства «Контакт-03», контролирующего качество электрических соединений.
Во всех перечисленных работах автор принимал личное участие в качестве ответственного исполнителя.
Использование научных результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждено актами о внедрении, выданными предприятиями: ОАО «Центральный научно-исследовательский технологический институт», ОАО «НИИ космического приборостроения», ОАО «Лыткаринский завод оптического стекла».
Результаты диссертационной работы использовались в учебном процессе при подготовке инженеров и специалистов высшей квалификации.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на кафедре «Приборы и информационно-измерительные системы» Московского государственного университета приборостроения и информатики, в ОАО ЦНИТИ, на 5-ти Международных и Всероссийских научных конференциях и семинарах, в том числе Всероссийской НИК «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» в г.. Новокузнецк, Международной НИК «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения и информатики» в г. Сочи, Международной НТК «Инновационные технологии в науке, технике и образовании» (ИНВАЦФОРМ - 2007) в г. Кемер (Турция), Международном НТС «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации» в г. Алушта (Украина), Международной НТК «Информационные технологии и моделирование приборов и техпроцессов в целях обеспечения качества и надежности» в г. Хургада (Египет), Всероссийской НТК «Информационные системы и модели в научных исследованиях, промышленности и экологии» в г.Тула.
Личный вклад автора
Основные научные результаты, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. В работах, выполненных в соавторстве, соискателю принадлежит ведущая роль в постановке задач, выборе и обосновании методов их решения, интерпретации полученных результатов.
Публикации. Основные положения диссертационной работы и результаты научных исследований отражены в 28 научных публикациях (6 без соавторов), в том числе 6 монографиях, 10 статьях по перечню ВАК РФ. Результаты научных исследований отражены также в трудах 5-ти международных и Всероссийских научных конференциях и семинарах.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и заключения, списка литературы из 155 наименований, приложения. Объем диссертационной работы составляет 310 машинописных страниц, включая 56 рисунков и 12 таблиц.
