Введение к работе
Актуальность. Изучение и исследование космического пространства является одной из важнейших проблем современной науки. Все более широкие масштабы приобретает в настоящее время освоение космоса с помощью пилотируемых космических аппаратов. Оно уже приносит большую пользу многим отраслям народного хозяйства.
Основная подготовка экипажей к космическим полетам проводится на тренажерах, представляющих собой сложные и дорогостоящие системы, которые являются практически единственным средством для формирования у экипажей профессиональных навыков по управлению космическим аппаратом и его системами в штатных и предполагаемых нештатных ситуациях. Эффективность и качество подготовки экипажей на тренажерах в значительной мере определяются соответствующими характеристиками моделей бортовых систем пилотируемых космических аппаратов и установленной на нем полезной нагрузки. Основу системы управления современных космических аппаратов составляют бортовые цифровые вычислительные комплексы (БЦВК), которые характеризуются большим объемом программного обеспечения, сложным взаимодействием составных частей при реализации многочисленных алгоритмов управления, разнообразием способов взаимодействия с реальной аппаратурой, возможностью наращивания вычислительных средств и замены версий штатного программного обеспечения.
В связи с этим, исследование проблемы моделирования бортовых цифровых вычислительных комплексов в тренажерах имеет актуальное самостоятельное значение.
В настоящее время существуют два способа моделирования БЦВК в тренажерах: полунатурное и функциональное. До последнего времени в основном применялось полунатурное моделирование (использование штатного БЦВК, использование эмуляторов БЦВМ, реализация штатного программного обеспечения БЦВК на наземных вычислительных средствах).
Проблемная ситуация. Полунатурное моделирование БЦВК обеспечивает высокую степень адекватности реальному изделию, приемлемые сроки разработки модели БЦВК, быструю смену версий штатного программного обеспечения, небольшие затраты на испытания тренажера. Однако его использование существенно ограничивает обучающие свойства тренажера, не позволяя осуществлять приостановку тренировки, оперативный возврат в исходное или любое предшествующее состояние, масштабирование времени; делает невозможным отработку расчетных нештатных ситуаций, связанных с отказами аппаратуры БЦВК; увеличивает время установки начальных условий тренировки и восстановления тренажера при сбоях технических средств и ошибках оператора, что существенно снижает качество тренажера и эффективность подготовки экипажей на нем. Кроме того, использование штатного программного обеспечения БЦВК в тренажере требует избыточного для задач подготовки моделирования управляемых и контролируемых БЦВК бортовых систем.
Технический прогресс в области тренажеростроения в целом направлен в сторону перехода от полунатурного моделирования БЦВК к функциональному (математическому) моделированию, свободному от недостатков полунатурного моделирования. Но без применения специальных инструментальных средств разработки функциональных моделей БЦВК требуются большие затраты на их создание и испытания на соответствие штатным изделиям, сравнимые с затратами на создание штатного программного обеспечения БЦВК. С учетом ограниченного времени создания тренажера этот способ используется при моделировании БЦВК с небольшим объемом программного обеспечения и достаточно простой организацией вычислений.
Научная проблема состоит в разработке методологии создания функциональных моделей БЦВК, под которой будем понимать совокупность принципов, метода, средств и технологии моделирования. Решение данной проблемы предполагается осуществлять на основе формализации описания процесса функционирования БЦВК и автоматизации создания программных моделей БЦВК для тренажеров.
Цель диссертационной работы - разработка математического и программного обеспечения создания функциональных моделей БЦВК для тренажеров пилотируемых космических аппаратов, использование которого позволит сократить сроки создания и модификации моделей БЦВК и повысить эффективность подготовки космонавтов.
Для достижения этой цели в работе поставлены следующие задачи:
1. Исследовать общие принципы моделирования бортовых систем пилотируемых космических аппаратов для тренажеров, методы и средства их разработки и испытания.
2. Провести анализ существующих способов моделирования БЦВК в космических тренажерах, выявить их достоинства и недостатки.
3. Провести анализ методов имитационного моделирования сложных систем с целью определения возможности и целесообразности их применения для моделирования БЦВК.
4. Разработать формализм, позволяющий адекватно описывать процесс функционирования программно-аппаратной платформы БЦВК совместно с выполнением алгоритмов рабочих программ полета.
5. Провести описание и анализ модели дискретного контура управления с применением разработанного формализма.
6. Разработать алгоритмическое и программное обеспечение системы имитации процесса функционирования БЦВК для тренажеров ПКА.
7. Разработать технологию создания модели БЦВК для тренажеров.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертационной работе использовались методы имитационного моделирования, теории множеств, теории графов, теории алгоритмов и теории сетей Петри.
Научная новизна работы определяется тем, что разработаны:
- метод моделирования БЦВК в тренажерах, в котором в качестве формального аппарата для описания БЦВК на уровне процесса функционирования программно-аппаратной платформы и выполнения алгоритмов рабочих программ полета используются модифицированные сети Петри;
- новый формализм - И-сети, разработанные на основе Е-сетей путем введения модификаций, направленных на увеличение мощности моделирования, сокращения объемов сетевых моделей и концептуальной дистанции между моделью и реальной системой, и ориентированные на имитационное моделирование сложных систем;
- набор операций на множестве И-сетей и соответствующие им преобразования структур данных И-сетей, обеспечивающие оперативное изменение И-сетевых моделей, автоматическое построение новых моделей из имеющихся моделей или их частей;
- технология создания моделей БЦВК, в рамках которой разработка модели может вестись параллельно разными группами разработчиков в двух направлениях – создание модели организации вычислительного процесса и создание программ алгоритмов управления.
Практическая значимость работы состоит в том, что в ней разработаны средства имитационного моделирования сложных систем, обеспечивающие:
- быстрое и надежное конструирование модели;
- описание моделируемой системы единым образом на всех уровнях ее рассмотрения;
- интерфейс пользователя на всех этапах проектирования, отладки и реализации модели;
- оперативное внесение изменений в модели системы и внешней среды;
- управление состоянием модели и контроль её функционирования на этапе отладки и в процессе реализации модели;
- открытость системы моделирования, возможность подключения к ней пользовательских программ анализа, как до реализации, так и в процессе реализации модели.
Основные положения, выносимые на защиту:
2. Новый формализм - И-сетей, ориентированный на имитационное моделирование сложных систем, в частности, на моделирование бортовых вычислительных комплексов для тренажеров.
3. Набор операций на множестве И-сетей и соответствующие им преобразования структур данных И-сетей, обеспечивающие оперативное изменение сетевых моделей, автоматическое построение новых моделей из существующих моделей или их частей.
4. Метод моделирования БЦВК в тренажерах, в котором в качестве формального аппарата для описания процесса функционирования программно-аппаратной платформы и выполнения алгоритмов рабочих программ полета БЦВК используются И-сети.
5. Алгоритмические и программные средства системы имитационного моделирования сложных систем на основе И- сетей.
6. Технология создания функциональных моделей БЦВК для тренажеров.
Достоверность полученных результатов обеспечивается методологической обоснованностью использования выбранных методов исследования, а также адекватностью их предмету и задачам исследования, внедрением результатов диссертационной работы в практику.
Внедрение результатов. Основные результаты диссертационной работы использовались в НИИ ЦПК им. Ю.А. Гагарина, в Центре тренажеростроения при разработке тренажеров орбитального комплекса «Мир» и МКС, в ЗАО «РТСофт» при разработке модели системы управления центрифугой ЦФ 18, а также в ФГУП «НИИАО» при разработке модели бортового вычислительного комплекса транспортного пилотируемого корабля «Союз-ТМА» на комплексных тренажерах «ТДК-3» и «ТДК-4», что подтверждается соответствующими актами.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на:
- IV научном семинаре «Методы синтеза и планирования развития структур сложных систем» (Ташкент, 1986 г.);
- ХVШ Всесоюзных Гагаринских научных чтениях по космонавтике и авиации (Москва, 1988 г.);
- НТС ЦПК им. Ю.А. Гагарина в 1989, 1996. 1998. 2001-2009 гг.
- межотраслевой конференции «Тренажеры и имитаторы» (Москва 1988 г.);
- научных чтениях, посвященных разработке научного наследия и развитию идей К. Э. Циолковского (Калуга, 1993, 1994,1997, 1998, 2002, 2004, 2007 гг.);
- научно-техническом семинаре «Технические средства и технологии для построения тренажеров», (Звездный городок, 1994, 1996, 1998 гг.);
- международных научно-практических конференциях «Профессиональная деятельность космонавтов и пути повышения ее эффективности», «Информатизация подготовки и профессиональной деятельности операторов аэрокосмических систем» и «Пилотируемые полеты в космос» (Звездный городок, 1995, 2000, 2009 гг.);
- общественно-научных чтениях, посвященных памяти Ю. А. Гагарина (г. Гагарин, 1996, 1998, 2002, 2003, 2007, 2010 гг.).
Личный вклад. Выносимые на защиту результаты получены соискателем лично. В опубликованных совместных работах постановка и исследование задач осуществлялись совместными усилиями соавторов при непосредственном участии соискателя.
Публикации. Все приводимые в работе материалы основаны на обобщении результатов, содержащихся в 69 публикациях, из которых 32 печатные работы (10 опубликованы в журналах из перечня ВАК), 24 отчета по НИР, 13 программно-методических документов по разработке, испытаниям и эксплуатации тренажеров ПКА.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 175 страниц машинописного текста, включая 44 рисунка, 1 таблицу, список литературы из 170 наименований.
Исследования выполнялись автором в рамках плановых НИР и ОКР, предусмотренных постановлениями Правительства по созданию и обеспечению эксплуатации орбитального комплекса «Мир» и Международной космической станции (постановление № 105-41, № 41 и №238), а также в соответствии с Концепцией Российского космического агентства и Федеральной космической программы РФ. (Раздел 4. Создание образцов космической техники научного и народнохозяйственного назначения. Раздел 7. Содержание и развитие уникальной экспериментальной базы).
