Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Задачи и принципы построения тренажерных систем
1.1. Основные задачи ироль тренажерной техники в повышении уровня профессиональной подготовки операторов 17
1.2. Классификация и принципы построения тренажерных систем 21
1.3. Основные требования, предъявляемые к средствам тренажирования операторов центров управления полетами КА 27
1.4. Принципы построения и структура тренажерного комплекса подготовки операторов ЦУП КА 30
1.5. Методология модельного представления процесса имитации динамики функционирования подсистем КА 38
1.6. Выводы по ГЛАВЕ 1 47
ГЛАВА 2. Имитация процесса функционирования сложной системы с позиций объектно-ориентированного подхода
2.1. Объектное представление имитационных моделей подсистем сложной технической системы 48
2.2. Е-сетевой метод моделирования систем с распределенными параметрами. 55
2.3. Параллелизм функционирования логически разделенных подсистем сложной системы при Е-сетевом моделировании 61
2.4. Е-сетевой метод моделирования параметрической реконфигурации сложных технических систем : 67
2.5. Сохранение и восстановление состояния Е-сетевой модели при имитации функционирования физического объекта 71
2.6. Выводы по ГЛАВЕ 2 77
ГЛАВА 3. Применение е-сетей в задачах имитации функционирования систем реального времени
3.1. Моделирование динамики функционирования сложных систем в реальном времени 78
3.2. Временное масштабирование имитируемых процессов при Е-сетевом моделировании 85
3.3. Интерфейс взаимодействия оператора и инструктора с имитационной моделью 89
3.4. Диспетчеризация процесса функционирования сложной системы при Е-сетевом моделировании 93
3.5. Синхронизация событий в Е-сетях 97
3.6.Выводы по ГЛАВЕ 3 102
ГЛАВА 4. STRONG Построение и апробация имитатора логики функционирования подсистем КА
STRONG 4.1. Структура КА и выбор основных подсистем для имитации функционирования КА „ 103
4.2. Декомпозиция подсистем КА из базового набора с помощью S ADT-технологий... 110
4.3. Разработка библиотеки Е-сетевых моделей подсистем КА из базового набора 122
4.4. Построение программной системы тренинга операторов ЦУП на основе библиотеки Е-сетевых моделей подсистем КА 133
4.5. Апробация программной системы тренинга операторов ЦУП КА 138
4.6. Выводы ПО ГЛАВЕ 4 154
Заключение 155
Список литературы 157
Акт внедрения 163
- Основные задачи ироль тренажерной техники в повышении уровня профессиональной подготовки операторов
- Методология модельного представления процесса имитации динамики функционирования подсистем КА
- Объектное представление имитационных моделей подсистем сложной технической системы
- Е-сетевой метод моделирования систем с распределенными параметрами.
Введение к работе
Актуальность проблемы.
В настоящее время спутниковые системы ретрансляции и связи становятся все более распространенными вследствие того, что предоставляют потенциальным потребителям возможность оперативного получения необходимой им информации. Спутниковые системы ретрансляции и связи являются автоматическими, либо полуавтоматическими системами, что подразумевает удаленное управление космическим аппаратом (КА). Управление КА ведется из центра управления полетами (ЦУП), который является составной частью наземного комплекса управления (НКУ) КА. В состав НКУ входят также системы организации каналов связи с КА, терминальные пульты управления, системы жизнеобеспечения и поддержания работоспособности штатного состава НКУ КА.
Основной штатной единицей НКУ КА является оператор, в обязанности которого входят: анализ телеметрической информации (ТМИ), поступающей с борта КА и характеризующей работоспособность его подсистем; выработка адекватных действий на штатные и внештатные ситуации, возникающие в процессе эксплуатации КА; ручное управление функционированием подсистем КА в рамках заданного списка радиокоманд (РК). Как правило, от точности действий оператора зависит стабильность функционирования КА в целом. Поэтому существенную роль в обеспечении работоспособности и повышения ресурсоемкости КА играет уровень подготовленности операторов ЦУП КА. Для теоретической и практической подготовки операторов ЦУП КА разрабатываются тренажерные системы, обеспечивающие на профессиональном уровне процесс обучения и контроля полученных знаний.
Все существующие тренажерные системы можно разделить на натурные, полунатурные и программные эмуляторы реального объекта, подлежащего изучению. В настоящее время разработка и построение натурных и полунатурных тренажерных комплексов обучения операторов ЦУП КА экономически неоправданны, так как их конструкция подразумевает наличие программно-аппаратных модулей реально функционирующих КА. Современные методы построения тренажерных систем, основанные на использовании высокоскоростных вычислительных комплексов, позволяют осуществить эмуляцию процесса функционирования подсистем КА в
реальном времени на уровне генерации псевдореальной ТМИ. Так как оператор оценивает функционирование подсистем КА на основе ТМИ, поступающей с борта КА, и воздействует на его подсистемы с помощью заранее определенной совокупности РК можно получить алгоритм взаимодействия оператора и реально функционирующей системы, который в дальнейшем может быть реализован программно. В настоящее время программные тренажерные системы получили наибольшее распространение по сравнению с натурными и полунатурными при решении задач исследования влияния внешних факторов на функционирование сложной системы, а также для обучения операторов управления сложными техническими объектами.
Основой любой программной тренажерной системы является программный имитатор динамического функционирования реального объекта, адаптацию к управлению которым требуется осуществить в течении обучения оператора на тренажере. В процессе разработки программных имитаторов функционирования подсистем КА возникает множество задач, зачастую неразрешимых с помощью стандартных языков и методов программирования. В частности, можно выделить ряд аспектов, таких как функционирование тренажерной системы в реальном, замедленном и ускоренном масштабах времени; многоплатформенность и многофункциональность применения конечной разработки; затраты на проектирование, внедрение, эксплуатацию и модернизацию тренажерной системы; экономический эффект, До настоящего времени построение программных имитаторов было основано на использовании математических функциональных зависимостей между основными параметрами реальной системы и создании на их основе конечного программного продукта, использующего фиксированный набор алгоритмов, реализующих параметрические преобразования. Рассмотренные концепции построения программных имитаторов привели к появлению программных продуктов, предназначенных для использования в конкретных задачах выбранной целевой области использования. Как правило, конечный программный продукт, предоставляемый пользователю, не подлежит модификации и для его использования требуется конкретный тип ЭВМ. Модернизация таких тренажерных систем требует вмешательства программиста-проектанта, что, в свою очередь, оценивается большими временными и материальными затратами, а зачастую и вовсе невозможно.
Актуальность диссертационной работы определяется существующей потребностью построения программных имитаторов на базе набора" стандартных модулей, обеспечивающих построение максимально возможного набора тренажерных систем в минимальный временной интервал и с минимальными материальными затратами без участия программ иста-проектанта. Существующие методы построения имитационных систем не позволяют разработать библиотеку простых программных модулей, и на основе этой библиотеки, создавать программный имитатор путем синтеза отдельных модельных компонент. Кроме того, отсутствие стандартных методов взаимодействия программного имитатора с пользователем тренажерной системы требует разработки методов динамического воздействия пользователя на имитационный процесс в реальном времени.
В силу выше изложенного следует отметить, что в настоящее время существует потребность в новых методах построения систем имитации динамики функционирования подсистем КА, обеспечивающих простоту конечной разработки, наличие возможности модификации конечным пользователем структуры имитатора в зависимости от поставленных задач, а также временное масштабирование имитационного процесса. Кроме того, существует потребность в разработке новых методов взаимодействия пользователя и тренажерной системы в процессе проведения тренинга, а также в последующие моменты для оценки результатов тренировочного процесса.
Цель работы. Создание новых методов и развитие известных теоретических основ имитации динамики функционирования сложных управляемых динамически реконфигурируемых систем и разработка на этой основе новых методов и методологии построения тренажерных комплексов обучения операторов ЦУП КА, обеспечивающих процесс тренинга в режиме временного масштабирования и динамического взаимодействия пользователя с имитационной системой в процессе тренинга.
Основные задачи диссертационной работы, определяемые
сформулированной выше целью, состоят в следующем:
1. Разработка методологии модельного представления процесса имитации динамики функционирования подсистем КА с помощью аппарата Е-сетей;
Разработка метода имитационного моделирования непрерывных процессов взаимодействия внутренних компонент систем с распределенными параметрами с помощью аппарата Е-сетей;
Разработка механизма привязки модельного времени к реальному, а также введение коэффициента временного масштабирования в процессе динамического функционирования программного имитатора. Введение коэффициента временного масштабирования позволяет осуществлять имитацию в ускоренном и замедленном масштабах времени;
Разработка метода синтеза отдельных модельных компонентов сложной системы в единую Е-сетевую имитационную модель;
Разработка механизма трансформации значений внутренних параметров динамической имитационной модели в псевдореальную ТМИ;
Разработка методики оценки функциональных возможностей программных тренажерных комплексов и апробация программной тренажерной системы обучения операторов ЦУП КА, созданной на основе разработанных методов.
Научная новизна. Основным результатом диссертации является создание методов и разработка на их основе методологии построения имитаторов сложных управляемых динамически реконфигурируемых систем, которые в совокупности с методом привязки модельного времени к реальному и механизмом трансформации результатов работы динамической модели в псевдореальную ТМИ позволяют построить программный тренажерный комплекс обучения операторов ЦУП КА.
Новые научные результаты и основные положения, представленные к защите, сводятся к следующему.
Разработана новая методология модельного представления процесса имитации динамики функционирования подсистем КА. Данная методология отличается способом представления предметной области моделирования, основанного на введении метасвойств объектного представления Е-сетевой модели и описания иерархической структуры подсистем предметной области в виде базового набора объектов.
Предложен новый метод моделирования непрерывных процессов систем с распределенными параметрами, заключающийся:
а. в расширении свойств позиции-очереди базового набора Е-сетевого аппарата;
b. в разработке алгоритма и. введении новых функций преобразования атрибутов позиции-очереди; с. в организации предложенного режима функционирования Е-сетевой модели на основе позиции-очереди, использующего ее новые свойства, которые позволяют осуществить имитацию динамики функционирования систем с распределенными параметрами.
Предложены новые принципы взаимодействия динамически функционирующей имитационной модели с внешней средой. Предложенные принципы позволяют обеспечить динамическое взаимодействие пользователя с имитационным процессом, а также практически реализовать имитацию влияния внешних факторов на параметрическую реконфигурацию имитационной модели в процессе ее функционирования.
Предложен метод привязки модельного времени к реальному с заложенным принципом масштабирования. На основе данного метода разработан алгоритм преобразования физических величин, функционально зависимых от реального времени. Разработанный алгоритм позволяет осуществить имитацию функционирования сложной системы в замедленном масштабе времени, а также в режиме ускорения, что является необходимым в задачах тренинга операторов ЦУП КА.
Расширен базовый набор типов элементарных Е-сетей за счет введения синхронного перехода. Введение синхронного перехода позволяет решить проблему возникновения тупиковых ситуаций при изменении маршрута движения фишки в процессе функционально-параметрической реконфигурации, осуществляемой в реальном времени.
Предложен метод формирования вектора мгновенного состояния динамически функционирующей имитационной модели, на основе которого разработан механизм трансформации результатов работы динамической имитационной модели в псевдореальную ТМИ.
Практическая значимость работы. Представленные в диссертационной работе результаты представляют собой новый информационно-методологической подход к имитации динамики функционирования сложных управляемых динамически реконфигурируемьгх. систем, позволяющий реализовать концепции объектно-ориентированного моделирования в задачах построении программных тренажерных
комплексов: обучения операторов ЦУП КА, что, в свою очередь, позволяет разрабатывать принципиально новые модели тренажеров на основе базового набора имитационных моделей без участия специалиста-проектанта.
Создана базовая библиотека Е-сетевых моделей, обеспечивающая возможность построения имитатора КА из ее компонентов и позволяющая осуществить построение принципиально новой тренажерной системы на основе синтеза модулей из своего состава.
Апробирован программный тренажерный комплекс обучения операторов ЦУП КА, построенный на основе базовой библиотеки Е-сетевых моделей. Результаты работы использованы в НПО ПМ г.Железногорска в рамках проекта построения тренажерного комплекса обучения обслуживающего персонала КА класса «SESAT».
Реализация результатов работы. Реализация результатов работы осуществлена в разработке и создании: средств моделирования и имитации функционирования подсистем КА в реальном масштабе времени; аппаратуры преобразования модельных отчетов в телеметрическую информацию; опытных образцов тренажерного комплекса. Работа выполнялась в рамках хоздоговорных работ по следующим тематикам: "Разработка программно - управляемого имитатора телеметрической информации", "Разработка и поставка программно-аппаратных средств приема и обработки телеметрической информации", "Разработка и поставка имитационного программно-аппаратного комплекса", заключенных с НПО ПМ, "Теоретические и экспериментальные исследования принципов синтеза и применения динамически настраиваемых сетевых имитационных моделей процессов функционирования структур БКУ в интересах КА связи народно-хозяйственного назначения", заключенным с ЦНИИМАШ.
Апробация диссертационной работы
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: Международной научно-технической конференции «XXII гагаринские чтения», проходившей в Москве в 1996 году; Международной научно-технической конференции "Спутниковые системы связи и навигации" (Красноярск 1997); русско-корейских интернациональных симпозиумах (Корея 1997, Новосибирске 1998, Корея 2001); Международной конференции по проблемам управления (Москва 1999); Международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов» (Новочеркасск 1999); Международной научно-
технической конференции «Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров» (Пенза 1999); Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск 2002); на научных семинарах кафедры «Автоматики и компьютерных систем» Томского политехнического университета.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 22 статьи и тезисов докладов.
Основные результаты опубликованы в следующих работах.
Цапко С.Г., Барковский А.Н., Цапко Г.П. Моделирование динамических процессов в многоконтурных системах управления. /МНТК «Технологии и системы сбора, обработки и представления информации». - Рязань, 1995. - стр, 46-47
Цапко С.Г., Барковский А.Н., Цапко Г.П. Исследование систем стабилизации с параметрической обратной связью методом Е-сетевого моделирования. /МНТК «Технологии и системы сбора, обработки и представления информации». - Рязань, 1995. - стр. 47
Цапко С.Г., Барковский А.Н. Моделирование подсистем космического аппарата с помощью Е-сетей / МНТК «XXII гагаринские чтения». - Москва, 1996. -стр. 60-61
Цапко С.Г. Обеспечение достижимости при Е-сетевом моделировании сложных систем /«3-я НТК студентов, аспирантов и молодых ученых». - Томск, 1997. - стр. 93-94
Цапко С.Г., Цапко Г.П.. Е-сетевой метод имитации логики функционирования сложных управляемых систем. /Международная научно-техническая конференция и выставка "Спутниковые системы связи и навигации". — Красноярск, 1997. - стр. 24
Tsapko G.P., Dmitrieva Е.А., Barcovsky A.N., Tsapko S.G. The Object-Oriented Approach at Development The Simulating Models of Complex System /Korea-Russia International Symposium on Science and Technology Poster Session ME : Mechatronics/Electronic Engineering. - Korea: University of Ulsan Republic of Korea, 1997.-page 58
Barcovsky A.N., Danilenko D.N., Tsapko S. G. E-nets Tool for the Riliability Problems /Korea-Russia International Symposium on Science and Technology Poster
Session ME : Mechatronics/Electronic Engineering. - Korea: University of Ulsan Republic of Korea, 1997.-page 60
Tsapko S.G. The E-Network Method of Imitation of Complex Dynamically Reconfigured System Functioning /Korea-Russia International Symposium on Science and Technology Poster Session ME : Mechatronics/Electronic Engineering. - Korea: University of Ulsan Republic of Korea, 1997. - page 59
Цапко С.Г. Метод Е-сетевого моделирования логики функционирования подсистем космического аппарата. /Международная конференция "Информационные средства и технологии". - Москва, 1997. - стр.15
Tsapko S.G. E-net method of object-oriented modeling complex dynamically changing system structure /Abstract of the second Russian-Korean international symposium on science and technology Poster Session ME : Mechatronics/Electronic Engineering. -Tomsk, 1998.-page 263
Цапко С.Г. Методология построения имитационных моделей динамики функционирования сложных реконфигурируемых систем с позиций объектно-ориентированного подхода в реальном масштабе времени /Международная конференция по проблемам управления. - Москва, 1999. - стр. 270-271
Барковский А.Н., Цапко С.Г. Об условиях достижимости в Е-сетях. /Межвузовский научно-технический сборник «Кибернетика и ВУЗ». - Томск, 1999. -стр. 75-82
Цапко Г.П., Цапко С.Г. Метод модельного представления адаптивных динамически реконфигурируемых систем в задачах создания тренажеров и имитации функционирования космического аппарата. /Научно-технический сборник «Трансфертные технологии в информатике» под редакцией Погребного В.К. - Томск, 1999. - стр.28-30
Цапко С.Г. Об одном расширении сетей Петри. /Научно-технический сборник «Трансфертные технологии в информатике» под редакцией Погребного В.К. - Томск, 1999. - стр. 102-103
Цапко С.Г. Применение SADT-технологии и сетевых методов статистического моделирования в тренажеростроении. /11-ая Международная научно-техническая конференция «Новые технологин управления движением технических объектов». - Новочеркасск, 1999. - стр. 23-25
Цапко С.Г. Математическая модель имитации динамики функционирования сложных технических систем в реальном времени. Л1-ая Международная научно-техническая конференция «Новые технологии управления движением технических объектов». - Новочеркасск, 1999. - стр. 25-26
Цапко С.Г. Применение сетей Петри для имитации функционирования сложных систем с заложенным принципом резервирования. /Международная научно-техническая конференция «Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров». - Пенза, 1999.-стр. 111-113
Цапко С.Г. Программный имитатор динамики функционирования сложной технической системы в режиме реального времени. /Международная научно-техническая конференция «Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров».-Пенза, 1999.-стр. 113-115
Tsapko S.G.. Operational use of the vehicle of E-net simulation for imitation of dynamics of operation of subsystems of a space vehicle in real time. /Korea-Russia International Symposium on Science and Technology Poster Session ME : Mechatronics/Electronic Engineering. -Tomsk, 2001. - page ...
Цапко С.Г. Е-сети с приоритетами. /IV-ая Всероссийская научно-техническая конференция «Новые информационные технологии. Разработка и аспекты применения».-Таганрог, 2001.-стр. 23-25
Цапко С.Г. Минимизация Е-сетевого графа модельного представления динамических реконфигурационных систем. /НТК студентов, молодых ученых и специалистов «Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании». - Рязань, 2002. - стр. 4-5
22. Цапко С.Г. Объектно-ориентированный подход к модельному
представлению блочной структуры космического аппарата. /Международная НПК
студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». -
Томск, 2002. - стр. 170-172
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и 6 приложений. Она изложена на 163 страницах машинописного текста, включает 65 рисунков, список литературы из 92 наименований и дополнена приложениями на 28 страницах.
В первой главе рассмотрены основные задачи и обоснована роль тренажерной техники при подготовке операторов управления сложными техническими системами.
Приведена классификация существующих тренажерных систем в соответствии со спецификой их применения.- Проведен анализ нормативных документов, регламентирующих порядок проведения тренировочных занятий операторов ЦУП КА, и на основе проведенного анализа определены основные требования, предъявляемые к средствам тренажирования. Раскрыты принципы построения тренажерного комплекса подготовки операторов ЦУП КА, а также показана его структура с учетом специфики целевой области использования. Приведены основные положения методологии модельного представления процесса имитации динамики функционирования подсистем КА, структурно описывающая основные этапы построения программного имитатора КА.
Во второй главе обоснована необходимость использования объектно-ориентированного подхода при построении программного имитатора любой сложной системы. Обоснован выбор аппарата Е-сетевого моделирования в качестве формализма, обеспечивающего возможность решения задач построения тренажерных комплексов. Раскрыты основные положения Е-сетевого метода моделирования систем с распределенными параметрами и доказана необходимость построении программного имитатора КА на основе данного метода. Представлен метод Е-сетевого моделирования взаимодействующих процессов, позволяющий решить задачу параллелизма функционирования логически разделенных подсистем сложной системы при Е-сетевом моделировании. Доказана необходимость использования Е-сетевого метода моделирования параметрической реконфигурации сложных технических систем. Приведен алгоритм сохранения и восстановления состояния Е-сетевой модели при имитации функционирования физического объекта в процессе имитации и постимитационном режиме.
В третьей главе рассмотрены задачи, возникающие в процессе моделирования динамики функционирования сложных систем в реальном времени. Доказана необходимость наличия аппарата временного масштабирования при построении программных тренажерных комплексов. Представлен вариант решения задачи временного масштабирования для реализации тренажерной системы операторов ЦУП КА. Приведены основные концепции построения функций, обеспечивающих процесс взаимодействия оператора и инструктора с имитационной моделью в реальном времени. Доказана необходимость наличия программного модуля диспетчеризации процесса функционирования сложной системы при Е-сетевом моделировании и
представлен алгоритм его функционирования. Раскрыта проблема синхронизации событий в Е-сетях и показаны варианты ее решения. Расширен базовый набор типов элементарных Е-сетей за счет введения синхронного перехода, позволяющего решить проблему возникновения тупиковых ситуаций при изменении маршрута движения фишки в процессе функционально-параметрической реконфигурации, осуществляемой в реальном времени.
В четвертой главе приведена структура КА, выбранного для целей исследования, а также обоснован выбор основных подсистем для имитации функционирования КА. Показана дефрагментация выбранных подсистем КА на более простые подсистемы, которые формируют базовый набор, в соответствии с основными положениями методологии модельного представления процесса имитации динамики функционирования подсистем КА. Представлена библиотека Е-сетевых моделей подсистем КА базового набора. На основе Е-сетевых моделей, составляющих базовый набор модельных компонентов, построен имитатор динамики функционирования подсистем КА, который в свою очередь является основным компонентом системы тренинга операторов ЦУП КА. Представлены результаты апробации системы тренинга в трех режимах функционирования: при отсутствии воздействий оператора и инструктора; при отсутствии воздействия только инструктора; при взаимодействии оператора, инструктора и имитационной модели, а также наличии внешних факторов.
Заключение содержит перечень основных научных и практических результатов, полученных в диссертационной работе.
Основные задачи ироль тренажерной техники в повышении уровня профессиональной подготовки операторов
При разработке современных сложных автоматизированных комплексов и систем возникает множество задач, среди которых наиболее трудоемкой является задача обеспечения высокой эффективности взаимодействия человека с автоматизированной частью системы.
Оператор принимает, как правило, наиболее сложные и ответственные решения по управлению объектом, причем от правильности его действий, умения своевременно найти и реализовать верное в сложной ситуации решение зависит не только эффективность выполнения задач, возлагаемых на управляемый технический объект, но в ряде случаев целостность самого объекта и безопасность людей. Основные причины аварий - неверные действия операторов вследствие ограниченного практического опыта и недостаточной профессиональной подготовки.
Повышение роли операторов, связанное с необходимостью управления все более усложняющимися динамическими объектами, остро ставит проблему совершенствования методических и технических средств профессионального отбора и подготовки операторов. Одним из наиболее эффективных средств формирования и развития знаний и профессиональных навыков, необходимых оператору в реальных условиях деятельности, являются тренажеры [48,19].
В общем случае тренажер представляет собой специализированный комплекс технических средств, обеспечивающий искусственное воспроизведение условий и факторов, аналогичных тем, которые имеют место в процессе работы оператора по управлению реальным объектом.
Имитация условий работы оператора осуществляется, как правило, на основе использования рабочего места оператора, интерьер которого в возможно более полной степени соответствует интерьеру реального объекта. Динамика поведения объекта и логика функционирования его систем моделируется вычислительным устройством, а полнота воспроизведения внешних условий обстановки обеспечивается имитаторами визуальной обстановки,.имитаторами средств связи. Это позволяет имитировать в требуемом объеме весь процесс деятельности оператора и, следовательно, производить отработку необходимых навыков по управлению объектом в целом или его отдельными системами.
Преимуществами тренажеров являются: высокая экономичность; малые временные затраты на обучение; возможность всестороннего контроля процесса обучения; широкие вариации условий и ситуаций в тренировочных упражнениях; возможность «замораживания» условий, повторения и изменения временного масштаба (замедления или ускорения) тренировочного упражнения; независимость от метеоусловий; безопасность [69].
В процессе проектирования движущихся объектов тренажеры используются для оценки различных вариантов предложенных конструктивных решений, а также вариантов систем управления ими. Они позволяют выявить критические режимы, свойственные разрабатываемому аппарату, опасные угловые положения, а также вскрыть свойства движущегося объекта, таящие нежелательные последствия при эксплуатации. На тренажере могут быть отработаны варианты отказов систем управления и оборудования, а также нештатные ситуации. Тренажеры позволяют сократить до минимума или даже исключить подготовку операторов на реальных движущихся объектах, сократить расходы на подготовку и повысить уровень профессионализма операторов.
В зависимости от назначения на тренажеры могут возлагаться самые различные задачи: первоначальное обучение операторов, их переучивание и тренировки по поддержанию навыков, профессиональный отбор, решение задач проектирования, исследования оборудования и систем управления объектов, отработка методик управления ими, а также методик и программ обучения операторов.
Подготовка операторов к управлению сложными динамическими объектами в современном представлении - это поэтапный, управляемый и контролируемый процесс. Анализ общих задач профессиональной подготовки операторов позволяет выделить две основные функции, которые должны быть реализованы в каждом тренажере:
- моделирование условий работы оператора;
- обучение оператора со стороны инструктора-методиста и контроль действий обучаемого. Для определения задач, связанных с моделированием условий работы оператора, требуется провести анализ этапов деятельности оператора при решении задач управления реальным объектом, которые можно представить в следующем виде.
Первый этап - восприятие информации - процесс, включающий в себя операции обнаружения объекта, восприятия, выделения в объекте отдельных признаков, отвечающих стоящей перед оператором задаче; ознакомления с выделенными признаками и опознания объекта восприятия.
Второй этап - оценка информации, ее анализ и обобщение на основе заранее заданных или сформированных в процессе обучения критериев оценки. Оценка производится путем сопоставления воспринятой информационной модели со сложившейся у оператора внутренней образ но-концептуальной моделью процесса.
Третий этап - принятие решения о действиях - акт, формируемый на основе проведенного анализа информационной и образно-концептуальной моделей обстановки.
Четвертый этап - исполнение принятого решения посредством определенного действия или отдачи соответствующих распоряжений.
Пятый этап - контроль за результативностью исполнения принятого решения. Первые два этапа представляют информационный поиск, последние три объединяются понятием обслуживания. В реальной работе оператора информационный поиск и обслуживание взаимообусловлены, так как от принятого решения зависит направление следующего шага информационного поиска. В свою очередь, результаты информационного поиска оказывают влияние на точность и скорость обслуживания. Все эти этапы необходимо наиболее полно воспроизвести на тренажере [19,21, 22].
Методология модельного представления процесса имитации динамики функционирования подсистем КА
Использование систем автоматизированного проектирования и автоматизированного производства постоянно расширяется. Успех данных систем непосредственно зависит от способности предварить их разработку и внедрение описанием всего комплекса проблем, которые необходимо разрешить, указанием того, какие функции системы должны быть автоматизированы, определением точек интерфейса человек-машина и того, как взаимодействует система со своим окружением. SADT - одна из самых известных и широко используемых систем проектирования. Описание системы с помощью SADT называется моделью. В SADT моделях используются как естественный, так и графический языки. Для передачи информации о конкретной системе источником естественного языка служат люди, описывающие систему, а источником графического языка - сама методология SADT. Графический язык SADT обеспечивает структуру и точную семантику естественному языку модели. Графический язык SADT организует естественный язык вполне определенным и однозначным образом, за счет чего SADT и позволяет описывать системы, которые до недавнего времени не поддавались адекватному представлению. Основные положения SADT-технологии представлены в [51].
В соответствии с основными принципами SADT-технологии была описана методология процесса имитации динамики функционирования подсистем КА, которая заключается в следующем: предметная область системы представляется в виде многоуровневой иерархической структуры модулей. Разбиение системы на функционально-законченные модули выполняется в соответствии с принятым уровнем детализации при описании исследуемой системы. Каждый модуль представляется в виде отлаженной модели. Процесс синтеза моделей состоит из трех этапов: содержательного описания, построения формализованной схемы и разработки математической модели. На основании данных положений разработана методика представления подсистем КА в виде формализованных модельных описаний. Вопросы моделирования системы рассматриваются с позиций объектно-ориентированного подхода к формированию базового набора моделей.
В зависимости от целей исследования пользователь-проектант системы выбирает из базового набора нужные компоненты и определенным образом их синтезирует. Для каждого компонента им задаются значения переменных моделирования и условия их использования в данной конфигурации в зависимости от функционального назначения каждого компонента. При синтезе, автоматически, еще до проведения моделирования, определяются целевые установки исследований, необходимые результаты. Представление моделей в виде объектов базового набора позволяет синтезировать модели в терминах предметной области и использовать их в различных исследованиях. При этом структура и функциональное назначение моделей базового набора остаются неизменными. Описанная выше методология далее представлена в виде IDEF-диаграмм [83]. Создание IDEF-модели начинается с построения диаграммы А-0 (рис.1.5Л), которая определяет контекст всей модели, то есть очерчивает границы взаимодействия модели с ее внешним окружением посредством описания внешних интерфейсов процесса.
Внешние интерфейсы представлены дугами, входящими в блок и выходящими из него. Они показывают обмен данными и объектами процесса с его внешним окружением. В данной модели это: техническое задание, средства поддержки моделирования, информация о предметной области, параметрическая и телеметрическая информация, документальный отчет по эксперименту, выводы, разработчики и пользователи.
Диаграмма А1, представленная на рисунке 1.5.2 декомпозирует блок АО на подфункции и является первым и наиболее важным выражением точки зрения IDEF-модели,
Основными функциями диаграммы АО являются: системный анализ предметной области, создание базового набора объектно-ориентированных имитационных моделей подсистем КА, верификация имитационных моделей в динамике, эксперименты с имитационной моделью. Особенностью предложенной методологии является то, что для представления процесса имитации динамики функционирования подсистем КА создается базовый набор объектно-ориентированных имитационных моделей, при помощи которого пользователь-специалист в предметной области создает и эксплуатирует имитационные модели, не касаясь при этом абстрактной математики выбранного языка моделирования. Все обращения к модели происходят в терминах предметной области.
Возможности базового набора ограничены применимостью его только для имитации динамики функционирования подсистем конкретного КА, а также возможностями, которые заложены разработчиками моделей базового набора. Однако при возникновении необходимости, эти возможности могут быть расширены путем усовершенствования моделей базового набора или путем создания новых.
Диаграмма, декомпозирующая блок А1 (рисЛ-5,3) (системный анализ предметной области) описывает процесс создания операционных моделей и формирования целей исследований.
Результатом декомпозиции блока А2 является представленная на рисунке 1.5.4 диаграмма, на которой отображены этапы создания базового набора объектно-ориентированных имитационных моделей подсистем КА. Создание базового набора -это процесс многоступенчатой формализации информации о предметной области.
Объектное представление имитационных моделей подсистем сложной технической системы
Построение математической модели непосредственно для сколько-нибудь сложного объекта требует немалого искусства. Зачастую «барьер сложности», когда человек не в состоянии мысленно охватить всевозможные переплетения событий и явлений процесса функционирования моделируемой системы, или соображения рентабельности приводят к тому, что создание модели оказывается практически нецелесообразным. Одним из способов преодоления «барьера сложности» является расчленение объекта на достаточно простые части и изучение частей с учетом их взаимодействия [12].
Любая сложная техническая система (СТС) предполагает наличие следующих пяти основных признаков.
1- Сложность часто представляется в виде иерархии. Сложная система обычно состоит из почти взаимонезависимых подсистем, которые в свою очередь также могут быть разделены на подсистемы, и т.д., вплоть до самых низших уровней абстракции. Под абстракцией в данном случае понимается фокусирование внимания на существенных, неотъемлемых аспектах сущности и игнорирование ее случайных или второстепенных для заданной цели рассмотрения свойств
2, Сложные системы не просто иерархичны: уровни их иерархии отражают различные уровни абстракции, вытекающие друг из друга, но обладающие при этом определенной степенью автономности,
3. Все составляющие одного уровня абстракции взаимодействуют друг с другом вполне определенным способом. На каждом уровне существуют четкие границы между внешней и внутренней средой. Все подсистемы работают вместе для обеспечения функционирования всей системы как целого, и почти не осуществляют взаимодействия с элементами других подсистем. Т.е. существует четкое разделение функций между элементами на различных уровнях абстракции. 4. Иерархические системы обычно состоят из нескольких подсистем разного типа, реализованных в различном порядке и в разнообразных комбинациях.
5. Работающая сложная система неизбежно является результатом развития работающей простой системы. В процессе развития системы объекты, которые сначала считаются сложными, начинают рассматриваться как элементы низших уровней абстракции, из которых затем строятся более сложные системы.
Понятие сложной системы интуитивно ассоциируется с объектом, состоящим из большого числа элементов и подсистем с разветвленными многоуровневыми связями и сложным взаимодействием между ними. Кроме того, представляется достаточно очевидным, что сложная система способна выполнять сложную функцию. Для того чтобы задать сложную систему, необходимо представить описание всех ее элементов и описание взаимодействия между элементами [58, 67, 68].
Под объектом понимается активный процесс, получающий сообщения и изменяющий свое внутреннее состояние в зависимости от полученного сообщения, специфицирующего выполняемую объектом операцию [12]. Модельное описание какой-либо подсистемы определяется в данном случае как объект или логическое единство, определяемое, в свою очередь, содержанием выполняемых операций обработки в соответствии с принятым уровнем детализации рассмотрения данной части предметной области. Считается, что объект состоит из внутренней памяти и набора операций, причем над внутренней памятью могут выполняться операции только этого набора. Объект может реагировать на определенную совокупность сообщений. Сообщение выражает запрос на выполнение указанных в нем операций. При этом указывается вид операций и необходимые для выполнения аргументы, а каким образом они должны выполняться в сообщении не отражается. Характер выполнения операций определяется объектом, получающим сообщение. Сообщение является единственным средством инициирования операций над объектом. Принимающий данное сообщение объект должен содержать механизм, который будет опознавать сообщение, выбирать соответствующие ему операции и передавать содержащиеся в сообщении аргументы для выполнения. Набор выполняемых операций объекта можно менять в зависимости от условий применения объектов. Состояние объекта (значения переменных экземпляра) запоминается после того, как объект перестает быть активным, и может быть использовано в дальнейшем. Из вышеизложенного следует, что объект - это логически законченный модуль, изменяющий свое-внутренне состояние, отражаемое вектором выходных параметров и зависящее от вектора входных воздействий. Для достижения целей математического моделирования требуется представить объекты материального мира в виде их л оги ко-математического описания для последующего использования в ходе модельного эксперимента. В качестве аппарате математического моделирования предложено использовать аппарат Е-сетей, как наиболее подходящий для описания семантики строения и взаимодействия объектов.
Е-сетевой метод моделирования систем с распределенными параметрами.
Окружающий мир, присущий человеческому сознанию, содержит материальные ценности, имеющие четырехмерную структуру: трехмерную систему координат, а также координату времени. Любой процесс, протекающий во времени, подразумевает наличие трехмерной составляющей, отражающей протекающий процесс. Например, вода, поступающая по трубам от источника к потребителю, имеет несколько состояний, распределенных во времени. В практике имитационного моделирования данный процесс будет рассматриваться как дискретный, а состояние воды будет определяться параметрами точек в трехмерной системе координат, соответствующие шкале отсчета в системе времени [78].
При Е-сстевом моделировании любой системы с распределенными параметрами возникает вопрос о дискретизации непрерывного сигнала и точности моделирования, в соответствии с чем, выбираются методы и средства моделирования. Под системой с распределенными параметрами в данном случае понимается система, основой которой является однородная материя, распределенная в пространстве, В процессе изменения временной координаты дискретные части материальной составляющей однотипно изменяют свое состояние, в зависимости от внешних воздействий. В каждый момент времени каждая дискретная составляющая материи системы с распределенными параметрами может иметь значение отличное от соседних дискретных составляющих данной материи. Следовательно, систему с распределенными параметрами можно рассматривать в виде набора дискретных участков, распределенных в пространстве, параметрически отличных друг от друга и параметрически изменяемых во времени.
Аппарат Е-сетевого моделирования, является наиболее подходящим для отображения динамики протекающих процессов в системах с распределенными параметрами. За основу моделирования в данной работе предложено принять позицию-очередь, отражающую участок системы с однородными изменениями параметров среды. Например, воздействие температурного фактора окружающей среды на трубопровод от источника к потребителю. Из [58, 31, 32] следует, что для оценки функционирования сложной системы требуется произвести контроль заданных параметров на выбранном участке системы. Предположим, что всю материю (в данном случае воду), движущуюся по трубопроводу, можно разделить на N равных частей, каждая из которых будет характеризовать дискретную часть материи моделируемой среды- Фишка (Ф_і), поступившая на вход моделируемого участка (переход ТІ), схематическое представление которого показано на рис, 2,2,1а, отражает состояние среды до выбранного участка. Очередь Q1 содержит N фишек, соответствующий набор атрибутов каждой из которых отражает состояние среды в дискретной точке моделируемого участка. Материя среды имеет конечную скорость движения VM, а моделируемый отрезок реальной системы конечную длину L и реальный диаметр сечения D. Тогда усредненная скорость V есть скорость движения потока теплоносителя через единицу площади. Следовательно, любая фишка, вошедшая в очередь Q1 должна появиться на выходе очереди через интервал времени, определяемый из выражения (2.2Л).
Принцип построения любого аппарата имитационного моделирования [14, 15] основан на тактировании действий в процессе имитационного эксперимента. Аппарат Е-сетевого моделирования так же является тактируемым, что подтверждается наличием такта моделирования- Значит, привязка срабатывания позиции-очереди может осуществляться только к модельному времени. Срабатывание позиции очереди невозможно осуществить в конкретные моменты реального времени. Однако можно осуществить операцию копирования атрибутов фишек в очереди, а граф Е-сетевой модели построить таким образом, чтобы условие срабатывания позиции-очереди выполнялось каждый такт модельного времени. В таком случае можно реализовать возможность появления на выходе очереди через заданное количество единиц реального времени фишки, атрибуты которой соответствуют атрибутам входной фишки. Для выполнения данного условия требуется ввод функций, позволяющих производить копирование атрибутов фишек, принадлежащих очереди. Были разработаны функции копирования атрибутов фишек в очереди справа налево (время прохождения частицы реальной материи моделируемого участка больше времени нахождения фишки в позиции очереди) и слева направо (время прохождения частицы реальной материи моделируемого участка меньше времени нахождения фишки в позиции очереди). Рассмотрим использование данных функций на примере моделирования процесса циркуляции жидкости (воды) в трубках известного диаметра, назначение которой - охлаждение поверхности каких-либо греющихся агрегатов.
Для начала требуется оценить возможность использования данного метода для обеспечения процесса имитации. Должно выполняться условие конструктивного подобия трубы, по которой циркулирует жидкость, хотя бы на интервале, являющемся прототипом для имитационных исследований. Предположим, что данный участок можно описать константами, определяющими длину L и диаметр D трубы на данном участке.
Предположим, что очередь Q1 содержит N фишек. Следовательно, в процессе моделирования параметрическая характеристика жидкости на данном участке будут представлена N различными значениями, что идентично разбиению данного участка на N частей и рассмотрению жидкости в каждой из N частей как единого целого, имеющего свои уникальные характеристики. Требуется отметить тот факт, что при увеличении значения N увеличивается точность моделирования. Но увеличение значения N увеличивает время цикла работы всей имитационной модели, так как в процессе срабатывания разработанных функций выполняется перебор всех атрибутов фишек, принадлежащих очереди.
