Введение к работе
Актуальность работы. Разработка и эксплуатация современных эсмических аппаратов (КА), на базе которых создаются распределенные істемьі реального времени (СРВ), непосредственно связана с разработкой рограммного обеспечения (ПО), которое функционирует как в контурах іземного комплекса управления (НКУ), так и в бортовых комплексах іравления "(БКУ), выполненных на основе бортовых цифровых ^числительных машин (БЦВМ). В настоящее время в разработке и ссплуатации КА используется сочетание серийных методов с ддивидуальным производством, которое, с одной стороны, характеризуется зісокой степенью унификации базового ПО, инженерных методов и етодик его проектирования, а с другой - применением уникального ПО іаже для КА одного типа).
Процесс эксплуатации и функционирования КА на орбите ігламентируется технологическими циклами управления (ТЦУ), которые іределяют временные и информационные взаимосвязи между отдельными энтурами управления КА, что выражается в установлении периодичности, панируемой длительности и порядка решения задач по обработке нформации и управления КА. В процессе эксплуатации возможно зменение характеристик КА и режимов его функционирования вследствие :хнических неисправностей или изменений в программах целевой работы, го отражается как на составе, так и на алгоритмах управляющего ПО. При :ом в случае выведения КА из нештатных состояний (в соответствии с гштатными ТЦУ) ряд характеристик управляющего ПО, а также процесса "о разработки, в частности, надежность, отказоустойчивость, астродействие, определяет вероятность успешного завершения этой іерации и размер ущерба.
Большое значение на современном этапе среди множества требований к ічеству ПО, методам и методикам его разработки и сопровояодения риобретают такие требования как скорость и стоимостная эффективность ізработки, внешние средства поддержки исполнения, тестирования и іализа, а также доступность методов и инструментальных средств :ирокому кругу специалистов, ответственных за системы управления КА и іхнологические циклы управления в целом.
Таким образом, существует важная народно-хозяйственная задача:
їтоматизация процессов формирования технологии управления КА,
поддерживаемой программным обеспечением распределенных систем управления КА. Для ее успешного решения необходимо разработать модели и методы исследования, отражающие процессы управления КА и позволяющие осуществлять синтез, анализ, коррекцию ТЦУ, учитывать эти факторы в составе моделей и диалоговых процедур, ориентированных на специалистов предметной области.
Исследования, результаты которых вошли в настоящую работу, выполняются в рамках Программы развития системы спутниковой связи и вещания "Россия", принятой решением коллегии Министерства связи Российской федерации №. 4-1 от 14 февраля 1992 г. и в соответствии с концепцией развития средств железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ), одобренной президиумом НТС МПС РФ в октябре 1998г. (протокол № 28 от 7 ноября 1998г.)
Целью настоящей работы является разработка и реализация формального аппарата оптимизации процессов формирования технологических циклов управления космическими аппаратами и мультиверсионного программного обеспечения исполнения задач управления.
Поставленная цель- определила следующие основные задачи исследований:
- анализ реализуемости, коррекция и оптимальное конструирование
ТЦУ КА на основе разработанного комплекса детерминированных и
стохастических моделей;
проведение анализа реальных процессов инженерного программирования ТЦУ, жизненного цикла и проблем проектирования управляющего ПО;
формальное описание постановок оптимизационных задач формирования ТЦУ и поддерживающего их реализацию ПО при сложных алгоритмически заданных целевых функциях и ограничениях;
построение, обоснование и исследование математических методов и алгоритмов решения моделей формирования ТЦУ и мультиверсионного ПО исполнения технологии управления в интерактивном режиме;
программная реализация с использованием современных средств и подходов и внедрение разработанных методов и моделей в системах
автоматизированного формирования ТЦУ и мультиверсионного ПО исполнения технологии управления.
Методы исследования. Системный анализ и методы теории химизации. Методы теории вероятностей. Методы анализа сетей, охастические сети. Теория множеств, комбинаторика и теория графов, [ногоатрибутивные методы принятия решений и методы случайного поиска бинарном пространстве.
Научная новизна работы.
1. Разработана унифицированная сетевая модель для формального
редставления технологических циклов управления КА различных классов.
2. Получены математические модели, обеспечивающие анализ
еализуемости, коррекцию и формирования оптимальных по заданному
сараметру технологических циклов управления КА.
3. Разработаны математические модели и алгоритмы
івтоматизированного формирования программного обеспечения,
юддерживающего реализацию ТЦУ КА, и учитывающие алгоритмически
іаданньїе на комплексе сетевых моделей ограничения и целевые функции
їадач.
4. Предложена аналитическая процедура взаимно однозначного
преобразования многоиндексных бинарных переменных в одноиндексные,
позволяющая свести многоиндексные формальные модели оптимизации
процессов формирования ТЦУ к обычным задачам псевдобулевой
оптимизации.
5. Показана возможность использования традиционных схем
направленного случайного поиска в пространстве булевых переменных.
6. Доказано, что сепарабельные критерии моделей формирования
мультиверсионного ПО являются слабо немонотонными и применение для
их оптимизации регулярного локального поиска имеет быстродействие
порядка 0(п2).
-
Предложен класс регулярных алгоритмов пседобулевой оптимизации имеющих преимущество перед локальным поиском при оптимизации произвольных функций.
-
Формальный аппарат автоматизации процессов формирования ТЦУ реализован в виде интерактивной системы с использованием современных сред и подходов.
Практическая ценность. Разработанные в диссертации модели и алгоритмы формирования ТЦУ КА применены при проектировании высоконадежного ПО систем управления. Созданные на их базе в составе
САПР управления движением системы автоматизации формирования ПО сокращают сроки и снижают стоимость разработки, увеличивают надежность и улучшают сопровождение ПО. Надежностное формирование ПО ТЦУ КА позволяет решать новые задачи по качественной оценке и быстрому восстановлению системы ПО при оптимальной избыточности программ. В рамках целеориентированного подхода к программированию ТЦУ КА упрощается организационно-технологическая схема разработки ПО путем замены промежуточных этапов формализации и кодирования авторскими процедурами, причем разработка осуществляется силами специалистов по управлению КА.
Реализация результатов работы. При непосредственном участии автора диссертации выполнены х/д НИР, в ходе которых разработана и передана в составе САПР управления движением объекта (КрЖД, г. Красноярск) программная система диалогового формирования ПО ТЦУ системы управления перевозочным процессом. Комплекс программ модельного обеспечения ТЦУ применяется при разработке и реализации автоматизированного комплекса технической диагностики. Материалы диссертационной работы введены в учебные курсы и используются при чтении лекций для студентов Красноярского государственного технического университета и Сибирской аэрокосмической академии. Эти материалы нашли отражение в монографии "Технология надежностного программирования задач автоматизации управления в технических системах", г. Красноярск, НИИ СУВПТ и НИИ ИПУ, 2000 г., написанной в соавторстве с ИТТДавыдовым и А.С.Приваловым, а так же в учебном пособии на английском языке "Data envelopment analysis", г.Красноярск, НИИ СУВПТ и СИБУП, 2000г., написанном в соавторстве с Е.Моргуновым.
Основные тезисы, выносимые на защиту.
-
Задачи анализа реализуемости, коррекции и конструирования оптимальных технологических циклов управления КА формализуются в виде оптимизационных детерминированных и стохастических задач, базирующихся на сетевых моделях ТЦУ КА.
-
Предложенная аналитико-оптимизационная процедура позволяет решать указанные задачи на основе комбинаций алгоритмического
обеспечения методов случайного поиска и методов анализа сетей в интерактивном режиме.
3. Для задач формирования состава ПО ТЦУ КА разработан комплекс
моделей, учитывающий сложные алгоритмически заданные ограничения и
:левые функции на сетевых моделях и отражающий надежностный фактор О при одно- и многофункциональном исполнении..
4. Разработанное алгоритмическое обеспечение позволяет эффективно
;шать однокритериальные задачи автоматизированного формирования
ЦУ и мультиверсионного ПО реализации технологии управления.
5. Предложенный формальный аппарат автоматизированного
ормирования ТЦУ КА и пакет "NVS Designer" применимы для
втоматизации проектирования широкого класса сложных информационно-
правляющих систем, построенных на принципах методологии
[ультиверсионного программирования.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы прошли сестороннюю апробацию на всероссийских и международных юнференциях, научных семинарах и научно-практических конференциях. В ом числе, на всероссийской конференции "Гагаринские чтения" (Москва, .996 г.), на международной AMSE конференции ССМ'99 (Santiago de Zompostela, Испания, 1999), так же на международной конференции 'Optimization Days" (Монреаль, Канада, 1997).
Основные положения диссертации и отдельные результаты іокладьівались на семинарах кафедры СА и ИО Сибирской аэрокосмической жадемии (1995-2000), кафедры САУП Красноярского государственного технического университета (1997-2000), кафедре Системного анализа Дортмундского университета (Германия, 1998-1999).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 78 наименований.