Введение к работе
Актуальность проблемы. Современный этап развития систем железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ) характеризуется все более широким использованием микроэлектронной, микропроцессорной и компьютерной техники для их построения. Разработаны, прошли опытную эксплуатацию и внедряются микроэлектронные и микропроцессорные системы интервального регулирования движения поездов, централизации стрелок и сигналов, диспетчерские централігзации и другие системы обеспечения безопасности движения поездов.
Существующие СЖАТ, связанные с обеспечением безопасности движения поездов, построены с использованием реле первого класса надежности. Такой принцип построения не требовал применения специальных методов доказательства безопасности этих систем. Безопасность современных микроэлектронных СЖАТ должна быть, по крайней мере, не ниже безопасности существующих систем. Применение для их построения элементов с симметричными отказами ставит задачу разработки специальных методов и процедур доказательства безопасности. Учитывая сложность таких СЖАТ, доказательство безопасности возможно только с использованием методов машинного моделирования. Поэтому весьма актуальной является задача разработки методов построения моделей обнаружения опасных отказов и сбоев микроэлектронных СЖАТ.
Существенный вклад в теорию и практику создания надежных-вычислительных систем, обладающих заданными свойствами, внесен работами Авит жениса А., Лапри Ж.К., Хопкинса А.Л., Северека Д.П., Фишера М., Феннера В., Окимуры И., Стрелова X., Христова Х.А.
Значительное число функций, реализуемых в микропроцессорных СЖАТ, являются управляющими, что позволяет представить алгоритм управления конечным автоматом. При синтезе управляющих систем, обладающих заданными свойствами, важное значение имеет формализация процессов синтеза. Вопросы анализа и синтеза управляющих автоматов подробно рассмотрены в трудах Рогинского В.Н., Сагаловича Ю.Л., Поспелова Д.А., Лазарева В.Г., Пийля Е.И., Сапожникова В.В., Сапожникова Вл. В.
В области разработки теории безопасности перевозочного процесса на железнодорожном транспорте и построения безопасных СЖАТ на микроэлектронной элементной базе значителен вклад Лисенкова В.М., Сапожникова В.В., Сапожникова Вл. В., Шелухина В.И., Белякова И.В., Гавзова Д. М., Василенко М. Н., Шалягина Д. В., Иванченко В. Н., Кравцова Ю.А., Розен-берга Е.Н., Модина Н.К. и др.
К отказам микроэлектронных СЖАТ могут привести и сбои элементов системы при воздействии различных электромагнитных помех. Существен-
2 ный вклад в решение проблемы электромагнитной совместимости (ЭМС) микроэлектронных СЖАТ внесен работами Костроминова А.М., Бочкова К.А., Красногорова А.А., Кустова В.Ф.
Значительно ускорить и удешевить процесс испытаний на безопасность микроэлектронных схем автоматики позволяет их предварительное моделирование на ЭВМ. При этом можно получить достоверную и точную информацию о наличии в СЖАТ опасных отказов и сбоев, идентифицировать отказавшие элементы, причины отказа, смоделировать работу устройства под действием различных видов помех и обнаружить "слабые" по электромагнитной совместимости (ЭМС) места испытываемой аппаратуры. Кроме того, предварительное моделирование на ЭВМ позволяет решать и задачу синтеза безопасных систем путем оперативного изменения схемы и структуры системы для устранения опасных отказов и сбоев.
Наибольшие результаты в области доказательства безопасности микроэлектронных СЖАТ достигнуты учеными кафедры "Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте" ПГУ ПС. Вместе с тем, при практическом применении известных алгоритмов проверки условий отсутствия опасных отказов в дискретных устройствах ЖАТ приходится сталкиваться с трудностями, связанными с ограничениями моделей. Ограничения заключаются в необходимости представления функциональных модулей на уровне логических вентилей, что приводит к росту числа элементов, обрабатываемых при моделировании, и к увеличению времени проверки.
Поэтому актуальной является проблема разработки методов, позволяющих моделировать системы, состоящие из базовых элементов различной степени сложности. При этом должны сохраняться общие алгоритмы проверки устройств, не зависящие от их элементной базы. Для этого модель должна обладать свойствами, позволяющими подключать новые библиотеки базовых элементов без дополнительной доработки программного обеспечения. Использование таких методов моделирования позволит автоматизировать процесс создания модели по принципиальным схемам исследуемых устройств, снять ограничения по элементной базе моделируемых систем, использовать прошедшие проверку модули в качестве базовых элементов более сложных систем, снизить требования к ресурсам ЭВМ и уменьшить время проверки за счет уменьшения числа элементов модели.
Связь работы с научными программами. Работа выполнялась в рамках "Комплексной автоматизированной системы управления хозяйством сигнализации, связи и вычислительной техники" (АС Ш), выполнявшейся по заказу ЦШ МПС РФ, научно-исследовательской темы Министерства образования РБ №ГР19972312 "Теоретическое обоснование и разработка проекта создания сертификационной лаборатории по электромагнитной совместимости".
Целью диссертации является разработка формализованных методов, алгоритмов и программ построения моделей систем обеспечения безопасности движения поездов, позволяющих проверять микроэлектронные схемы на отсутствие опасных отказов и сбоев, обнаруживать отказы и сбои элементов устройств автоматики и реализующих поиск отказавших элементов с точностью до функционального модуля. В соответствии с указанной целью в работе поставлены и решены следующие задачи:
построение обобщенной формализованной модели функционирования СЖАТ;
создание модели обнаружения опасных отказов и сбоев в микроэлектронных СЖАТ;
разработка алгоритмов и программ проверки условий отсутствия опасных отказов и сбоев в микроэлектронных СЖАТ;
разработка алгоритмов и программ обнаружения отказов и сбоев в работе устройств железнодорожной автоматики.
Объект и предмет исследования. В качестве объекта исследования выступают микроэлектронные системы железнодорожной автоматики и телемеханики, связанные с обеспечением безопасности движения поездов. Предметом исследования является разработка методов построения моделей микроэлектронных систем обеспечения безопасности, позволяющих проверять схемы на отсутствие одиночных и кратных опасных отказов и сбоев, обнаруживать отказы и сбои элементов устройств автоматики и реализующих поиск отказавших элементов с точностью до корпуса микросхемы на основе использования современного аппарата теории автоматов.
Методология и методы проведенного исследования. Для решения поставленных в диссертации задач использовались методы теории конечных автоматов, теории алгоритмов и имитационного моделирования, матриц, графов, объектно-ориентированного программирования, технической диагностики. Методология исследования базируется на системном подходе к построению моделей функционирования сложных систем и методе декомпозиции.
Научная новизна и значимость полученных результатов заключается в следующем:
разработана обобщенная формализованная модель функционирования СЖАТ, которая отличается от известных моделей более простым представлением связей в структурных автоматах за счет использования свойств обобщенной переходной системы;
дано определение и показана возможность представления функционирования СЖАТ в виде обобщенной переходной системы;
доказана теорема о существовании трехмерной матрицы переходов обобщенной переходной системы при условші, когда все множества состояний счетны;
на основе доказанной теоремы разработаны принципы построения и алгоритмы синтеза моделей обнаружения опасных отказов и сбоев устройств СЖАТ по принципиальным схемам, методы и алгоритмы поиска опасных состояний микроэлектронных СЖАТ;
разработаны методы и алгоритмы синтеза модели функционирования устройств станционной автоматики, обеспечивающие более высокую защищенность данных и надежность программного обеспечения по сравнению с известными методами за счет использования методов объектно-ориентированного программирования.
Практическая значимость полученных результатов. Разработанные в диссертации методы позволяют: осуществлять проверку микроэлектронных СЖАТ на отсутствие в них опасных состояний, ускорить разработку и сертификацию новых микроэлектронных СЖАТ, повысить эффективность обнаружения опасных отказов и сбоев в микроэлектронных системах железнодорожной автоматики, снизить затраты времени и средств на контроль правильности их функционирования в процессе эксплуатации, уменьшить время восстановления системы после отказа. Результаты диссертации доведены до уровня практического использования.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы были использованы:
при разработке аппаратно-программного комплекса сменного инженера дистанции сигнализации и связи с контролем состояния устройств автоматики, телемеханики и связи;
при разработке программы и методики проведения испытаний на безопасность и ЭМС аппаратуры управления станцией Барановичи-Северная.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
функционирование СЖАТ с точки зрения обнаружения отказов и сбоев можно представить с помощью обобщенной переходной системы;
трехмерная матрица переходов обобщенной переходной системы существует, если все множества состояний описываемой СЖАТ счетны;
на основании доказанной теоремы существования матрицы переходов обобщенной переходной системы разработаны принципы построения и алгоритмы синтеза модели обнаружения опасных отказов и сбоев устройства СЖАТ по его принципиальной схеме, отличающиеся от известных использованием трехмерной матрицы для описания взаимодействия элементов системы. Методы и алгоритмы поиска опасных состояний микроэлектронных СЖАТ, базирующиеся на таких моделях, позволяют осуществлять проверку микроэлектронных СЖАТ на отсутствие в них опасных состояний, повысить гибкость программного обеспечения и его независимость от элементной базы моделируемого объекта;
5 v разработанные методы и алгоритмы синтеза модели функционирования устройств станционной автоматики обеспечивают более высокую защищенность данных и надежность программного обеспечения по сравнению с традиционными методами, позволят повысить эффективность обнаружения опасных отказов в микроэлектронньгх системах железнодорожной автоматики, снизить затраты времени и средств на контроль правильности их функционирования в процессе эксплуатации, уменьшить время восстановления системы после отказа.
Личный вклад соискателя. Разработка принципов построения и алгорит
мов синтеза модели обнаружения опасных отказов и сбоев устройств СЖАТ
на базе обобщенной переходной системы, создание методов и алгоритмов
поиска опасных состояний микроэлектронных СЖАТ с использованием
предложенных моделей, методов и алгоритмов синтеза модели функциони
рования устройств автоматики была выполнена лично соискателем. Теорема
о существовании трехмерной матрицы переходов обобщенной переходной системы при условии, когда все множества состояний счетны, доказана под руководством к.ф.-м.н., профессора Русакова С.А.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на:
конференции математиков Беларуси, г. Гродно, (29 сентября - 2 октября 1992 г);
международной научной практической конференции "Проблемы повышения функциональной и экономической устойчивости работы транспортного
комплекса и его кадрового обеспечения в условиях рынка". Гомель,
БелИИЖТ, 1993 г.;
международной школе-семинаре "Перспективные системы управления на
железнодорожном, промышленном и городском транспорте". Харьков,
ХарГАЖТ, 1995 г.;
международном симпозиуме по ЭМС, Вроцлав, 1996 г.;
международной научно-практической конференции "Проблемы безопасности на транспорте". Гомель, БелГУТ, 1997 г.
на заседаниях кафедр "Высшая математика" БелГУТа, 1992 - 199 гг., "Микропроцессорная техника и информационно-управляющие системы" БелГУТа, 1995 -1998 гг., "Автоматика и телемеханика" БелГУТа, 1998 г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 печатных работ, из них доклад на международном симпозиуме, две статьи в сборнике научных трудов и шесть тезисов докладов. Общее количество опубликованных материалов составляет 43 страницы.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, общей характеристики работы, четырех глав, заключения, списка литератур* **Р ры, включающего 107 наименований, и приложений. Работа содержит 148
страниц основного текста, 34 рисунка, 46 таблиц, 7 приложений на 44 страницах.