Содержание к диссертации
Введение
1. Проектирование микропроцессорных систем диспетчерского управления движением поездов 8
1.1. Особенности современных систем диспетчерского управления движением поездов 8
1.2. Моделирование процесса проектирования 13
1.3. Методы планирования и организации процесса проектирования программного обеспечения 20
1.4. Выводы по 1 главе 31
2. Качество технологии проектирования систем диспетчерского управления 33
2.1. Основы построения технологии и проблема повышения ее эффективности 33
2.2. Применение системного подхода к оценке качества проектирования 36
2.3. Качество обработки данных при проектировании 53
2.4. Сетевое моделирование технологического процесса проектирования 70
2.5. Выводы по 2 главе 88
3. Методы синтеза программного обеспечения систем диспетчерского управления 90
3.1. Проблема обеспечения надежности программных средств 90
3.2. Вариационное проектирование программного обеспечения 95
3.3. Применение координатной модели при автоматизированном проектировании программного обеспечения 124
3.4. Выводы по 3 главе 135
4. Техническая реализация современных систем диспетчерского управления движением поездов 138
4.1. Сравнительный анализ вариантов технической реализации 138
4.2. Принципы построения и аппаратной реализации 142
4.3. Анализ методов технической модернизации 148
4.4. Перспективы развития диспетчерского управления движением поездов
4.5. Выводы по 4 главе 165
Заключение 166
Литература
- Моделирование процесса проектирования
- Применение системного подхода к оценке качества проектирования
- Применение координатной модели при автоматизированном проектировании программного обеспечения
- Анализ методов технической модернизации
Моделирование процесса проектирования
Диспетчерское управление движением поездов в традиционном понимании обеспечивается системами ДЦ, электрической централизации (ЭЦ) на станциях и автоблокировки (АБ) на перегонах, причем на системы ЭЦ и АБ возлагаются функции по обеспечению безопасности движения поездов.
Вместе с тем, известно [12], что переход к программируемой элементной базе в системах ДЦ дает возможность их увязки с любыми типами ЭЦ без существенных проектных и строительно-монтажных работ. Также не обязательным стало строительство АБ на перегонах, контроль свободности которых при внедрении ДЦ может быть обеспечен значительно более дешевыми средствами, такими как системы контроля на основе счета осей. Изменившиеся условия требуют переоценки результатов ранее проводимых исследований эффективности ДЦ.
Согласно [68] система ДЦ представляет собой систему телемеханики и вычислительной техники для централизованного диспетчерского управления стрелками, сигналами и другими объектами станций диспетчерского участка. Системы диспетчерского управления движением поездов (СДУ) -представляют собой совокупность технических средств автоматики, телемеханики, вычислительной техники и связи, программного и информационного обеспечения для диспетчерского управления перевозочным процессом на технологически обоснованных полигонах железных дорог.
Современная СДУ должна обеспечивать возможность регулирования движения поездов на укрупненных диспетчерских кругах при значительной интенсивности движения поездов. При концентрации управления движением поездов в центрах управления перевозками (ЦУП) целесообразно внедрять высокопроизводительные и эффективные средства передачи информации, ее обработки и отображения, включающие в себя базы данных, средства моделирования и прогнозирования возможных изменений поездной ситуации, автоматизированные рабочие места (АРМ) диспетчерского персонала. Объектами управления и контроля для ДЦ являются локальные системы автоматики на станциях и перегонах, с которыми непосредственно связаны устройства линейных пунктов (ЛП) системы ДЦ [96].
В настоящие время существует ряд систем ДЦ, внедряемых на сети железных дорог России и СНГ. Это объясняется тем, что: - существующие и эксплуатируемые системы ДЦ типа ЧДЦ, «Нева» и «Луч», разработанные в 60-70-х годах, устарели как технически, так и морально, они не могут удовлетворить все требования, предъявляемые к ним обладают высокой материало и энергоемкостью, низкой информативностью и надежностью. - к системам ДЦ должны предъявляться требования по обеспечению безопасности движения поездов. Традиционно системы ДЦ выполнялись как устройства телемеханики, не выполняющие практически никаких логических функций, обеспечивающих безопасность движения поездов [55].
Современная СДУ должна обладать высокой информативностью, защищенностью сообщений, живучестью. При этом должен быть введен протокол обмена информацией между устройствами центрального поста (ЦП) и ЛП, стандартизированный, по крайней мере, в рамках отрасли. Представление информации должно быть основано требованиями к высокой достоверности, безопасности ее с точки зрения движения поездов и других технологических процессов, своевременности поступления сообщений. Эти требования могут быть реализованы путем обоснованного выбора методов модуляции и кодирования информации, скорости ее передачи по существующим каналам связи, способов обработки, а также организации самих каналов связи.
Устройства ЛП современной системы ДЦ должны быть построены на 10. основе специализированных (по показателям надежности и безопасности) программируемых микропроцессорных контроллеров универсального применения, выполняющих все логические, а в ряде случаев и математические функции, не только традиционно выполняемые устройствами ДЦ, но и устройствами ЭЦ. Такой подход дает возможность решения оперативных задач на месте их возникновения, использования более эффективных алгоритмов управления, уменьшения объема передаваемой по каналам связи информации. Для этого устройства ЛП должны иметь достаточное количество управляющих выходов и входов контроля дискретных сигналов, возможность измерения аналоговых сигналов, а также достаточный объем памяти и высокое быстродействие.
Анализ устройств ЦП показывает, что многие разработчики, идя по пути применения современных ПЭВМ, как правило, используют языки высокого уровня и стандартные графические средства, а функции системы отделяют от функций передачи и отработки оперативной информации и ее отображения. При этом систему реализуют в стандартной оболочке, со стандартной организацией базы данных, мало пригодной для работы в режиме реального масштаба времени [12, 44, 96]. Такой подход не позволяет полностью использовать возможности современных ПЭВМ, затрудняет разработку не только ПО, но и последующее его использование, а в ряде случаев делает вообще невозможным или не эффективным решение многих оперативных задач.
Устройства ЦП современной ДЦ, должны иметь специализированные программные средства, объединяющие в единую структуру как функции обработки и формирования сигналов телемеханики, ввода и вывода информации, так и функции экспертной системы, работающей в режиме реального масштаба времени, с базой данных, получаемой по каналам телемеханики. При этом ПО должно быть независимым от конфигурации управляемого участка, размеров и организации движения, легко адаптироваться к конкретным условиям эксплуатации и отличаться только назначением АРМ для диспетчерского персонала соответствующей службы.
В настоящие время интенсивно внедряются системы ДЦ на базе микропроцессорной техники. К наиболее конкурентоспособным системам можно отнести ДЦ «Сетунь», «Диалог», «Тракт». Эти системы за счет расширения функций, таких как слежение за номерами поездов, ведение исполненного графика т.п., приближаются к аналогичным зарубежным системам управления движением поездов, а по ряду параметров и превосходят их. Одной из главных задач современных систем ДЦ является контроль в реальном времени координаты движущих поездов.
Перспективным направлением в развитии систем передачи и обработки информации в системах регулирования движением поездов является применение искусственных спутников Земли (ИСЗ). Интенсивные работы в этом направлении ведутся в США. Так, в конце 1985 г. компанией Motorola совместно с железной дорогой Union Pacific были проведены натурные испытания системы слежения за движением грузовых поездов с помощью ИСЗ [48. 85].
Применение системного подхода к оценке качества проектирования
Перечень команд ТУ при проектировании МСДУ " Диалог " составляется на основе анализа систем ЭЦ на станции и соответствует органам управления (кнопкам) на пульте дежурного по станции (ДСП). При этом обязательным условием является то, что состав и количество команд ТУ должен быть не менее органов управления пульта ДСП.
Перечень команд ТС определяется на основе анализа индикаторов (лампочек) на пульте-табло ДСП, при этом состав сигналов ТС должен отображать на экране монитора ситуацию на станциях и перегонах не хуже, чем на пульте-табло.
Из проведенного анализа следует, что качественный и количественный анализ технологии обработки данных на начальных этапах проектирования с помощью информационного подхода позволяет сократить временные и стоимостные затраты на проектирование сложных систем и произвести сравнительный анализ различных вариантов реализации проектных технологий.
Сетевое моделирование технологического процесса проектирования Известно, что для своевременного и качественного выполнения проекта необходимо иметь обоснованную технологию выполнения всего процесса проектирования: с момента получения задания до сдачи объекта в эксплуатацию. При этом необходима правильная организация последовательного выполнения технологических этапов работ одновременно по всем разделам проекта [69].
Как было рассмотрено ранее, основным методом моделирования технологии является метод СПУ. В последнее время данный метод не находит широкого применения при проектировании СЖАТ. Это можно объяснить не вполне обоснованным игнорированием системной технологии и организации сложных и многоцелевых проектных работ. Сегодня, когда в разработке и внедрении микропроцессорных СЖАТ участвует значительное число самостоятельных групп разработчиков и проектировщиков, ТП проектирования отличается большой степенью взаимосвязи различных этапов и отдельных технологических операций, отсутствие СПУ приводит к потерям времени, снижению производительности труда и необоснованному увеличению затрат на реализацию проектов. Такая ситуация объясняется,, тем, что для типовых проектов релейных СЖАТ (например, системы ЭЦ) сетевые модели были составлены в начале серийного применения таких систем и в дальнейшем не изменялись [69, 89].
Примером результата такого подхода может служить реализация проекта по оборудованию ряда станций Красноярской железной дороги системой управления устройствами электрической централизации "Диалог-Ц" [103]. Из-за несогласованности и отсутствия соответствующей технологии последовательного выполнения отдельных этапов проектных работ одновременно с разработкой системы производилась реконструкция релейных систем ЭЦ, устройств автоблокировки, что привело к неоднократному изменению схемных решений по увязке действующих систем ЭЦ и системы "Диалог-Ц". Отсутствие достоверной технической документации привело к тому, что монтажные работы выполнялись фактически без утверждения проектной документации.
Таким образом, учитывая значительное число внедренных проектов систем МСДУ "Диалог", а также систем телеуправления малыми станциями "Диатог-МС" [97] использование методов СПУ для разработки и оптимизации по критериям времени и стоимости технологии проектирования СДУ является актуальным.
При применении методов СПУ разработки технологии проектирования МСДУ "Диалог" в качестве критерия эффективности будем рассматривать время проектирования Ткр, отнесенные к одному ЛП, в соответствии с задачами построения технологии (2.1 - 2.4). Рассмотрим некоторые общесистемные задачи, решаемые при построении сетевой модели процесса синтеза МСДУ. Одной из таких задач является декомпозиция ТП проектирования по функционально-технологическому принципу (вертикальная декомпозиция) и по функциональным состояниям (горизонтальная декомпозиция) [36]. В п.п. 2.1 и 2.2 рассмотрены методы вертикальной декомпозиции ТП. В общем случае в соответствии с рис. 2.1. вертикальная декомпозиция может осуществляться в виде четырехуровневой системы со следующей иерархией: ТП как совокупность процессов создания сопровождения и модернизации МСДУ; этап ТП как совокупность действий по переводу МСДУ из одного состояния в другое; технологическая процедура как вид работы по формированию составляющих нового состояния; технологическая операция как элементарное действие в процессе выполнения процедуры.
В соответствии с данной иерархией сетевая модель ТП синтеза МСДУ может быть построена в соответствии со вторым уровнем (для технологических этапов или локальных задач СДУ). На втором уровне ТП может быть представлен как упорядоченное множество технологических этапов проектирования Э, : Лгя={Э,.!/ = 1,2,... ;}, (2.34) где і - номер этапа; / - количество этапов, каждый из которых характеризуется формированием соответствующего состояния проекта МСДУ, поддающегося объективной оценке.
В этом случае формируемые на этапе состояния МСДУ представляются на сетевой модели в виде кружков (вершин). Перечень этих состояний приводится в документации сетевой модели совместно со статистическими значениями продолжительности каждого этапа.
Состав этапов ТП, формируемые состояния МСДУ и их составляющие определяются на основе нормативных документов по разработке и проектированию СДУ [22, 68], практического опыта разработки МСДУ "Диалог" и других систем.
Для каждого технологического этапа проектирования может быть построена сетевая модель с большей степенью детализации, для которой исходным событием будет являться начальное событие этапа, а завершающим -конечное событие. В этом случае, для получения более точных временных характеристик модели могут быть использованы новые элементы с учетом сущности технологических процедур, описанные в п. 2.3.
Горизонтальная документация ТП определяет последовательность технологических этапов процесса проектирования МСДУ, т.е. последовательность и взаимосвязь работ в сетевой модели.
Состав и правила выполнения работ на установленных технологических этапах определяют в соответствующей документации организаций, участвующих в создании МСДУ.
Общий перечень последовательных стадий и этапов работ, использованный при построении сетевой модели МСДУ представлен в таблице 2.2. Он получен на основе рекомендуемого в нормативной документации [23] перечня.
На основе описанного метода была разработана технология проектирования МСДУ на примере и с учетом практического опыта разработки МСДУ "Диалог", представленная в виде сетевых моделей для двух вариантов: при использовании в качестве ЛП устройств системы "Диалог" (рис. 2.6.) и при использовании в качестве линейных пунктов ЛП устройств ДЦ "Нева" или "Луч" (рис. 2.7.). На данных рисунках события А и Б - соответственно исходное и завершающее события;
На основе приведенных данных необходимо решить еще одну общесистемную задачу сетевого моделирования: осуществить выбор и последующий анализ типового распределения времени выполнения технологических этапов ts. Основные типовые распределения случайной величины гз и порядок их построения подробно описаны в [31, 32]. Как правило, типовые распределения [32] выбирают руководствуясь удобством использования, что является необоснованно грубым приближением. Это объясняется тем, что в настоящее время нет понятия физического или психофизиологического толкования применяемых теоретических распределений случайных величин.
Применение координатной модели при автоматизированном проектировании программного обеспечения
Вектор выходных величин F, представляет собой набор логических переменных Yry = {у р+1,у 2,..., у к) сигналов ТУ, управляющих положением или
состоянием дискретных объектов и объектами с непрерывным множеством состояний методами и средствами телемеханики. Причем имеет место отображение Чг"2 : X - Yry, т.е. основой алгоритма функционирования МСДУ является суперпозиция отображений Ч оЧЛ,.
При анализе, отладке и оптимизации структуры ПО МСДУ естественным является рассмотрение не самих программ, а их моделей, сохраняющих все необходимые для отладки свойства программ и в то же время независимых от языка, на котором они составлены, и удобных для выполнения необходимого анализа каждой конкретной программы. В качестве таких моделей, как правило, используется представление программ в виде управляющего и информационного графов [1, 54], определяемых двумя типами связей, существующими в программе: управляющими (логическими) и информационными.
Управляющий (логический) граф - это граф, вершины которого соответствуют операторам, а дуги - управляющим связям между операторами. Информационный граф - это граф, вершины которого соответствуют операторам, а дуги - информационным связям между операторами [1]. Эти графы можно представлять как два отдельных графа, либо как один с нагруженными дугами. Способ программирования этих графов определяется спецификой их анализа и выполняемых преобразований. Раздельное программирование управляющего и информационного графов позволяет осуществлять их независимый анализ при поиске ошибок.
При описании структуры данных F и внутренней логической структуры S ПО МСДУ, алгоритмическое обеспечение МСДУ удобно представить как обработку потока данных, передаваемых от входа в программу к ее выходу (рис. 3.5) [61], что позволяет выделить функции ПО МСДУ: функцию передачи управления FUNI, соответствующую сплошным линиям потока данных, и функцию генерации переменной FUN2, соответствующую штриховым линиям потока данных, исходящих из вершин потока управления.
Вершины управления представляют собой множество операторов управления программ Q и образуют структуру S ПО МСДУ; множество вершин потока данных образуют структуру базы данных F ПО МСДУ, заданную в блоке Б1. На основе структуры F, представленной на рис. 3.5, выделим множество входных данных X, множество выходных данных У, множество констант К и множество промежуточных данных D и назовем множество Ыиги KyjD множеством предметных переменных R = (?-,,гг,...,га). Пусть наборы переменных (r,,r2,...,ra) выбираются из множества Q, которое будем называть предметной областью. Тогда Fi = (rt,r2,...,ra)- п -местный предикат = "набор значений rvr2,...,ra принадлежит области допустимых значений Rd і-го программного продукта Р".
Изменение прототипа Рпр программного продукта Рі при проектировании ПО МСДУ может заключаться в реализации следующей композиции преобразований, которую назовем методом функционально-завершенных преобразований. Преобразование 1. Изменение функции истинности предиката условий F, где р. = Рпр при условии Я = const. При этом будем считать, что уменьшение мощности множества (Л,. =Л/Л,) соответствует преобразованию, при котором R = const, но для Vr, є Rt справедливо тождество \/rJQM, -1,..,rJ.i,rJ,rJtl,...,ra)sFl{rl,r2,...,ra). (3.13) 116. УПРАВЛЯЮЩИМИ И ИНФОРМАЦИОННЫЙ ГРАФЫ ПО МСДУ Структура F ПО МСДУ Структура S ПО МСДУ q Рис. 3.5. 117. В данном случае условие R = const соответствует выполнению условия оптимизации ут = 1. Следовательно, если Преобразование 1 представимо в виде последовательного соединения элементов ТФЕ5 структуры 5 ПО МСДУ, задача РБ0 (S, F) -»1 будет решена.
Преобразование 2. Увеличение мощности множества R, что равносильно построению нового предиката F и изменению потоков данных и потоков управления в программном продукте Pt. В этом случае условие уВ] = 1 не выполняется и оптимизационная задача Рю (S, F) - 1 не решается.
Рассмотрим модель ПО МСДУ, представленную на рис. 3.5, в виде орграфа G{V,U,f), где V = R\JQ - множество вершин графа (Q - множество вершин потока управления); U - множество дуг потока управления и потока данных, / - отображение инцидентности.
Дуги орграфа, соединяющие вершины v и w, будем обозначать (v, w). В случае применения к прототипу ПО МСДУ Рпр, заданного орграфом 0,(1 ,U,,/,), Преобразования 2 будет получен программный продукт Р, заданный орграфом G2(V2 ,U2,f2), причем графы G, и G2 не могут по определению являться изоморфными или гомеоморфными в связи с тем, что \\ Ф v2.
При реализации Преобразования 1 по отношению к прототипу Р ПО МСДУ, заданного орграфом G,, орграфы G, и G2 будут являться гомеоморфными. Это объясняется тем, что для ПО МСДУ множество входных переменных X может быть задано в виде потока данных для любой вершины потока управления и при необходимости уменьшения мощности множества орграф G, может быть получен из G, с помощью операции подразбиения (измельчения) дуги (v,w), соответствующей потоку передачи данных ({v,w}c0.
Анализ методов технической модернизации
Для приема информации, передаваемой по каждому частотному каналу ТС, устанавливается отдельный статив 2Ц, в который входят: усилитель ЦУ, демодулятор ЦД, дешифратор ЦДШ, регистр ЦТР, групповой распределитель ГР, исполнительные реле И, групповой избиратель ГИ, усилитель ГУ и избирательное реле В, а также схема проверки качества сигнала.
На базе исходной схемы ЦП ДЦ рассмотрим несколько возможных вариантов включения ПЭВМ и сформулируем общие требования к адаптирующим устройствам, необходимым в каждом случае.
Вариант 1. Персональный компьютер подключен к выходу демодуляторов частотных каналов. На вход ПЭВМ поступают импульсы постоянного тока, синхронизированные по времени, имеющие одинаковую длину и стандартные уровни напряжения.
Такой вариант подключения предусматривает наиболее простую реализацию устройства сопряжения, однако имеет ряд очевидных недостатков. Во-первых, для подключения ПЭВМ к выходам демодулятора каждого канала ТС необходимо отдельное устройство, а ресурсы персонального компьютера по подключению периферии ограничены. Во-вторых, такое подключение требует использования практически всего комплекса оборудования, обеспечивающего прием, фильтрацию, усиление и демодуляцию каждого сигнала ТС. Следовательно, значительная масса сложностей в эксплуатации старой системы переносится и на новую. При этом общая экономическо-технологическая эффективность внедрения нового поста ДЦ относительно невелика.
Вариант 2. Персональный компьютер подключен к выходу усилителя частотных каналов. На вход адаптера поступают импульсы переменного тока, представляющие собой гармонический сигнал с частотой, соответствующей активному или пассивному импульсу данного частотного канала. При таком подключении структура адаптирующего устройства на порядок сложнее, чем в первом варианте, так как требует наличия в адаптере схем демодуляции и декодирования с контролем качества сигнаїа ТС. При реализации этих систем на базе аналоговых элементов устройство согласования будет иметь большие габаритные размеры и потребляемую мощность, поэтому оно должно быть выполнено в отдельном конструктиве и иметь автономный источник питания. Кроме этого, применение аналоговых схем потребует значительных усилий по настройке и диагностике неисправностей.
Другим подходом в рамках этого варианта является использование методов и алгоритмов цифровой обработки сигналов, находящих все большее применение в различных сферах производства. Таким образом, второй вариант подразумевает использование гораздо более сложных согласующих устройств. Тем не менее, практически все недостатки, присущие первому варианту, в той или иной степени переносятся и на второй.
Анализируя изложенное, можно сделать вывод о необходимости использования более универсальных и интеллектуальных адаптирующих устройств, способных изменять логику и параметры функционирования в соответствии с режимом и условиями работы.
Вариант 3. Персональный компьютер подключен непосредственно к выходам фильтра ФА. На первый вход адаптера поступает сигнал ТС, представляющий собой суперпозицию гармонических сигналов всех частотных каналов и помехи, а на второй вход - сигналы ТУ и ЦС. Такая схема подключения подразумевает работу ПЭВМ в режиме абонентского пункта, когда управляющие сигналы формируются в другом месте, например, в стативе 1 Ц. При этом в задачи компьютерного поста входит лишь отображение состояния объектов контроля и, возможно, измерение параметров сигнала (уровень, временные или частотные характеристики и др.).
Вариант 4. Этот вариант аналогичен предыдущему с той лишь разницей, что сигналы ТУ и ЦС формируются самим адаптером, полностью исключая из работы статив 1 Ц. В этом случае компьютерный пост ДЦ выполняет все функции ЦП, а именно: контролирует длительность цикла ТС с автоматической генерацией и выдачей в линию импульсов цикловой синхронизации; преобразует управляющую информацию, вводимую диспетчером с помощью клавиатуры или манипулятора "мышь" в последовательность команд ТУ, формирует и выдает в линейную цепь импульсы сигнала ТУ, соответствующие сформированным командам; в перерывах между посылками сигналов ТУ и ЦС выдает в линию гармонический сигнал с частотой покоя. Кроме этого, как и в предыдущем варианте, пост ДЦ принимает, демодулирует и декодирует сигнал ТС, выявляет изменение информации по сравнению с предыдущим циклом опроса и отображает новое состояние объектов контроля на видеомониторе.
Зачастую возникает необходимость в переключении ПЭВМ из абонентского режима в управляющий и обратно, поэтому адаптер канала ТУ-ТС должен обеспечивать поддержку всех режимов работы. Однако при этом следует распределить функции, выполняемые устройством согласования и центральным процессором персонального компьютера с таким расчетом, чтобы освободить центральный процессор компьютера от трудоемких операций, связанных с анализом сигнала. Кроме этого, надо направить его вычислительную мощность на вывод видеоинформации, контроль логики изменения поездной ситуации, ведение графика исполненного движения и расчет прогнозного графика.
При таком подходе адаптер каната ТУ-ТС должен обеспечивать выполнение следующих функций: прием и анализ спектра сигнала ТС; преобразование результатов анализа амплитудно-частотной характеристики сигнала ТС в логическую информацию о состоянии объектов контроля и представление ее в двоичном виде; передачу двоичной информации в персональный компьютер для дальнейшей обработки. Адаптер канала ТУ-ТС должен также принимать от персонального компьютера управляющие команды в двоичном виде; формировать аналоговый сигнал, соответствующий командам ТУ систем ДЦ "Нева", "Луч" и др., и выдавать его в линейную цепь [4], а также обеспечивать формирование и посылку импульсов ЦС; генерацию гармонического сигнала на частоте покоя, контроль продолжительности цикла ТС.
