Объектно-ориентированный анализ и проектирование нового поколения интеллектуальных приборных комплексов для отработки аэрокосмических технологий

Егоров А.А., Резник Ю.О.

Опубликовано в журнале "Приборы и системы. Управление. Контроль. Диагностика", № 8, 2000.

Анализ экспериментальной отработки современных аэрокосмических технологий (ОАТ) позволяет сформулировать следующие основные тенденции развития датчиков, измерительно-вычислительных средств и систем управления:

• в области измерений – повышение требований к точности измерений и привязке их ко времени, увеличение объёма измерительных данных, повышение частоты опроса датчиков и расширение их номенклатуры;
• в сфере вычислений – моделирование и прогнозирование в темпе экспериментов, выдача данных пользователю в удобном виде;
• в управлении – ужесточение требований к точности формирования управляющих воздействий, увеличение числа контуров управления (многоточечное управление).

Сейчас рождается новое поколение интеллектуальных приборных комплексов для ОАТ, обусловленное следующими тенденциями развития в областях:

• объектов ОАТ – возрастание стоимости объектов и их сложности, например стоимость отечественного жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) составляет более 10 млн. долл. США;
• датчиков – развитие новых технологий их создания и изготовления, появление датчиков с цифровыми выходами, новые технологии организации связи между датчиками и измерительными системами, снижение стоимости датчиков и повышение их точностных характеристик и т. п.;
• измерительных систем – появление новых аналого-цифровых микросхем большой степени интеграции (одна микросхема – микроконтроллер, система сбора данных от датчиков, дельта-сигма АЦП и др.), широкое применение последовательных каналов связи и др.;
• ВС – распространение распределенной обработки с использованием сигнальных процессоров, нейропроцессоров, в том числе с оптоэлектронной обработкой, технологии клиент-сервер, CASE-технологий для проектирования ПО, пакетов программ SCADA, Matlab, LabView и др.;
• управляющих систем – применение микроконтроллеров с ОС жёсткого РВ (например, OS-9), обеспечивающих время реакции системы на внешние события менее единиц микросекунд, многозадачный режим с параллельным регулированием по многим контурам, применение методов нечёткой логики для управления;
• системных коммуникаций – широкое использование полевых шин Fieldbus (например, Profibus, Can-bus), модемной связи, радиоканалов, сетевых технологий Ethernet и Internet.

Создание ИПК – сложный и трудоемкий процесс. В статье сформулированы свойства, которым должны удовлетворять ИПК нового поколения, и принципы их построения, предложена методика объектно-ориентированного анализа и проектирования ИПК. Требования промышленности к комплексам стендовых испытаний новой техники и условия их применения позволили сформулировать следующие принципы построения интеллектуальных автоматизированных систем контроля, измерения и управления нового поколения:

• модульность и иерархичность построения методического, аппаратного и программного обеспечения;
• эффективность проектных решений – минимальная затрата ресурсов;
• открытость – возможность расширения и модификации;
• гибкость – возможность внесения изменений и перенастройки;
• надёжность — соответствие заданному алгоритму, отсутствие ложных действий, защита от разрушения и несанкционированного доступа как программ, так и данных;
• живучесть – выполнение возложенных функций в полном или частичном объёме при сбоях и отказах, восстановление после сбоев;
• унификация и стандартизация методических, аппаратных и программных решений.

Особенности ТП лабораторно-стендовой отработки элементов и конструкций летательных аппаратов (ЛА) как объектов автоматизации выдвигают следующие основные требования к архитектуре современных ИПК:

• эффективность реализации режимов РВ;
• программируемость структуры – автоматическая настраиваемость системы на структуру решаемых задач;
• распределенность "интеллекта" – децентрализация средств управления, обработки данных, принятия решений и т. п.;
• развиваемость, открытость и наращиваемость всех видов обеспечения системы;
• максимальная унификация, типизация и стандартизация всех функциональных подсистем и видов их обеспечения;
• асинхронность взаимодействия подсистем, их модулей и реализуемых процессов;
• возможность адаптации и обучения системы, накопления опыта в процессе её эксплуатации.

Разработка ИПК основана на объектно-ориентированном проектировании с методологией объектно-ориентированного программирования (ООП); ООП – это методология проектирования, соединяющая в себе процесс объектной декомпозиции и приемы представления логической и физической, а также статической и динамической моделей проектируемого ИПК. Системный анализ, формализация и алгоритмизация процессов испытаний позволяют представить технологию испытаний в виде типовых технологических операций – задач, что сокращает сроки разработки технологии испытаний, повышает её качество, гибкость и увеличивает возможности для эффективной организации автоматизированных испытаний. Методы ООП обеспечивают применение средств объектного и объектно-ориентированного программирования, использующего в качестве строительных блоков классы и объекты. В основе объектно-ориентированного анализа и проектирования ИПК лежит понятие объектных моделей ФЗЗ, являющихся сложными и трудоемкими информационно-измерительными и управляющими процессами, которые реализуются в ИПК параллельно и связаны между собой потоками измерительной и управляющей информации. Объектно-ориентированное программирование это – методология программирования, основанная на представлении программы в виде совокупности объектов, каждый из которых является экземпляром определенного класса, а классы образуют иерархию наследования, т. е. такие отношения между классами, при каких каждый класс использует структуру и поведение других классов. Технология проектирования ИПК начинается с анализа требований, предъявляемых к ИПК, и построения диаграммы потоков данных. На основе изучения этой диаграммы выделяются важнейшие подсистемы ИПК и их главные компоненты. При построении диаграммы потоков данных выделяются следующие функции:

• преобразующие данные, например функция преобразования аналоговой величины в цифровую;
• цифровой обработки данных;
• передачи данных между преобразованиями;
• временного хранения данных.

Выделенные функции проектируемых ИПК распределяются между отдельными асинхронно выполняющимися задачами. Одна функция может соответствовать одной системной задаче ФЗЗ или одну задачу можно реализовывать с помощью нескольких функций. На этом этапе не решается вопрос о способе реализации асинхронного выполнения задач. Для распределения функций между задачами предложено использовать следующие критерии:

• зависимость измерительной информации от операции ввода/вывода (функции преобразования, скорости выполнения которых существенно зависят от скорости поступления входных данных от устройств ввода/вывода или от скорости, с которой выходные данные могут быть переданы устройствам ввода/вывода, следует выделять в отдельные задачи);
• критичность времени выполнения функции (функции, время выполнения которых критично для работы ИПК в целом, надо выделять в отдельные задачи и осуществлять их с высоким приоритетом по сравнению с другими задачами;
• вычислительную сложность (функции, реализация которых сопряжена с большим объемом вычислений, выделяются в отдельные задачи ИПК, решаемые, как правило, с низким приоритетом в свободные промежутки времени процессора);
• функциональную прочность (преобразования, реализующие множество взаимоувязанных функций, нужно выделять в отдельные ФЗЗ, иначе интенсивность потоков данных между разными задачами, осуществляющими разные функции, будет слишком высокой, что приведет к большим "накладным расходам";
• временную или процедурную прочность (преобразования, реализующие совокупность функций, выполняемых поочередно или одновременно в одной и той же ситуации (при совпадении условий), следует объединять в одну задачу, решение которой каждый раз инициируется одними и теми же внешними условиями);
• периодичность выполнения (преобразования, которые по условиям испытаний должны повторяться с заданной периодичностью, надлежит выделять в отдельную задачу, инициируемую через заданные интервалы времени).

Особенность предлагаемого подхода к проектированию ИПК состоит в том, что после образования задач отдельные объекты диаграммы потоков данных соответствуют не отдельным преобразованиям, а отдельным задачам. Отдельные задачи ИПК предлагается проектировать на основе концепции единства методического, технического и программного обеспечения, т. е. конструктивные параметры методического, технического и программного обеспечения в процессе проектирования определяются путём комплексного решения оптимизационной задачи. Оптимизируемым параметром служит критерий качества решения задачи. В зависимости от конкретных условий такими критериями можно выбрать точность, надёжность, время или стоимость решения задачи. Каждая объектная модель ФЗЗ должна обладать как минимум четырьмя главными свойствами:

• абстрагированием – выявлением существенных характеристик ФЗЗ ИПК, отличающих её от всех других задач и определяющих её концептуальные границы;
• инкапсуляцией — никакая ФЗЗ ИПК не должна зависеть от внутреннего устройства какой-либо другой задачи; инкапсуляция скрывает детали реализации каждой ФЗЗ, защищает данные в объекте от неправильного доступа к ним и позволяет объекту строго следить за этим;
• модульностью – разложением ИПК на внутренне связанные, но слабо связанные между собой ФЗЗ, т. е. физическим разделением классов и объектов, составляющих логическую структуру ИПК;
• иерархией — подчинением или упорядочением существенных характеристик объекта (абстракций), расположением их по уровням.

Каждая ФЗЗ решается на основе единства методического, аппаратного и программного обеспечения. Состав ИПК можно условно представить следующей матрицей:

S_1,1 S_1,2 S_1,3 ... S_1,K
S_2,1 S_2,2 S_2,3 ... S_2,K
S_3,1 S_3,2 S_3,3 ... S_3,K
... ... ... ... ...
S_{N,1 N,2 N,3} ... _N,K

В этой матрице каждому столбцу соответствует определённая функциональная подсистема аппаратно-программного комплекса, решающая одну из перечисленных задач – всего К задач. Каждая строка матрицы, взятая с учетом связей между её элементами, объединяет один и тот же вид обеспечения разных функциональных подсистем, а значит, образует ту или иную подсистему обеспечения ИПК. Совершенство ИПК зависит от проработанности каждого элемента S_I,J и гибкости связей между ними, что особенно касается совершенства технического обеспечения каждой подсистемы и её ПО. Многое обусловлено согласованностью пропускных способностей элементов S_I,J, которые обеспечивают обработку информации и принятие решений в темпе испытаний, т. е. в режиме РВ. Функционально законченные задачи в терминологии объектно-ориентированного проектирования являются объектами. Объект — это конкретный опознаваемый предмет, имеющий чётко определённое функциональное назначение в данной предметной области. Объекты моделируют часть окружающей действительности и, таким образом, существуют в пространстве и во времени, имеют внутреннее состояние, могут создаваться, уничтожаться и разделяться. Объект обладает состоянием, поведением и идентичностью. Структура и поведение схожих объектов определяют общий для них класс. Типовые задачи (ТЗ) ОАТ — это ФЗЗ, имеющие физический смысл в проблемно-ориентированной области (в нашем случае в области ОАТ) и строгое решение, т. е. алгоритм решения. Эти задачи определяются набором исходных данных, методами (алгоритмами) решения и конкретными результатами решения (ответом). Сформулируем критерии формирования ТЗ ОАТ:

• физический смысл и завершенная функциональность в предметной области (например, канал измерения температуры, контур управления температурой термостата и др.);
• высокая степень универсальности в решении сложных задач более высокого уровня иерархии (например, задача "Измерение температуры" может входить в ряд задач более высокого уровня иерархии, к примеру в задачу "Определение плотности окислителя");
• минимизация информационных и управляющих связей (сцепления и связности) между сформулированными задачами;
• простота комплексирования задач с задачами более высокого уровня.

Рассмотрим подробнее понятия "сцепление" и "связность" ТЗ ОАТ. Каждая задача должна быть сформулирована таким образом, чтобы они были как можно более независимы (критерий сцепления – coupling) и чтобы каждая задача выполняла единственную функцию (критерий связности – cohesion). Сцепление – один из способов оценивания качества сформулированной задачи, является мерой их взаимозависимости и должно быть минимизировано по следующим причинам:

• из-за уменьшения числа связей между задачами, приводящего к снижению вероятности появления "волнового эффекта", т. е. когда ошибка или сбой в одной задаче влияют на работу других задач;
• вследствие минимизации риска возникновения "эффекта ряби", т. е. эффекта, когда модификация или исправление ошибки в одной задаче влекут за собой модификации или ошибки в других ТЗ.

Слабое сцепление между ТЗ достигается путём удаления несущественных связей, уменьшения и упрощения числа необходимых связей. Можно выделить несколько видов сцепления между ТЗ:

• по данным (data coupling), когда задачи сцеплены по данным через передачу параметров, при этом каждый параметр является элементарным информационным объектом (например, поле температур для задач измерения);
• по образцу (stamp coupling), если одна задача посылает другой составной информационный объект, т. е. объект, имеющий внутреннюю структуру (например, данные об объекте испытания, измерительном канале);
• по управлению (control coupling), когда задача А посылает задаче В информационный объект – флаг (событие), предназначенный для управления внутренней логикой задачи В.
  
  Пред. - След. »