Моделирование функционирования информационно-управляющих систем

 А.В. Габалин,
н. с., GabalinA@bk.ru,
ИПУ РАН, г. Москва

Моделирование применяется в случае, если эксперименты с реальными объектами, системами невозможно или слишком дорого. Главное отличие моделирования от других методов изучения сложных систем – возможность оптимизации системы до её реализации.

Распределенные информационно-управляющие системы (ИУС) представляют собой рассредоточенные в пространстве многофункциональные взаимосвязанные совокупности стационарных и подвижных элементов с развитыми техническими средствами приема, передачи и обработки информации. Независимо от типа и назначения такие системы обладают следующими характерными особенностями [1].

Распределенность. ИУС располагаются на значительных территориях от регионального до глобального масштабов и включают в себя большое число управляемых, управляющих и комбинированных элементов.

Подвижность    элементов. Элементы системы могут быть неподвижными, передвижными или движущимися. Движение элементов осуществляется постоянно или периодически по детерминированным или стохастическим траекториям.

Наличие     зон     доступности. Осуществление функциональных взаимодействий между движущимися и неподвижными (передвижными) элементами распределенных ИУС возможно, как правило, только при нахожде­нии движущегося элемента в зоне доступности ("видимости") неподвижного (передвижного) элемента. Зона доступности определяется взаимным расположением элементов в пространстве и типами используемых технических средств.

Быстродействие. Необходимость в оперативной выработке управляющих воздействий определяет высокие требования к времени выполнения соответствующих функций элементами и системой в целом.

Недопустимость     потерь     информации. Для распределенных ИУС, как правило, важным условием является недопустимость (строгая ограниченность) потерь информации определенных типов. Это требует специальных мер по анализу и контролю за полнотой передаваемой, обрабатываемой и принимаемой информации.

Живучесть. В некоторых случаях функционирование систем рассматриваемого класса протекает в условиях неблагоприятных воздействий, что приводит к нарушению штатных режимов функционирования отдельных элементов и системы в целом.

Типичными примерами распределенных информационно-управляющих систем являются: автоматизированные системы управления летательными аппаратами (АСУ ЛА), спутниковые системы связи, системы управления оперативными службами и др.

Проблема оптимизации функционирования систем рассматриваемого класса тесно связана с задачами формализованного описания процессов функционирования, процедур сбора, обработки и анализа соответствующих характеристик элементов и их взаимосвязей, влияющих на качество управления системы в целом. В процессе разработки и совершенствования распределенных ИУС возникают сложные задачи оценки  эффективности их функционирования (с точки зрения  перечисленных и других характеристик) при различных вариантах структурного построения, неблагоприятных воздействиях, изменениях расписания и траекторий движения элементов, возникновения аварийных ситуаций, различных стратегий управления и т.п.

Одним из наиболее удобных средств математического моделирования, применяемых при анализе функционирования систем рассматриваемого класса, являются имитационные модели, которые описывают структуру и поведение системы в виде программы для ПК и позволяют проводить машинные эксперименты с целью получения необходимых данных  о функционировании элементов и системы в целом в течение определенных интервалов времени. В настоящей работе описывается имитационная модель, предназначенная для решения указанных задач в АСУ ЛА и проведения машинных экспериментов.

АСУ ЛА представляет собой сложную, многофункциональную распределенную информационно-управляющую систему, осуществляющую сбор, передачу и обработку информации, поступающей с борта летательного аппарата (ЛА). Она включает в себя стационарные и передвижные пункты приема информации (ППИ), измерительные пункты и станции слежения, распределенные по значительной территории и осуществляющие сбор поступающей телеметрической и другой информации. ППИ размещаются таким образом, чтобы своими зонами радиовидимости (доступности)  максимально охватывали территорию, над которой проходит траектории движения ЛА. Для обеспечения наиболее эффективного покрытия зонами радиовидимости передвижные ППИ располагаются в местах, обоснованных специальными расчетами. Типовой ППИ содержит: приемные станции (ПС) телеметрической информации и траекторных измерений; технические средства передачи команд на борт ЛА и приема информации по спутниковой связи; средства управления, баллистических расчетов, оперативной обработки телеметрической информации и службу единого времени.

Информация о режимах функционирования оборудования и аппаратуры, данные о научно-технических экспериментах, проводимых на борту ЛА, принимаются приемными радиотелеметрическими станциями на ППИ и по каналам связи (КС) передаются на соответствующие узлы связи (УС) для дальнейшей обработки. Часть информации может оперативно обрабатываться на ППИ. После обработки информация поступает по каналам связи в центр управления (вычислительный центр (ВЦ)), где она анализируется специалистами, на основании чего они делают заключение о состоянии технических средств ЛА и информационно-управляющей системы и принимают решение об осуществлении тех или иных управляющих воздействий.

Принципиальная схема функционирования АСУ ЛА приведена на рис. 1. Планом полетов определяется количество контролируемых ЛА различных типов, моменты начала полетов, траектории движения ЛА, режимы функционирования передающих устройств, а также состав и объемы телеметрической и другой информации, передаваемой с борта ЛА. Для передачи информации различного типа борт каждого ЛА оборудуется определенным набором передающих устройств (ПРД) со своей циклограммой работы. Циклограмма определяет состав ПРД для ЛА и время их работы на каждом этапе функционирования. Основной информационной характеристикой ПРД является скорость передачи.

 

рис 1. Схема функционирования АСУ ЛА

На ППИ осуществляется прием информации, передаваемой с борта ЛА, с помощью своих ПС, где параллельно информация записывается на внешний носитель и передается в КС. Прием информации на ППИ с борта ЛА, находящегося в полете, определяется зонами видимости ППИ. Таким образом, одна и та же информация, передаваемая с борта ЛА, может приниматься одновременно однотипными ПС на тех ППИ, в зоны видимости которых вошел в данный момент ЛА. Поэтому одной из важных задач является формирование "единого носителя информации", который представляет собой запись такой последовательности информационных посылок (ИП), которая наиболее полно и достоверно отображает поток информации, передаваемой с борта ЛА. С этой целью на ППИ при записи на внешний носитель и передаче в КС информационная посылка дублируется и фрагментируется. Временные характеристики фрагментов определяются зонами видимости ППИ, на ПС которых эти фрагменты принимаются; такое фрагментирование будем называть "горизонтальным". Фрагментирование ИП при передаче в КС, пропускная способность которого ниже скорости передачи, назовем "вертикальным". Количество вертикальных фрагментов определяется отношением скорости передачи с борта ЛА к пропускной способности КС. В центре управления из отдельных фрагментов собирается единый носитель информации, который затем проверяется на полноту и достоверность.

Прием информации, передаваемой с борта ЛА, осуществляется ПС, тип которой соответствует типу ПРД на борту ЛА. В процессе функционирования системы ПС и КС могут находиться в различных состояниях (холодный резерв, набор  готовности, рабочее состояние и др.).

Для экспериментальных исследований процессов функционирования описанной системы разработана имитационная модель. Эта модель позволяет получать и оценивать такие функциональные характеристики  как степень загрузки технических средств, длительность ожидания ИП в очередях на обслуживание, уровень оперативности передачи и обработки информации, время формирования единого носителя и др. Модель позволяет также оценивать качество функционирования системы в зависимости от расписания полетов, траекторий движения ЛА, степени резервирования технических средств и их характеристик, структуры системы, выхода из строя отдельных элементов и от других параметров.

В настоящей работе предусматривается наличие в системе нескольких ЛА, а также учет задержек при переключении ПС с ЛА на ЛА, что влечет за собой существенное усложнение алгоритмов функционирования. В этих условиях более удобным и эффективным является использование в качестве инструментального средства моделирования языка  GPSS World   [2]. На выбор языка моделирования повлияли также следующие положения: задача повторяется при различных исходных данных и модель должна быть концептуально более выразительной; информационные посылки движутся в сетях и описываются компонентами сети и связанными с ними очередями; средняя продолжительность событий относительно невелика и для задания системного времени целесообразно применять метод фиксированных временных интервалов.

Предлагаемая модель состоит из моделей отдельных функциональных блоков системы. В ней описываются и анализируются процессы функционирования: передатчиков, находящихся на борту ЛА; приемных станций различных типов, находящихся на ППИ; каналов связи от приемных станций до узлов связи, от приемных станций до центра управления, от узлов связи до центра управления и между узлами связи; центра управления. Рассмотрим более подробно модели функциональных блоков, соответствующие перечисленным элементам системы (ЛА, ПС, КС и др.) (рис. 2).

Исходя из программы полетов, в блоке ЛА (ПРД) "выполняются" следующие действия: создаются генераторы информационных сообщений для всех ПРД каж­дого ЛА; определяется время появления каждого ЛА в пределах действия сис­темы; разбиваются на "горизонтальные" фрагменты сгенерированные сообщения; создаются и объединяются в группы "горизонтальные" фрагменты – дубли для всех ППИ, в зоне видимости которых находится ЛА; отправляются на ПС (ППИ) "горизонтальные" фрагменты. В блоке ПС (ППИ) сначала определяется номер принимающей ПС. Как только "горизонтальный" фрагмент попадает на ПС, всем фрагментам из его группы понижается приоритет обработки (с целью равномерного распределения числа дублей фрагментов). Далее фрагмент "задерживается" на ПС на время обработки, после чего происходит сравнение скоростей ПРД и КС. Если скорость ПРД меньше или равна скорости КС, то "горизонтальный" фрагмент передается в КС целиком. В противном случае он делится на "вертикальные" фрагменты (пакеты), которые  последовательно устанавливаются в очередь к КС. Число таких пакетов определяется соотношением  скоростей ПРД и КС. Когда очередь подходит, пакет попадает непосредствен­но на обработку в КС. Время обработки в КС определяется как произведение "длины" пакета на отношение скорости ПРД к скорости КС. В блоках КС1 и KC2  (каналы связи с разными скоростями передач) определяется номер необ­ходимого КС и номер очереди пакета на обработку, осуществляется задержка пакета на время обработки, определяется следующий функциональный блок в технологической цепочке обработки пакета и пакет передается этому блоку (УС или ВЦ). В УС пакет может поступить либо от ПС, либо от другого УС. И в том и в другом случае в блоке УС определяется номер необходимого УС (то есть того, который должен принять поступающую информацию) и на этом УС пакет задерживается на время обработки. Следует отметить, что количест­во обрабатываемых на УС пакетов не ограничивается и поэтому очередь к УС не учитывается в модели. Последним функциональным блоком модели являет­ся центр управления, представляющий собой специализированный  вычислитель­ный центр (ВЦ), Также как и УС, ВЦ может одновременно обрабатывать неогра­ниченное число пакетов, то есть очереди к ВЦ не возникает. Задержка во времени на обработке в ВЦ состоит из двух частей: первая – произведение длины пакета на отношение производительности ПРД к производительности ВЦ; вторая – константа, отражающая время переключения обработки с пакета одного ПРД на пакет другого (следует отметить, что для УС и ВЦ при необ­ходимости могут быть использованы более детальные модели их функциониро­вания).

 

 

рис 2. Схема комплексов моделей

После обработки поступившей информации на ВЦ формируются выходные статистические матрицы, предназначенные  для анализа качества функциони­рования системы и выработки управляющих воздействий. Для всех ПРД каждо­го ЛА определяется: количество исходных пакетов; количество пакетов, об­работанных на ВЦ; количество избыточных пакетов и пакетов-дублей для каж­дого горизонтального фрагмента; анализируется полнота приема информации, загрузка технических средств приема, передачи и обработки, размеры оче­редей и т.п. После окончания работы модели собранная статистическая ин­формация для удобства пользователя выводится на экран дисплея и на печать в виде соответствующих таблиц и гистограмм.

Предлагаемая в статье модель функционирования  информационно-управляющей системы служит основой для решения ряда задач синтеза и анализа структуры систем рассматриваемого класса. Например, для решения задачи выбора и оптимальной корректировки составов ПС, ППИ и КС, обеспечивающих заданную полноту приема и передачи информации, формализуемой в виде: F (S) ® opt, Q (SÈS1) ³ Q~, где S- исходная структура системы, S1 – дополнительный состав ПС и КС, Q (SÈS1) – степень полноты приема и передачи информации на скорректированной структуре; или задачи идентификации и оптимальной развязки “узких мест”, то есть оптимальной коррекции S, обеспечивающей выполнение алгоритмически заданного ограничения Tзад на длительность обработки программы испытаний T (SÈS1):   F (S) ® opt, T (SÈS1) £ Tзад.

Наряду с тактико-техническими оценками качества функционирования рассматриваемой системы, разработанная имитационная модель позволяет по­лучать оценки ряда экономических характеристик качества таких, как амор­тизационные отчисления (зависят от общего времени отработки программы T(S)), эксплуатационные расходы (зависят от загрузки технических средств), а также установить удельную стоимость сеанса связи и т.д.

Перечисленные задачи синтеза и анализа необходимо решать комплексно, для чего в Институте проблем управления разработан комплекс взаимо­связанных оптимизационных и имитационных моделей анализа и синтеза струк­туры распределенных информационно-управляющих систем с соответствующим программно-алгоритмическим и информационным обеспечением, ориентирован­ным на активный диалог с пользователем.

Исходные данные (шаблоны), различные варианты режимов и настроек экспериментов выполнены в виде таблиц.

Программы создания и работы с базой данных, выбора характеристик и режимов моделирования и исходных данных через различные меню, настройки имитационных моделей, графического отображения результатов выполнены в среде  языка Pascal.

Исходная имитационная модель написана на GPSS. Система моделирования работает с уже готовой имитационной программой при различных вариантах исходных данных.

Комплекс моделей внедрен при проектировании ряда систем [2-4], в том числе при оптимизации функционирования и развития структуры космодрома “Байконур”.

Литература

      1.       Цвиркун А.Д., Акинфиев В.К., Филиппов В.А. Имитационное моделирование в задачах синтеза структуры сложных систем. М.: Наука, 1985  

      2.       Габалин А.В Вопросы оптимизации структуры распределенных систем обработки информации. Журнал “Прикладная информатика” №6 2007 

      3.       Габалин А.В. Применение математических моделей  для управления сложными системами. 54 научная конференция МФТИ “Проблемы фундаментальных и прикладных, естественных и технических наук в современном информационном обществе”. Секция корпоративных систем управления» Материалы конференции, МФТИ, Москва 2011.

      4.       Габалин А.В.  Применение математического моделирования на этапе проектирования информационных систем. Тезисы научной сессии НИЯУ, секция информационно-телекоммуникационые системы. МИФИ,  Москва, 2011, Том 3.