Комплексный подход при проектировании распределенных систем обработки космической информации
РСОИ
А.В. Габалин,
научн. сотр.,
ИПУ РАН, Valent@ipu.rssi.ru, г. Москва
Распределенная система обработки космической информации
(РСОИ) представляет собой сложную многофункциональную, систему, осуществляющую
сбор, передачу и обработку информации, поступающей от различных источников. Она
включает в себя источники информации, пункты приема информации, узлы и каналы
связи, центры обработки информации и управления.
Совокупность
источников и пунктов приема информации образует подсистему обеспечения
информацией. Сеть узлов связи и центров обработки информации и управления -
подсистему сбора и обработки информации. Источники информации (ИИ) обладают
развитыми средствами аккумулирования и передачи информации (ПРД), могут быть
стационарного базирования или двигаться по некоторым траекториям.
Пункты
приема информации (ППИ) включают совокупность приемных станций (ПС), средства
траекторных измерений, технические средства передачи информации и управляющих
команд, средства оперативной обработки информации и т.п. и размещаются таким
образом, чтобы своими зонами доступности они максимально охватывали места
расположения стационарных и траектории движения подвижных ИИ. Информация, поступающая
от ИИ на ППИ, передаётся по каналам связи (КС) на соответствующие узлы связи
или непосредственно в вычислительные центры обработки информации и управления
(ВЦ). В центрах поступающая информация анализируется специалистами, заносится в
банки данных и принимается решение о тех или иных управляющих воздействиях.
Постановка задачи синтеза и анализа
функционирования структуры РСОИ в общем
виде формализуется следующим образом.
Необходимо определить оптимальную структуру сети:
Sopt (t) = {E*(t), A*(t) , X*(t), Y*(t)}, tÎT, где
E*(t)Ì E~(t) –
допустимое множество элементов системы в период t;
A*(t)Ì A~(t) –
допустимое множество взаимосвязей элементов системы в период t;
X*(t)ÌX~(t) –
допустимое множество собственных функциональных характеристик элементов системы
в период t;
Y*(t)ÌY~(t) –
допустимое множество системных функциональных характеристик в период t
При выполнении ограничений ресурсного,
технологического, директивного, тактического и др. типов, в рамках которых осуществляется
развитие и функционирование системы:
R[E(t), A(t), X(t), Y(t),
t].
Таким образом, задача состоит в следующем. При
заданных характеристиках информационных потоков, параметрах технических средств
и зависимостях показателях их функционирования и стоимости от производительности
определить оптимальную структуру сети, показатели качества функционирования
которой удовлетворяют заданным требованиям.
рис 1. Схема комплексов моделей
Критерии бывают трех видов: временные (определение
структуры сети, обеспечивающей минимальную задержку передачи информации при
заданных показателях стоимости и надежности); стоимостные (определение
структуры сети минимальной стоимости при заданных средних задержках передачи
сообщений, показателях надежности сети и объёмах информации); надёжностные (определение структуры сети с
максимальной надежностью при заданных показателях стоимости сети и средней
задержке сообщений).
Сложность
рассматриваемой системы, ее масштабность, большое число рассматриваемых условий
и ограничений различного уровня детализации не позволяют достаточно полно
описывать и исследовать их в рамках единой
математической модели.
На основе проведенных
исследований и обобщения опыта решения практических задач управления развитием
структуры крупномасштабных РСОИ был предложен подход к решению задачи,
базирующийся на построении комплекса взаимосвязанных оптимизационных (ОМ),
имитационных (ИМ) и расчетно-анализирующих (АН) моделей.
При
этом ограничения и условия развития ИУС, задаваемые в аналитическом виде,
учитываются в рамках соответствующих моделей оптимизации. Алгоритмически
задаваемые ограничения учитываются с помощью имитационных моделей функционирования
элементов системы.
Расчетные
модели обеспечивают формирование и оценку экономических и тактико-технических
показателей развития и функционирования системы, на основе которых организуется
процедура взаимодействия моделей комплекса. На рис.1 дана общая схема
построения комплексов, отображающих различные методы оптимизации функционирования
РСОИ. Более подробно данные методы изложены в [1].
Описание универсальной системы моделирования
дискретных систем
При проведении имитационных
экспериментов пользователю довольно часто необходимо иметь средство для их
проведения, анализа и хранения. В работе для удобного решения задачи развязки
узких мест была создана на ПК универсальная система моделирования (УСМ),
которая была апробирована для РСОИ различного назначения.
Исходное меню УСМ состоит из
четырёх основных разделов.
Подменю "Исходные
данные моделирования" позволяет создать входные данные для модели из
шаблона или сделать коррекцию исходных данных проведенного уже эксперимента
(извлечение из архива), просмотреть результаты проведенных экспериментов в
табличном или графическом виде, а также задать режим проведения эксперимента.
Подменю "Расчёт
эксперимента" позволяет просмотреть таблицу исходных данных имитационного
эксперимента, запустить имитационную модель, управлять моделированием,
просмотреть результаты эксперимента (общие характеристики системы в целом и
отдельных ее устройств и элементов в графическом и табличном виде), отметить
интересующие нас характеристики и сформировать отчет в полном или частичном
виде. На рис.2 показана загрузка линий
связи в конкретном эксперименте.
рис 2. Загрузка линий связи
Подменю "Помещение
эксперимента в архив" позволяет записать исходные данные и результаты
проведенного эксперимента (в полном виде или выборочно с помощью системы меню)
в базу данных экспериментов в архивированном виде.
Подменю "Выход"
позволяет закончить работу с системой.
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
TurboPascal.
Исходная имитационная модель
написана на GPSS. УСМ работает с уже готовой имитационной программой при
различных вариантах исходных данных.
Ниже приводится более
подробное описание работы подменю "Исходные данные
моделирования" (рис. 3).
рис 3. Планирование имитационных экспериментов в УСМ
На
первой стадии пользователь определяет, будет ли он создавать совершенно новые
данные для модели или будет корректировать данные уже проведенных экспериментов.
Если создаются новые данные, то необходимо воспользоваться шаблоном исходных
данных, который состоит из шаблона устройств и приборов и шаблона массивов.
Первый шаблон представляет собой таблицу, где пользователь определяет для
устройств и приборов характеристики, такие как емкость и время обслуживания, а
в некоторых случаях вероятность выхода устройства из строя - надежность. Второй
шаблон представляет собой таблицы, в которые пользователь записывает информацию,
которая определяется в моделях в матричном, функциональном виде или в виде
констант. Шаблоны для различных РСОИ строятся индивидуально с учетом особенностей
каждой из систем.
Если пользователь только
корректирует исходные данные, то он обращается к базе данных имитационных
экспериментов. Информация о каждом эксперименте содержит исходные данные (база
данных моделей) и отчет о результатах эксперимента (база данных результатов).
Вся информация содержится в табличном виде. После того, как пользователь
сформировал исходные данные для модели, программными средствами формируется
таблица входных данных модели для данного эксперимента и пользователь имеет
возможность еще раз просмотреть исходные данные и сделать их коррекцию уже в данной
таблице.
После
завершения этапа формирования исходных данных пользователь определяет режим
проведения имитационного эксперимента: режим анимации и графический режим. При
режиме анимации на мониторе появляется схематичное изображение всех устройств
моделируемой системы. При запуске модели движение сообщений (транзактов)
отображается на экране в виде движущихся небольших объектов, причем в
зависимости от своих характеристик эти объекты различаются формой, размерами,
цветом. Например, сообщения, принятые приемной станцией имеют свой цвет, в
зависимости от номера станции. После первичной телеметрической обработки каждое
сообщение поменяет свою форму, но цвет при этом останется тем же. Отображение
на экране имитационного эксперимента может происходить в реальном времени, в
замедленном и убыстренном варианте, при этом пользователь имеет возможность
полностью управлять экспериментом. В любой момент времени пользователь может
остановить эксперимент и сделать коррекции в системе, такие как изменения любых
характеристик устройств (включая выход из строя и восстановление), изменение
маршрута движения сообщения (включая дублирование и уничтожение сообщений), изменение
времени моделирования и другое. При этом пользователь может заранее определить
ключи для ручного моделирования и повесить их на клавиши клавиатуры. Тогда
возможно активировать планируемое событие в системе, например поломку или изменение
пропускной способности устройства, в любой момент времени. Пользователь может
воспользоваться ключами из списка ключей или написать свой ключ с помощью меню.
В графическом режиме
пользователь имеет возможность отобразить на экране динамическое изменение во
времени различных характеристик всей системы и отдельных ее устройств (выбор из
готового списка или формирование самостоятельно с помощью меню), а с помощью
выбранных ключей для ручного моделирования управлять процессом моделирования.
После выбора режима
отображения, всех его ключей и элементов формируется окончательная таблица
входных данных эксперимента и условий его проведения. Если данная таблица
удовлетворяет пользователя, то он выходит из данного пункта меню, в противном
случае возвращается к этапу коррекции исходных данных или этапу выбора режима
отображения имитации.
Типичным примером РСОИ
является АСУ ЛА. АСУ ЛА представляет сложную систему, осуществляющую сбор,
передачу и обработку телеметрической информации, поступающей с борта
летательных космических аппаратов (ЛА), которые выступают в качестве источников
информации. Для охвата всей траектории движения ЛА ППИ приходится располагать
на значительном удалении друг от друга. Таким образом, возникает сеть
информационно-измерительных и вычислительных комплексов. При создании комплекса
использован принцип централизованного управления через Центр управления полетом
(ЦУП). Разработанный комплекс моделей был
успешно внедрен при оптимизации функционирования космодрома, при проектировании ряда РСОИ [2], а также - в
учебный процесс Московского Авиационного института.
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. Оптимизационно-имитационный
подход в задачах анализа и синтеза структуры распределенных систем обработки
информации. Труды института. Том XXVI. М.: Институт
проблем управления, 2005.