Алгоритмическое и программное обеспечение современного радиофизического эксперимента

Поскольку АСРФИ создается для решения определенного круга задач, связанных с исследованием ранее неизвестных свойств объектов исследования, характеристики ее звеньев и требования, предъявляемые к системе в целом, ориентированы на наиболее эффективную реализацию вполне определенных алгоритмов, обеспечивающих максимальную информативность. Следовательно, к началу разработки комплекса технических средств АСРФИ основные алгоритмы управления должны быть проработаны в такой степени, чтобы можно было получить оценки основных характеристик отдельных программ, их связей между собой и массивов данных.

Последовательность этапов создания алгоритмического и программного обеспечения приведена на рис. 1.8. В отличие от систем, предназначенных для решения задач, связанных с функционированием технических объектов, характеристики которых в значительной степени могут быть известны заранее, АСРФИ разрабатываются для исследования радиофизических объектов, свойства которых заранее, как правило, неизвестны. Поэтому задаче разработки алгоритмов управления обязательно предшествует решение задачи определения математических моделей, описывающих ОИ. Обе эти задачи составляют содержание алгоритмизации процесса измерения РФВ. Полученные математические модели ОИ и радиофизических процессов, протекающих в нем и определяющих его свойства, алгоритмы управления и реализующие их программы являются составной частью математического обеспечения АСРФИ.

Обобщенная схема алгоритмического обеспечения при реализации АСРФИ приведена на рис.1.9 Алгоритмы АСРФИ 1 определяются тремя укрупненными блоками: алгоритмы управления системой 2, алгоритмы ввода - вывода информации 3, алгоритмы решения вычислительных задач 4. Основными укрупненными функциями алгоритмов управления системой являются организация управления параметрами отдельных функциональных модулей (ФМ) 5 [оператор R₂¹ в формуле (1.27) при детализации оператора R₂] и структурной перестройкой 6 [оператор R₂² в (1.27)]. Блок алгоритмов 3 обеспечивает прием 7 и выдачу 8 [операторы R₂³, R₂⁴ в (1.27)] всех сигналов (и цифровых, и аналоговых) при взаимодействии ЭВМ с внешними устройствами. Блок алгоритмов 4 предназначен для решения всех вычислительных задач, которые функционально взаимосвязаны также и с предыдущими блоками алгоритмов. Предварительная цифровая обработка сигналов 9 [оператор R₂⁵ в (1.27)] предполагает обеспечение качества их дальнейшей обработки (предотвращение эффекта наложения спектров, цифровую фильтрацию сигнала, взвешивание введенных массивов цифровой информации весовыми окнами и т.д.), если в этом возникает необходимость.

Математическая обработка сигнала 10 [оператор R₂⁶ в (1.27)] должна обеспечивать все вычислительные процедуры, включая специальную математическую обработку для получения измерительного результата в конкретном РФЭ.

В случае, если АСРФИ по своей организации достигает уровня интеллектуальной, то ее функционирование обязательно предполагает создание экспертных систем, в функции которых также входит реализация соответствующих принципов управления [71-75] 11 [оператор R₂⁷ в (1.27)].

Для проведенной обобщенной классификации аппаратного и алгоритмического обеспечения АСРФИ с учетом сказанного выше, общее уравнение измерений в операторной форме будет иметь вид:

(1.31)

На схеме рис.1.9 разделение алгоритмов условное. Между ними существуют разветвленные функциональные связи, которые будут раскрыты далее.

В п.1.4 2 показано, что принципиального повышения информативности СРФИ можно достичь, внося элементы гибкости во все звенья ее аппаратного обеспечения и, следовательно, обеспечивая их адаптивные свойства, позволяющие программно перестраивать параметры СРФИ, не прерывая текущий эксперимент. Между этими звеньями и ЭВМ существуют функциональные связи, а управление их характеристиками в пределах гибкости осуществляется по определенным алгоритмам, реализуемым в ЭВМ программными средствами. Кроме того, возможности современных ЭВМ позволяют реализовать многие аппаратные аналоги ФМ в алгоритмическом исполнении. Причем во многих случаях характеристики алгоритмических ФМ лучше, чем у их аппаратных аналогов.

Рис.1.8 Последовательность этапов разработки алгоритмического и программного обеспечения сложной системы

Рис.1.9 Обобщенная структура алгоритмического обеспечения АСРФИ:

1 - алгоритмы; 2 - управления системой; 3 - обмена с внешними устройствами; 4 - решения вычислительных задач; 5 - функционального управления; 6 - структурного управления; 7 - ввод сигналов; 8 - вывод сигналов; 9 - предварительная цифровая обработка сигналов; 10 - математическая обработка сигнала; 11 - анализ баз данных и знаний, формирование логических выводов.

Программное обеспечение (ПО) АСРФИ разрабатывается на основе уже разработанных алгоритмов. После того как определен состав всех задач разрабатываемой АСРФИ, выбраны методы их решения, установлены информационные связи между ними и последовательность их решения, произведено их объединение в подсистемы, уместно распределить функции управления ими между программным обеспечением, техническим обеспечением и человеком (экспертом). Оно определяется, исходя из системных соображений, с учетом материальных затрат. Эти характеристики находят отражение в требованиях к алгоритму (или временной диаграмме) работы системы. Следовательно, построение алгоритма (временной диаграммы) и выбор распределения функций между экспертом, аппаратными и программными средствами представляют задачу, решение которой определяет все последующие решения.

Известно 76, что по функциональному признаку ПО также можно разделить на функционально завершенные ФМ. Всеобъемлющее, унифицированное ПО для сложного РФЭ создать практически невозможно. Некоторая унификация ПО возможна только для стандартизованных средств организации эксперимента, например с использованием упомянутых выше систем ВЕКТОР, КАМАК, FASTBUS, VME и др. [47, 77], имеющих также и логический стандарт.

Современными тенденциями в развитии ПО для обеспечения АСРФИ, вероятно, следует считать создание программных оболочек, в пределах которых возможен синтез виртуальных систем. Примером таких программных оболочек являются ПО в составе labVIEW, labWINDOWS и т.д. [78-80]. Одним из наиболее перспективных направлений развития ПО в настоящее время, очевидно, следует считать ПО для организации интеллектуальных систем. Однако, как далее будет показано, в этом случае обязательно будет сказываться специфика конкретного эксперимента, что в данном случае делает невозможным полную унификацию АО и ПО.

Существующие методы проектирования гибких систем для научных исследований

Появление микропроцессорных средств (МПС) сразу же привело к появлению нового класса измерительной техники - цифровых измерительных приборов (ЦИП) [79], обладающих некоторой функциональной гибкостью и адаптивностью (в частности, автоматическим выбором диапазонов измерений и т.д.), что в определенной степени делало их использование более удобным. Однако возможности МПС настолько значительны, что есть смысл использовать их не просто для измерения РФВ, но и для дальнейшей их математической обработки, чего не позволяют производить ЦИП из-за отсутствия возможности гибкого программирования.

С появлением МПС появились также мини - и микро-ЭВМ с возможностью гибкого программирования, способные взаимодействовать (производить обмен информацией) с внешними устройствами. Это обеспечивало возможность ввода и обработки измерительной информации в ЭВМ с использованием всех ее вычислительных и других возможностей. Наличие таких качеств у МПС привели к созданию разнообразных интерфейсных средств [46,81], обеспечивающих взаимодействие между МПС и другими устройствами в системах различной конфигурации и предназначенных в том числе для измерительных целей.

Появление интерфейсов позволило наращивать вычислительную мощность, объединяя несколько ЭВМ, создавать многоуровневые (иерархические) вычислительные структуры, позволившие решать все более сложные задачи, в том числе и в экспериментальных исследованиях [71, 82]. Наличие возможности выдачи информации из МПС во внешние устройства позволяет формировать управляющие воздействия по заданному алгоритму.

Стандартизация и унификация составных частей измерительных и управляющих вычислительных систем явились основой для создания формализованных методов проектирования измерительно-вычислительных комплексов (ИВК) на основе использования типовых технических решений [34, 83]. Одним из первых применений метода компоновки явилось создание АСУТП [84, 85]. Однако такие системы программной гибкостью и адаптивностью в режиме реального времени не обладают.

Дальнейшим развитием компоновочного метода является метод проектирования ИВК с применением унифицированных компоновочных элементов модульного типа (метод проектной компоновки [79, 86]). Как известно, ИВК являются средствами измерений, в состав которых входят измерительные, вычислительные и программные компоненты. В [86] отмечается, что для проектирования ИВК могут использоваться и аппаратные, и программные модули. Отдельные аппаратные субблоки могут быть построены на основе стандартных систем модульного типа (например, средства сопряжения в стандарте КАМАК). Такие измерительно-вычислительные средства обладают свойствами гибкости на уровне модульной перестройки. Однако им присущи недостатки, указанные в п.1.4.2

Проектирование особо сложных измерительных систем для проведения комплексных исследований в ядерной физике, физике космоса, аэрокосмических исследованиях и т.д. производится с использованием композиционного метода [71, 82]. Этот метод предполагает декомпозицию сложной задачи по нескольким важнейшим параметрам, решением которой занимаются многие коллективы профильных специалистов, с применением сетевого планирования. Результатом последующей композиции полученных решений являются сложные иерархические системы. Решение таких задач доступно только для группы научных коллективов (НИИ, КБ и т.д.).

Дальнейший прогресс в развитии ЭВМ и элементной базы привели к появлению новых подходов в разработке СРФИ: придание свойств максимальной гибкости, адаптивности и интеллектуализации (создание БД, БЗ и измерительных ЭС). В развитии средств сопряжения их гибкость стала обеспечиваться не принципом модульности, а с использованием программно-управляемых электронных коммутаций в пределах одной модульной платы. В последнее время стали также проявляться интеграционные процессы при синтезе как аппаратного, так и алгоритмического обеспечения СРФИ. Эти же процессы, но менее динамично, стали проявляться и при сращивании измерительно-вычислительной части СРФИ с экспериментальными установками. В частности, в нашем случае это проявлялось при реализации нескольких (более двух) смежных, взаимодополняющих и взаимозависимых методов измерения РФВ и при организации программно-управляемого воздействия на ОИ в составе одной и той же СРФИ [30, 31, 54, 87]. Интеграция аппаратного и алгоритмического обеспечения СРФИ в сочетании с внесением свойств гибкости и адаптивности при организации программно-управляемого воздействия но ОИ, безусловно, приводит к повышению их эффективности.

Однако главный недостаток, присущий указанным методам проектирования СРФИ, заключается в том, что недостаточно полно используются возможности метрологического критерия оптимизации в целях достижения предельных характеристик. Это приводит к неоптимальности синтеза СРФИ уже на начальном этапе, что в дальнейшем ведет к необходимости ее доработки.

Указанные выше недостатки существующих методов проектирования систем для проведения научных исследований требуют разработки новых методов, создания соответствующих гибких, программно-управляемых средств сопряжения и средств воздействия на ОИ с целью обеспечения адаптивных свойств этих систем для решения наиболее современных задач в радиофизических измерениях.

Литература