Моделі, методи та програмно-технічні засоби створення відмовостійких цифрових систем керування з програмованою логікою

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

МОДЕЛІ, МЕТОДИ ТА ПРОГРАМНО-ТЕХНІЧНІ ЗАСОБИ СТВОРЕННЯ ВІДМОВОСТІЙКИХ ЦИФРОВИХ СИСТЕМ КЕРУВАННЯ З ПРОГРАМОВАНОЮ ЛОГІКОЮ

Виконав:

Ушаков Андрій Олександрович

Харків - 20051. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дослідження. Сучасні системи керування літальних комплексів проектуються як федеративно-централізовані системи. Однак на сьогодні вже сформовані вимоги до архітектури наступного покоління таких систем - цифрових систем керування з програмованою логікою (ЦСКПЛ). Це функціонально-орієнтована архітектура, що організована як інтегроване обчислювальне середовище, в якій відсутній регулярний розподіл засобів обчислювальної техніки за функціональними підсистемами й інформаційними каналами комплексу бортового устаткування. Така архітектура підтримує вимоги адаптивності, масштабування й відкритості. Для їх реалізації сучасні виробники надвеликих інтегральних мікросхем і проектувальники пропонують розподілені системи, придатні до реконфігурації. Одним із варіантів їх створення є програмована логіка, що має достатню ресурсоємність, обчислювальну потужність і адаптивну, здатну до реконфігурації архітектуру та реалізує концепцію системи на одному кристалі (СОК), що забезпечує реалізацію на кристалі усієї цифрової (або й аналого-цифрової) частини системи керування на одній НВІС.

Найбільш значущими і масштабними прикладами СОК-реалізацій цифрових систем керування можна назвати цифрові системи керування австралійського наукового супутника FedSat (High Performance Computer - HPC-I, HPC-II), розробленого дослідницьким центром супутникових систем університету Джона Хопкінса спільно з центром космічних польотів Goddard NASA. Також розроблено систему моніторингу і детектування катастроф (DDMS) зондувального супутника, автономну систему навігації супутника (ASNS). Останніми спільними розробками концерну NASA і лабораторії реактивного палива (Jet Propulsion Laboratory) стали система керування двигуном дослідницького всюдихода Spirit місії MARS2003, його рульовими пристроями, маніпуляторами і камерами, а також системи керування відповідальними піротехнічними операціями при його спуску і приземленні. Широке застосування ЦСКПЛ одержали у військових системах керування запуском і наведенням ракет, радарами і сонарами (Abrams, Patriot, Hellfire, Seawolf, Tomahawk тощо), а також в аерокосмічних системах керування (Apache, Ariane 5, B-52, Eurofighter, Rafael, Skybridge, F-18, F-111, Space Shuttle, Comanche, Tornado тощо). Останнім часом досвід створення високонадійних СОК-реалізацій систем керування переноситься від високотехнологічної оборонної промисловості до автомобільних систем, що вирішують задачі керування двигуном, забезпечення безпеки, навігації, комунікації. Прикладом може бути система керування двигуном, що розроблена BMW WilliamsF1 для гоночних автомобілів. Вітчизняні розробки ЦСКПЛ пов'язані з системами керування загальнолітаковим устаткуванням літака Ан-70, протиобліднювальним обладнанням, двигуном і кондиціонуванням повітря літака Ан-140, аварійним захистом АЕС.

Системи керування літальних комплексів відносять до класу критичних систем, причому з жорсткими вимогами до відмовостійкості й живучості. Аналіз статистичних даних про відмови систем керування ракетно-космічної техніки за 90-ті роки говорить про те, що їх частка була на другому місті після відмов ступенів ракетоносіїв і склала приблизно 23 %. Досвід реалізації керуючих систем з програмованою логікою, що працюють в агресивному середовищі (при реалізації піроконтролера місії MARS2003 на FPGA-мікросхемі на основі SRAM), свідчить про високу кратність і частоту відмов (шість відмов логічних комірок у день).

До теперішнього часу існує ряд методів підвищення відмовостійкості ЦСКПЛ, заснованих на структурному резервуванні. Структура системи при цьому є статичною і, відповідно, має суттєвий недолік - відмову системи при переході припустимого порога (кількості й набору) відмов структурних елементів, зумовленого схемою резервування. Для забезпечення високого ступеня відмовостійкості таких систем необхідно реалізувати складні відновлювальні органи, що потребують суттєвого ресурсу програмованої логіки. У той же час виробники найбільш потужних систем програмованої логіки пропонують можливість динамічної реконфігурації. Ця архітектурна можливість дозволяє забезпечувати відмовостійкість системи більш простими схемами резервування, динамічно перерозміщати проект при зниженні припустимого порога внаслідок накопичення та кластеризації відмов, а також розвити існуючи методи багато параметричної адаптації. Такі можливості вимагають визначення того, як проводити реконфігурацію, а також як вони вплинуть на метод створення відмовостійкої системи у цілому.

Таким чином, актуальною науковою задачею є розробка й удосконалення методів і програмно-технічних засобів створення відмовостійких цифрових систем керування з програмованою логікою, що забезпечують динамічну реконфігурацію при кратних відмовах їх елементів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких викладено в дисертації, проводилися відповідно до державних планів НДР, програм і договорів, що виконувалися в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського та в інших організаціях:

- “Розробка науково-методичних основ й інформаційних технологій оцінки та забезпечення відмовостійкості та безпеки комп'ютеризованих систем аерокосмічних комплексів критичного застосування” (Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, № ГР 0103U004093, 2003);

- “Розробка науково-методичного забезпечення відмовобезпеки цифрових систем контролю та управління АЕС при використанні програмованих ВІС”, шифр “Надійність - Д” (НПВМП, “АСУ ХАІ”, Д2/2002, № 0104U003502, 2003);

- “Розробка моделей і методів оцінки надійності систем управління й обробки інформації телекомунікаційних мереж”, шифр “Натиск” (Полтавський військовий інститут зв'язку, Міністерство оборони України, № 179-Н, 2002).

Роль автора в зазначених науково-дослідних темах і проектах, в яких дисертант був безпосереднім виконавцем, полягає в розробці моделей, методів і програмно-технічних засобів оцінки надійності ЦСКПЛ, заснованих на структурно-просторовому підході до їх аналізу та побудови.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення відмовостійкості ЦСКПЛ, зниження часу і вартості їх створення на основі структурно-просторового підходу до моделювання й розробки.

Для досягнення поставленої мети вирішуються такі задачі:

- аналіз методів забезпечення відмовостійкості й обґрунтування вибору варіантів реалізації відмовостійких ЦСКПЛ;

- розробка аналітичної й імітаційної моделей надійності ЦСКПЛ при кратних відмовах;

- розробка методу структурно-просторової адаптації ЦСКПЛ при кратних відмовах;

- удосконалення методу вибору відмовостійких структур ЦСКПЛ з урахуванням вимог до надійності та обмежень на габаритно-масові й енергетичні характеристики;

- розробка програмно-технічних засобів створення відмовостійких ЦСКПЛ для літальних комплексів.

Об'єкт досліджень - процеси функціонування й розробки відмовостійких систем керування з програмованою логікою.

Предмет досліджень - методи й програмно-технічні засоби розробки, моделювання й реалізації відмовостійких цифрових систем керування з програмованою логікою й адаптації їх структур.

Методи досліджень. В основу методології досліджень дисертаційної роботи було покладено принципи системного аналізу. При розв'язанні наукових задач використовувалися методи теорії надійності - при розробці структурно-просторової моделі ЦСКПЛ; методи теорії автоматичного керування, теорії ймовірності та математичної статистики - при розробці аналітичної й імітаційної моделей, а також методу структурно-просторової адаптації ЦСКПЛ.

Наукова новизна одержаних результатів дисертаційного дослідження, які виносяться на захист, полягає в такому:

1) вперше одержано аналітичні залежності для розрахунку ймовірності збереження працездатності ЦСКПЛ, що базуються, на відміну від відомих, на аналізі взаємного просторового розташування функціональних областей і елементів, що відмовили, та дозволяють оцінити стійкість системи до відмов різної конфігурації;

2) вперше запропоновано імітаційну модель відмовостійких ЦСКПЛ, засновану, на відміну від відомих, на операціях задання просторово-часових параметрів кратних кластерних відмов і резервування структур, що дає можливість підвищити точність оцінки надійності систем, які функціонують в умовах агресивного середовища;

3) удосконалено структурно-просторову модель відмовостійких ЦСКПЛ, що базується на її описі з урахуванням геометричної конфігурації, реального розміщення функціональних областей і фізико-логічному уявленні відмов елементів та дозволяє максимально використовувати ресурси СОК для забезпечення стійкості системи до кратних кластерних відмов;

4) удосконалено метод адаптації ЦСКПЛ до відмов, який базується на оперативному виборі й імплементації структури з найкращим показником імовірності збереження працездатності при заданих геометрії функціональних областей і законі їх конфігурування, що дозволяє підвищити стійкість системи до кратних кластерних відмов;

5) одержав подальший розвиток метод розробки ЦСКПЛ, що базується на операціях двоетапного вибору функціонально-надійністних структур СОК і дозволяє створювати системи із заданим рівнем відмовостійкості та обмеженнями на габаритно-масові й енергетичні показники.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що на основі проведених досліджень і запропонованих методів:

- одержано розрахункові формули для оцінки показників відмовостійкості ЦСКПЛ для заданих типів кратних кластерних відмов;

- запропоновано базові відмовостійкі архітектури ЦСКПЛ та алгоритм їх вибору;

- розроблено програмно-технічні засоби створення відмовостійких ЦСКПЛ з урахуванням вимог до надійності й обмежень на габаритно-масові характеристики.

Результати досліджень впроваджені в таких установах:

- НТСКБ “Полісвіт” Державного науково-виробничого об'єднання “Комунар” (м. Харків) у процесі розробки системи регулювання температури повітря за первинним теплообмінником літака Ан-70 та при оцінці надійності блоку ТМК-70 (акт впровадження від 17.03.2004);

- науково-виробничому комплексі “Автоматика та машинобудування” Державного підприємства “Східний гірничо-збагачувальний комбінат” (м. Жовті Води) в процесі розробки автоматизованої системи керування технологічними процесами гідрометалургійного виробництва та ядерно-фізичних концентратомірів рідкоземельних і радіоактивних елементів для них (акт впровадження від 14.04.2004);

- навчальному процесі Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” при розробці й вивченні дисциплін “Мікропроцесори і цифрові пристрої”, “Методи дослідження й моделювання комп'ютерних систем та мереж” (акт впровадження від 24.04.2004).

Особистий внесок здобувача полягає в розробці нових моделей, методів і програмно-технічних засобів створення цифрових систем керування, що забезпечують рішення поставленої в дисертації наукової задачі. Всі основні результати і висновки дисертаційної роботи отримані автором особисто. У роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачу належать: алгоритм подійного моделювання [1]; ідея виділення (класифікації) різних комірок логічної структури і переносу фізичної структури програмованої логіки на логічний рівень проекту системи керування [2]; моделі резервованих систем на програмованій логіці, аналітичні та експериментально підтверджені залежності імовірності збереження працездатного стану ЦСКПЛ від розподілу ресурсу між функціональними областями [4]; обґрунтування найімовірніших конфігурацій відмов залежно від виду впливу [5]; оцінка наслідків реконфігурації при накопиченні відмов та формулювання методу структурно-просторової адаптації [6]; спрощена імітаційна модель дубльованої і мажоритарної триканальної структур і перевірочні аналітичні залежності [8]; ознаки класифікації й принципи побудови множини відмовостійких ЦСКПЛ [9]; інструментальний засіб моделювання й вибору відмовостійкої ЦСКПЛ із можливістю настроювання генератору відмов [10]; постановки задачи моделювання й визначення набору моделей ЦСКПЛ [11]; визначення програмно-технічних засобів, необхідних для моделювання відмов ЦСКПЛ [12]; архітектура моделюючого комплексу [13]; методика програмного моделювання ЦСКПЛ [14]; комплекс аналітичних залежностей для одноканальної, дубльованої і триканальної мажоритарної структур із засобами контролю, діагностування і реконфігурації, що відрізняються наявністю чи відсутністю індивідуальних входів/виходів [15]; принципи побудови генератора кластерних відмов та набір і діапазони змін їх параметрів [16]; архітектура імітаційної моделі з параметрами, що настроюються відповідно до типів відмов [17].

Апробація результатів дисертації. Наукові положення та висновки дисертаційної роботи доповідались й обговорювались на постійно діючому науково-технічному семінарі “Критичні комп'ютерні технології та системи” кафедри “Комп'ютерні системи та мережі” Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” у 2002-2004 рр., а також на конференціях:

- “International Conference on Information Systems, Technologies and its Applications” (м. Харків, НТУ “ХПІ”, 2001, 2003 рр.);

- Міжнародній науково-технічній конференції “Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні” (м. Харків, НАКУ “ХАІ”, 2001, 2003 рр.);

- Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України” (м. Харків, ХДТУСГ, 2001-2003 рр.);

- I Обласній конференції молодих вчених Харківщини (м. Харків, НАКУ “ХАІ”, 2002 р.);

- IV Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні та електронні технології” (м. Одеса, ОНПУ, 2003 р.);

- 10^th International Conference “Mixed Design on Integrated Circuits and Systems” (м. Лодзь, Польща, 2003 р.);

- “East-West Design & Test Conference” (м. Алушта, ХНУРЕ, 2003, 2004 рр.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано в сімнадцяти друкованих працях, серед яких один навчальний посібник, вісім статей в наукових виданнях, які включено до Переліку ВАК України (три статті в наукових журналах, п'ять статей в збірниках наукових праць), дві доповіді і чотири тези доповідей у збірниках наукових праць конференцій, а також два свідоцтва про реєстрацію авторського права на комп'ютерні програми.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація має вступ, чотири розділи, висновки та додатки. Повний обсяг дисертації складає 271 сторінка, у тому числі 42 рисунки на 25 окремих сторінках, 29 таблиць на 19 окремих сторінках, список з 124 використаних літературних джерел на 11 сторінках, а також 7 додатків на 80 сторінках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ дисертаційної роботи містить: обґрунтування актуальності теми й наукових задач; інформацію про зв'язок роботи з науковими програмами; мету й задачі дослідження; об'єкт, предмет і методи дослідження; характеристику наукової новизни й практичного значення отриманих результатів, а також особистого внеску здобувача; дані щодо реалізації, апробації та публікації результатів.

У першому розділі проведено аналіз вимог і функцій ЦСКПЛ літальних комплексів. Виходячи з результатів аналізу типових функцій керування літальними апаратами та комплексами, визначено класи систем керування, які доцільно реалізувати як ЦСУПЛ. На підставі аналізу вимог до надійності систем керування встановлено обсяг робіт по забезпеченню її необхідного рівня. Вони базуються на процедурах, встановлених стандартами і доповнених процедурами аналізу критичності функцій, можливості реалізації функціональності, видів і наслідків відмов, а також методик їх ослаблення і парирування. Показано, що сучасні ЦСКПЛ доцільно проектувати як СОК-системи або ієрархії СОК-систем залежно від складності функції, що виконуються. Крім відмов, викликаних дефектами проектування й самих компонентів, сучасні СОК втрачають працездатність через відмови внаслідок впливу агресивного середовища (рис. 1). Серед існуючих можливих методів ослаблення наслідків відмов проаналізовано найбільш поширені методи резервування.

На основі аналізу функцій, вимог до надійності виконання функцій, мінімізації реакції системи на їх наслідки і можливостей елементної бази сформульовано загальні принципи формування архітектурних рішень при СОК-реалізації, що відрізняються варіантами розміщення обов'язкових функціональних областей на програмованій логіці або поза нею.

Обґрунтовано набір показників оцінки надійності ЦСКПЛ, характерний для аерокосмічних систем керування, що не обслуговуються. Показники повинні характеризувати надійність реалізації функцій системи та небезпеку виникнення в системі аварійних ситуацій на інтервалі часу або при деякій події внаслідок впливу екстремальних факторів.

Другий розділ дисертації присвячено розробці структурно-просторовій моделі представлення ЦСКПЛ (рис. 2) та аналітичних залежностей для оцінки їх відмовостійкості. В основу розробки покладено операцію розбивання ПЛ на ряд логічних комірок (N - їх відповідна кількість) за принципом рівності наслідків відмов. ПЛ задається фізичним рівнем (реального фізичного розташування структурних елементів мікросхеми), і логічним рівнем (розподілу елементарних логічних комірок). Зв'язок рівнів здійснюється через приналежність комірок обох рівнів функціональним областям ЦСКПЛ і адекватне проектування фізичної відмови на логічний рівень. Функції ЦСКПЛ поділяються за рівнем критичності до відмов і відповідно до цього приймається рішення про доцільність їх ослаблення.

Розроблено варіанти побудови уніфікованих резервованих структур ЦСКПЛ, що відрізняються набором функціональних областей і характером їх полюсів відносно виводів НВІС (індивідуальних чи групових) (рис. 3).

На підставі інформації про архітектуру ПЛ, рівень резервування, розміщення й ресурс системи, тобто конфігурацію ЦСКПЛ, а також конфігурацію відмови розроблено аналітичні залежності оцінки імовірності збереження працездатності (ІЗП) ЦСКПЛ. Елементарними відмовами ЦСКПЛ є логічні комірки, комірки вводу/виводу і блочного ОЗП. Моделювання проводиться для некластерних і кластерних відмов обмеженої кратності (табл. 1). Залежності базуються на аналізі варіантів взаємного просторового розташування функціональних областей і елементів, що відмовили.



Обґрунтовано допущення про розподіл ресурсу ПЛ між функціональними областями відмовостійких ЦСКПЛ. Отримано і проаналізовано відповідні аналітичні залежності для CPLD- і FPGA-архітектур при реалізації на ПЛІС, виходячи із сформульованих задач моделювання:

1) дослідити залежність ІЗП від архітектури ПЛІС (рис. 4), що відрізняються співвідношенням ресурсів логічних комірок і виводів;

2) дослідити залежність ІЗП від кількості логічного ресурсу, що відводиться на різні функціональні області структури (рис. 4);



3) дослідити залежність ІЗП від структури резервованої системи;

4) порівняти мажоритарну триканальну і дубльовану структури в залежності від обсягу ресурсу ЦСКПЛ на спеціалізовану (нерезервовану) частину системи.

Дано рекомендації щодо реалізації ЦСКПЛ при різних розподілах ресурсу між областями. Оцінено швидкість зменшення рівня ІЗП ЦСКПЛ при накопиченні відмов і подальшій реконфігурації (рис. 5).

Третій розділ присвячено розробці та дослідженню імітаційної моделі відмовостійких ЦСКПЛ. Для зняття обмежень аналітичних залежностей, пов'язаних з неможливістю опису довільного закону просторового розташування кластерів і функціональних областей, розроблено методику імітаційного моделювання

1) спрощене подійне моделювання відмов фіксованої конфігурації при прямокутних функціональних областях зі змінюваними сторонами;

2) моделювання за допомогою генератора, що настроюється і задає розподіл размірностей і кратностей суміші кластерних відмов, їх конфігурацію й часові параметри, а також конфігурацію функціональних областей.

Проведено дослідження моделі при різних значеннях сторін прямокутних функціональних областей, порядку розташування критичних і некритичних до відмов областей, кратних відмов і змінюваній відстані між областями (рис. 7). Це дозволило виявити ступінь впливу конфігурацій областей ЦСКПЛ на їх надійність.

З метою доказу адекватності імітаційної моделі було розроблено перевірочні точкові аналітичні залежності, що дозволяють описати випадки одночасної відмови декількох функціональних областей при відстані між ними, меншій за розмірність кластера.

Отримані результати дозволили визначити задовільну збіжність аналітичної й імітаційної моделей, що є додатковим підтвердженням їх достовірності. На підставі результатів аналітичного й імітаційного моделювання розроблено метод адаптації ЦСКПЛ до відмов, що накопичуються, заснований на завчасному чи оперативному виборі й імплементації структури з найкращим показником імовірності збереження працездатності при заданому ресурсі функціональних областей і законів відмов.

Метод адаптації доповнено можливістю модуляції закону генерації конфігурацій функціональних областей. На прикладі системи регулювання температури повітря в салоні літака побудовано пріоритетний ряд законів конфігурування й типів відмовостійких структур (рис. 8) при однаковій частці ресурсу ПЛ на функціональні області, різних параметрах законів і фіксованому розподілі розмірностей і кратностей кластерних відмов. Це дозволяє підвищити стійкість системи до кратних кластерних відмов. Таким чином реалізується двопараметрична (за структурою та конфігурацією) адаптація до відмов. Показано, що метод дозволяє підвищити відмовостійкість ЦСКПЛ за показником ІЗП на 15…35 %.



Виявлено, що кращим законом генерації конфігурації функціональних областей (серед розглянутих рівномірного і нормального законів) є нормальний закон з найменшим можливим середньоквадратичним відхиленням, при цьому центри областей мають бути рознесені на максимальні відстані (рис. 9). Однак вибір найменшої дисперсії вимагає збільшення часу генерації координат, що обмежує застосування імітаційної моделі як інструмента вибору конфігурації системи в режимі реального часу і може спричинити резервування системи.

У четвертому розділі дисертації запропоновано метод і програмно-технічні засоби вибору відмовостійких структур ЦСКПЛ з урахуванням вимог до надійності й обмежень на габаритно-масові й енергетичні характеристики.

Для опису всієї множини відмов (природних і під впливом агресивного середовища) пропонується узагальнена імітаційна модель. Така модель надає можливість переходу від подійної моделі до моделі, що описує деградацію системи в часі.

Зроблено висновок про те, що найкращими варіантами системи регулювання температури повітря літака Ан-70 є змінюваний відповідно до кількості відмов ряд дубльованих, мажоритарних триканальних, одноканальних структур (див. рис. 4).

Запропоновано метод розробки ЦСКПЛ, що базується на операціях двоетапного вибору (структури і конфігурації) функціонально-надійністних структур СОК і дозволяє створювати системи із заданим рівнем відмовостійкості й обмеженнями на терміни і вартість розробки. Вхідною є інформація про одноканальний варіант ЦСКПЛ, типові варіанти реалізації структур системи, показники оцінки різних структур, статистики відмов елементів системи. Метод ґрунтується на процедурах оцінки відмовостійкості, вибору структури і типу адаптації.

Розроблено набір програмних засобів підтримки моделювання ЦСКПЛ. Для підвищення вірогідності розроблено програмно-апаратний комплекс. Відмови систем, що досліджуються в такому комплексі, вносяться програмно (дефекти проектування на стадії компіляції проекту після створення файлу трасування), перевірка ж наслідків відмов проводиться на апаратному комплексі. За результатами аналізу конкретних ЦСКПЛ показано, що впровадження запропонованих методів і засобів дозволяє підвищити ІЗП на 15…35 %. відмовостійкість цифрова система керування

ВИСНОВКИ

Задача забезпечення необхідного рівня надійності цифрових систем керування летальних комплексів, що функціонують в умовах впливу агресивного середовища, може бути вирішена різними методами ослаблення відмов. По-перше, це вибір високонадійної елементної бази та використання екранів. По-друге, це активні методики, засновані на можливості системи змінювати структуру для збереження працездатності. Адаптивність є однією з найпривабливіших властивостей, що притаманні реконфігурованим розподіленим системам за рахунок надмірності логічних і трасировочних ресурсів. Такі системи забезпечують можливість багатопараметричної структурно-просторової адаптації, що потребує розробки відповідних методів моделювання. З метою вибору доцільних параметрів адаптації існуючі методи розробки і відповідні системи підтримки прийняття рішень мають бути доповнені процедурами вибору варіантів за рівнем надійності, вартістю, масовими, енергетичними та іншими експлуатаційними характеристиками. У зв'язку з цим у дисертації наведено теоретичне обґрунтування та нове рішення актуальної наукової задачі розробки методів і програмно-технічних засобів моделювання й створення відмовостіких ЦСКПЛ, що забезпечують динамічну реконфігурацію при кратних відмовах їх елементів.

1. У дисертації отримано аналітичні залежності для розрахунку ймовірності збереження працездатності ЦСКПЛ, що базуються, на відміну від відомих, на аналізі взаємного просторового розташування функціональних областей і елементів, що відмовили, та дозволяють оцінити стійкість системи до відмов різної конфігурації.

2. Розроблено імітаційну модель відмовостійких ЦСКПЛ, засновану, на відміну від відомих, на операціях задання просторово-часових параметрів кратних кластерних відмов і резервування структур, що дає можливість підвищити точність оцінки надійності систем, які функціонують в умовах агресивного середовища.

3. Розроблено структурно-просторову модель відмовостійких ЦСКПЛ, що базується на її описі з урахуванням геометричної конфігурації, реального розміщення функціональних областей і фізико-логічному уявленні відмов елементів та дозволяє максимально використовувати ресурси СОК для забезпечення стійкості системи до кратних кластерних відмов.

4. Запропоновано метод адаптації ЦСКПЛ до відмов, який базується на оперативному виборі й імплементації структури з найкращим показником імовірності збереження працездатності при заданих геометрії функціональних областей і законі їх конфігурування, що дозволяє підвищити стійкість системи до кратних кластерних відмов.

5. Розвинуто метод розробки ЦСКПЛ, що базується на операціях двоетапного вибору функціонально-надійністних структур СОК і дозволяє створювати системи із заданим рівнем відмовостійкості та обмеженнями на габаритно-масові й енергетичні показники.

6. Запропоновані моделі, методи й програмно-технічні засоби, що базуються на структурно-просторовому представленні ЦСКПЛ, формалізованих процедурах аналізу і вибору варіантів та прийняття рішень про їх створення, розвивають науково-методичні основи аналізу і розробки відмовостійких систем керування з програмованою логікою.

7. Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що на основі проведених досліджень і запропонованих методів розроблено:

- розрахункові формули оцінки відмовостійкості ЦСКПЛ для різних типів кратних кластерних відмов;

- методики та програмно-технічні засоби оцінки стійкості ЦСКПЛ до кратних кластерних відмов;

- програмно-технічні засоби створення відмовостійких архітектур ЦСКПЛ і підтримки прийняття рішення про їх вибір з урахуванням вимог до надійності й обмежень на габаритно-масові характеристики.

8. Результати роботи дали можливість підвищити адекватність моделювання ЦСКПЛ при кратних відмовах, відмовостійкість систем та скоротити час і витрати на їх створення:

– концептуальної структурно-просторової моделі представлення систем і кратних кластерних відмов, що враховують внутрішню структуру і просторові параметри програмованої логіки;

– методик і програмно-технічних засобів підтримки процесу моделювання, оцінки та вибору одноканальних і резервованих структур систем з урахуванням умов експлуатації та вимог до них.

9. З урахуванням результатів впровадження наукових положень і висновків при розробці цифрових систем керування авіаційної техніки та процесами гідрометалургійного виробництва, можна говорити про 15…35-відсоткове підвищення відмовостійкості системи для відмов різної кратності.

10. Запропоновані методи і програмно-технічні засоби дозволяють автоматизувати процес прийняття рішення про доцільну реалізацію, структуру і конфігурацію ЦСКПЛ з урахуванням можливих обмежень на часові й матеріальні ресурси.

11. Достовірність нових наукових положень і висновків дисертаційної роботи підтверджується:

- результатами їх практичного впровадження в програмно-технічних засобах створення відмовостійких ЦСКПЛ авіаційних систем;

- результатами практичного використання моделей і методів при розробці варіантів побудови відмовостійкої системи регулювання температури повітря за первинним теплообмінником літака Ан-70 і автоматизованої системи керування технологічними процесами гідрометалургійного виробництва;

- збігом результатів оцінки стійкості ЦСКПЛ до кратних кластерних відмов з використанням розроблених аналітичних й імітаційних моделей.

12. Подальші дослідження доцільно проводити в напрямках розробки моделей і методів:

– оцінювання цифрових систем керування, реалізованих на розширеній множині розподілених реконфігуруємих архітектур з різною розрядністю обчислювача;

– оцінювання цифрових систем керування при різних класах дефектів проектування, що породжують закономірні кластерні відмови;

– резервування цифрових систем керування із програмованою логікою, що реалізують принцип діверсності та забезпечують стійкість до проектних дефектів;

– вибору щільності упакування проекту ЦСКПЛ в кристалі при гарантованому рівні надійності й обмеженнях щодо реконфігурації.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Методика моделирования и выбора отказоустойчивых структур встроенных систем управления на программируемых логических интегральных схемах / А. А. Ушаков, В. С. Харченко, В. В. Тарасенко, И. А. Фурман // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства “Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України”. - 2001. - № 6. - С. 30-34.

2. Ушаков А. О., Харченко В. С. Моделювання ПЛІС-проектів бортових систем з урахуванням факторів радіаційного середовища // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства “Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України”. - 2002. - № 10. - С. 401-405.

3. Ushakov A. A. The Analysis of Realization Variants of a Built-in Control System on Microcontrollers LSIC and PLDs // Вестник НТУ “ХПИ”. - 2002. - №8. - С. 62-65.

4. Ushakov A. A., Kharchenko V. S. Fault-tolerant on-board PLD-systems: a space-structural simulation and methods of adaptation // Radioelectronics & informatics. Proceedings of East-West Design & Test Conference (EWDTC-2003). - Yalta, Alushta, Crimea, Ukraine. - 2003. - № 3. - P. 100-106.

5. Якимец Н. В., Ушаков А. А. Анализ типов отказов и разработка настраиваемого генератора отказов ПЛИС // Вестник НТУ “ХПИ”. - 2003. - №6. - C. 149-152.

6. Ушаков А. А., Харченко В. С. Исследование встроенных систем управления с программируемой логикой и структурно-пространственной адаптации с использованием имитационных моделей // Системы обработки информации. - Х.: ХВУ. - 2004. - Вып. 4. - С. 201-206.

7. Ушаков А. А. Метод выбора отказоустойчивых архитектур встроенных систем управления с программируемой логикой // Вісник Технологічного університету Поділля. - 2004. - № 2, Ч. 1, Т. 2. - С. 150-154.

8. Ушаков А. А., Харченко В. С. Имитационное моделирование отказоустойчивых бортовых систем управления с программируемой логикой с учетом факторов среды // Авиационно-космическая техника и технология. Харьков, Нац. аэрокосм. ун-т “Харьк. авиац. ин-т”. - 2004. - № 4. - С. 74-89.

9. Ushakov A. A., Kharchenko V. S., Tarasenko V. V. Fault-tolerant embedded PLD-systems: structures, simulation, design technologies // Proceedings of the 10^th International Conference “Mixed design of integrated circuits and systems” (MIXDES-2003). - Lodz, Poland. - 2003. - P. 546-551.

10. Ushakov A. A., Kharchenko V. S. Methods of Modeling and Error-Tolerant Design of Dependable Embedded SOPC/FPGA-Decisions by Use of Multiversion Technology // Proceedings of East-West Design and Test Workshop (EWDTW'04). - Yalta, Alushta, Crimea, Ukraine. - 2004. - P. 172-178.

11. Тарасенко В. В., Ушаков А. А., Харченко В. С. Методика и система моделирования и выбора резервированных структур отказоустойчивых цифровых устройств на программируемых логических интегральных схемах // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. - 2001. - № 4. - С. 120.

12. Ушаков А. А., Харченко В. С. Принципы построения системы имитационного моделирования отказоустойчивых структур на программируемых логических интегральных схемах // Тр. IV Междунар. конф. “Современные информационные и электронные технологии”. - Одесса. - 2003. - С. 167.

13. Волковая А. В., Ушаков А. А. Разработка программно-аппаратного комплекса моделирования отказоустойчивых устройств на ПЛИС // Материалы Междунар. науч.-техн. конф. “Интегрированные компьютерные технологии в машиностроении”. - Харьков, Нац. аэрокосм. ун-т “Харьк. авиац. ин-т”. - 2003. - С. 196.

14. Якимец Н. В., Ушаков А. А. Разработка методики и инструментальных средств программного моделирования отказоустойчивых устройств на ПЛИС // Материалы Междунар. науч.-техн. конф. “Интегрированные компьютерные технологии в машиностроении”. - Харьков, Нац. аэрокосм. ун-т “Харьк. авиац. ин-т”. - 2003. - С. 237.

15. Харченко В. С., Тарасенко В. В., Ушаков А. А. Отказоустойчивые встроенные цифровые системы на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС): Учеб. пособие. - Х.: Нац. аэрокосм. ун-т “Харьк. авиац. ин-т”, 2004. - 210 с.

16. Свідоцтво № 10393 про реєстрацію авторського права на комп'ютерну програму “Настраиваемый генератор кластерных отказов логических ячеек программируемых логических интегральных схем”/ Ушаков А. О., Якимець Н. В. Видано Держ. департаментом інтелектуальної власності 24.06.2004.

17. Свідоцтво № 11145 про реєстрацію авторського права на комп'ютерну програму “Инструментальное средство поддержки имитационного моделирования устойчивости цифровых устройств на программируемых логических интегральных схемах к отказам различных конфигураций”/ Ушаков А. О., Якимець Н. В. Видано Держ. департаментом інтелектуальної власності 23.09.2004.

АНОТАЦІЯ

Ушаков А. О. Моделі, методи та програмно-технічні засоби створення відмовостійких цифрових систем керування з програмованою логікою. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.03 “Системи і процеси керування”. - Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Харків, 2005.

Дисертацію присвячено розробці моделей, методів та програмно-технічних засобів створення відмовостійких цифрових систем керування з програмованою логікою (ЦСКПЛ).

Науковими результатами є: аналітичні залежності для розрахунку ймовірності збереження працездатності ЦСКПЛ, які дозволяють оцінити різні резервовані структури з функціональними областями фіксованої конфігурації; імітаційна модель відмовостійких ЦСКПЛ, яка дозволяє оцінити різні резервовані структури з випадковою конфігурацією відмови; структурно-просторова модель відмовостійких ЦСКПЛ, яка дозволяє пов'язати фізичний рівень уявлення з логічним; метод адаптації ЦСКПЛ до відмов, який дозволяє за допомогою зміни резервованої структури і конфігурації отримати структуру з найкращим рівнем відмовостійкості; метод розробки ЦСКПЛ, який дозволяє за допомогою процедур вибору варіанта елементної бази, рівня резервування, і типу адаптації, на основі інформації про відмови і обмеження на структуру створити систему, що відповідає вимогам до відмовостійкості.

Запропоновані моделі, методи та інструментальні засоби дозволяють забезпечити необхідний рівень відмовостійкості системи, а також скоротити часові та вартісні витрати на створення ЦСКПЛ за рахунок наявності типових варіантів архітектур програмованої логіки та відсутності необхідності додаткового фізичного моделювання відмов, і забезпечити зниження частки ручних операцій у процесі їхнього створення й оцінки.

Ключові слова: цифрові системи керування з програмованою логікою, система на одному кристалі, відмовостійкість, структурно-просторова модель, багатопараметрична адаптація.

Ушаков А. А. Модели, методы и программно-технические средства создания отказоустойчивых цифровых систем управления с программируемой логикой. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.03 “Системы и процессы управления”. - Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт”, Харьков, 2005.

Диссертация посвящена разработке моделей, методов и программно-технических средств создания отказоустойчивых цифровых систем управления с программируемой логикой (ЦСУПЛ).

Проведенный анализ показывает, что современные ЦСУПЛ целесообразно строить как системы на одном кристалле (СОК) или иерархии СОК-систем в зависимости от сложности выполняемой функции. Кроме отказов систем, вызванных дефектами проектирования и самих компонент, современные СОК подвержены отказам из-за влияния агрессивной среды. При анализе существующих методов ослабления влияния показывается, что наиболее применимы методы резервирования.

На основе анализа функций, требований надежности их выполнения, минимизации реакции системы сформулированы общие принципы формирования архитектурных решений при СОК-реализации, отличающиеся вариантами размещения функциональных областей на программируемой логики или вне ее.

Для удобного представления ЦСУПЛ разработана структурно-пространственная модель. Ее основой является операция разбиения программируемой логики (ПЛ) на ряд логических ячеек по принципу равенства последствий отказов. ПЛ представляется физическим уровнем (реального физического расположения структурных элементов), и логическим уровнем (расположения логических ячеек). Связь уровней осуществляется через принадлежность ячеек обоих уровней функциональным областям ЦСУПЛ и адекватное проецирование физического отказа.

На основании информации об архитектуре ПЛ, уровне резервирования, размещении и занимаемом ресурсе (конфигурации ЦСУПЛ), а также конфигурации отказа разработаны аналитические зависимости оценки вероятности сохранения работоспособности (ВСР). Анализ проводился для некластерных и кластерных отказов.

Зависимости исследованы для CPLD- и FPGA-архитектур ПЛ. Даны рекомендации о выборе реализации ЦСУПЛ при различных распределениях ресурса между областями. Оценена скорость уменьшения отказоустойчивости ЦСУПЛ при накоплении отказов и последующей реконфигурации.

Для снятия ограничений аналитической модели, связанных с невозможностью описания произвольного закона пространственного расположения кластеров и функциональных областей, разработана имитационная модель ЦСУПЛ.

Моделирование выполнялось в два этапа: упрощенное событийное моделирование отказов фиксированной конфигурации при прямоугольных функциональных областях с изменяемыми сторонами, расстоянием между областями и порядке их расположения; моделирование с помощью настраиваемого генератора, задающего пространственные и временные параметры, а также конфигурацию функциональных областей. Оно позволило выявить влияние конфигураций на отказоустойчивость.

В целях доказательства адекватности имитационной модели были разработаны проверочные аналитические зависимости для точечных значений, позволяющие описать случай одновременного отказа нескольких функциональных областей при расстоянии между ними меньшем, чем размерность кластера.

На основании результатов аналитического и имитационного моделирования разработан метод адаптации ЦСУПЛ к отказам, основанный на выборе и имплементации структуры с наилучшим показателем ВСР при заданном ресурсе функциональных областей и пространственном законе отказов, позволяющий повысить устойчивость системы к кратным кластерным отказам.

Метод адаптации дополнен возможностью модуляции закона генерации конфигураций функциональных областей. На примере системы регулирования температуры воздуха за первичным теплообменником самолета Ан-140 построен приоритетный ряд законов конфигурирования и типов отказоустойчивых структур при одинаковой доли ресурса ПЛ на функциональные области, различных параметрах законов и фиксированном распределении размерностей и кратностей отказов. Показано, что метод позволяет повысить отказоустойчивость ЦСУПЛ по показателю вероятности сохранения работоспособного состояния на 15…35 %. Установлен приоритетный ряд структур в зависимости от числа отказов. Сделан вывод о том, что наилучшими вариантами системы на первом этапе является ряд дублированных структур, затем приоритет отдается мажоритарным структурам, потом - одноканальным. Установлено, что наилучшим законом генерации конфигурации функциональных областей (среди рассмотренных равномерного и нормального) является нормальный закон с наименьшей возможной дисперсией. При этом центры областей должны быть разнесены на максимальные расстояния.

Развит метод разработки ЦСУПЛ, базирующийся на операциях двухэтапного выбора (структуры и конфигурации) функционально-надежностных структур ЦСУПЛ и позволяющий осуществить создание систем с заданным уровнем отказоустойчивости. В качестве входной информации алгоритм метода использует информацию об одноканальном варианте ЦСУПЛ, типовых вариантах реализаций структур, показателях их оценки, статистике о возможных отказах ПЛ и системы в целом. Метод основывается на процедурах выбора исходной структуры, инструмента оценки отказоустойчивости системы и типа адаптации.

Разработан набор программных средств моделирования ЦСУПЛ. Для повышения достоверности процесса моделирования разработан вспомогательный программно-аппаратный комплекс. Отказы в нем вносятся программно, как дефекты проектирования, проверка же последствий производится на аппаратном комплексе.

Результаты использовались при разработке системы регулирования температуры воздуха за первичным теплообменником самолета Ан-70 и автоматизированной системы управления технологическими процессами гидрометаллургического производства. Это позволило обеспечить необходимый уровень отказоустойчивости систем, сократить временные и стоимостные затраты за счет типовых вариантов архитектур и отсутствия этапа дополнительного физического моделирования, обеспечить снижение части ручных операций в процессе разработки.

Ключевые слова: цифровые системы управления с программируемой логикой, система на одном кристалле, отказоустойчивость, структурно-пространственная модель, многопараметрическая адаптация.

Ushakov A. A. Models, methods and program-technical means for designing the fault-tolerant digital control systems with programmable logic. - Manuscript.

Thesis on competition of scientific degree of candidate of technical sciences by specialty 05.13.03 “Systems and control procedures”. - National Aerospace University “Kharkov Aviation Institute”, Kharkov, 2005.

The dissertation is devoted to development of models, methods and program-technical means for designing the fault-tolerant digital control systems with programmable logic (DCSPL).

Scientific results are: the analytic dependencies for DCSPL up-state probability calculation which allows to estimate the various redundant structures with rectangular functional areas; a simulation model of fault-tolerant DCSPL which allows to estimate the various redundant structures with stochastic system's and fault's configuration; a space-structural model of fault-tolerant DCSPL which allows to tie together the programmable logic physical representation level and system logical level; an DCSPL adaptation method to faults which allows to find the structure with the best reliability level by means of redundant structure and configuration changing; a DCSPL development method which allows to make a system design by means of definition procedures of programmable logic variant, redundancy arrangement, estimation model and type of adaptation. The method is based on the initial information about the faults nature and systems restrictions.

The developed models, methods and program-technical means allow to provide a necessary reliability level and minimum system's cost, and also to reduce the timing and cost spending on DCSPL development. This effect is achieved due to availability of typical variants before the development stage, absence of additional physical simulation, and decreasing of a part of the manual operations during system designing and estimation.

Key words: digital control systems with programmable logic, system on chip, fault-tolerance, space-structural model, multiparametric adaptation.

Размещено на Allbest.ru