Введение к работе
Актуальность темы. Возрастающая сложность технических объектов, управляемых операторами, большой объем обрабатываемой информации, рост психологических нагрузок, сбои в работе оборудования определяют актуальность задачи разработки и эксплуатации средств подготовки операторов. До последнего времени тренажерная техника активно развивалась только в крупных учебных центрах (УЦ), оснащенных тренажерами базовой подготовки, в основу которых были положены принципы обеспечения адекватности моделирования объекта, возможности расширения функций тренажеров при модернизации штатных объектов управления, использование недорогой вычислительной техники. В тренажерах штатное оборудование, как правило, заменяется программно-управляемыми имитаторами. Средства, обеспечивающие информационное поле рабочего места обучаемого с индикаторами приборной среды, имитацию внешней визуальной обстановки и моделирование логики работы объекта, образуют программно-аппаратный комплекс (ПАК) тренажера.
Ядром современного ПАК является специализированная вычислительная система (ВС), в которой функциональные возможности определяются используемыми аппаратными и программными средствами. В тренажере специализированная ВС объединяет средства сопряжения с имитаторами, сбора и обработки информации с датчиков положения органов управления, а также обеспечивает решение заранее определенного набора функциональных задач. В настоящее время наиболее проработана кластерная архитектура ВС, на базе офисных ПЭВМ, как правило, применяемая в тренажерах базовой подготовки.
В последнее время все более широкое распространение получил класс мобильных тренажеров, используемых в местах базирования реальных объектов управления и обеспечивающих поддержание навыков операторов. Тренажеры данного класса сохраняют функциональные возможности тренажеров базовой подготовки в части состава моделей и адекватности моделирования объекта, обеспечения тренировки оператора, работы инструктора. При этом мобильные тренажеры должны иметь возможность: многократного перемещения; быстрого развертывания даже в недостаточно подготовленных для этого условиях; обладать высокой надежностью при эксплуатации в жестких климатических условиях. Перечисленные требования к мобильным тренажерам ставят задачу поиска иного технического решения построения ПАК. Одним из вариантов реализации может быть специализированная ВС на базе SMP-архитектуры (Symmetrical Multi Processor systems –системы с равноправным доступом процессорных блоков (ПБ) к общей оперативной памяти (ОП)), которая позволяет строить многопроцессорные ВС с гарантированной доставкой управляющих команд, а за счет выбора соответствующих аппаратных средств, удовлетворяющих требованиям построения мобильных тренажеров, обеспечить надежную работу ПАК. Несмотря на отмеченные преимущества, указанная архитектура в настоящее время находит ограниченное применение в тренажеростроении. Причиной этому является необходимость обеспечения жесткой аппаратной связи между вычислительными модулями и устройствами сопряжения с объектом (УСО), что часто приводит при модернизации изделия к расширению аппаратной части ВС и доработке ПС и, соответственно, повышению стоимости тренажера в целом. Этим объясняется то, что подход к построению многопроцессорных специализированных ВС на базе SMP-структур как основы ПАК тренажерных средств (ТС) в настоящее время проработан недостаточно.
Поэтому в связи с расширением области использования мобильных тренажеров и активным их внедрением в процесс подготовки операторов, актуальной становится задача разработки общих принципов построения специализированной ВС с SMP-архитектурой на базе математических моделей с последующей их программной реализацией.
Диссертация выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 г.», утвержденной постановлением Правительства РФ № 660 от 5.09.01, в соответствии с научным направлением Южно-Российского государственного технического университета (НПИ), раздел «Проблемы автоматизации обработки информации в тренажно-обучающих информационных и управляющих комплексах» по теме 7.05 «Разработка теоретических основ проектирования корпоративных информационных систем» (утвержденного решениями ученого совета от 25.04.2001 и 1.03.2006). Разработанные программные средства и методические материалы использовались в учебном процессе при проведении лабораторных работ по курсу «Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей» для студентов специальностей 010503 (351500) и 230105 (220400) в ЮРГТУ (НПИ).
Цель диссертационной работы заключается в разработке математических моделей специализированной ВС с SMP-архитектурой, а также инструментального комплекса программ, позволяющего принимать наиболее рациональные технические решения на этапе эскизного и технического проектирования ПАК ТС.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач исследования:
провести систематизацию функций тренажерных средств;
определить особенности и проблемы, возникающие при построении ПАК мобильных тренажеров, и провести их критический анализ;
выбрать и сформулировать критерии эффективности проектируемого ПАК мобильного тренажера;
разработать имитационные модели возможных вариантов построения специализированных ВС мобильного тренажера с SMP-архитектурой;
исследовать временные характеристики информационных потоков на системной шине (СШ) специализированной ВС с SMP-архитектурой ТС;
разработать аналитические модели возможных вариантов построения специализированной ВС мобильного тренажера с SMP-архитектурой;
разработать инструментальный комплекс программ, который позволяет решать задачу выбора рациональных вариантов SMP-структур для мобильных тренажеров на этапе их проектирования.
Методы исследования. В диссертационной работе используется аппарат теории вероятностей, математической статистики, теории массового обслуживания, а также другие методы математического моделирования.
Научная новизна работы заключается:
в построении новых математических (аналитических и имитационных) моделей SMP-структур, защищенных авторскими свидетельствами, учитывающих время подключения источника заявки к обслуживающему устройству с дополнительной функцией в виде предобслуживания заявок;
в разработке программных средств, реализующих проверку технических решений, принимаемых в процессе разработки ПАК ТС на базе SMP-архитектуры.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
разработаны структуры ряда специализированных ВС с SMP-архитектурой, позволяющие уменьшать время на выбор арбитром СШ из очереди на обслуживание ПБ в соответствии с заложенным алгоритмом (арбитраж СШ);
разработаны математические (аналитические и имитационные) модели SMP-структур с учетом времени подключения источника заявки к обслуживающему устройству и предобслуживанием заявок, позволяющие более корректно описывать процесс информационного обмена;
разработаны инструментальные программные средства, позволяющие выполнять проверку технических решений на этапах эскизного и технического проектирования.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на: II международной научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах» Новочеркасск, 2001; отчетной конференции-выставке подпрограммы 205 «Транспорт». Научно-технической программы Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», Москва-Звенигород 2002г; научно-технической конференции «Тренажерные технологии и симуляторы -2002» Санкт-Петербург, 2002; V международной научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах» Новочеркасск, 2004; VII международной научно-практической конференции «Моделирование, теория, методы и средства» Новочеркасск, 2007.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 3 авторских свидетельства на изобретение, 4 статьи, 8 тезисов докладов на международных и всероссийских научно-технических конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 107 наименований и четырех приложений. Работа изложена на 241 страницах, содержит 93 рисунка и 26 таблиц.
