МНОГОУРОВНЕВАЯ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ГИДРОФИЗИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА АНАЛИЗА СОСТОЯНИЯ ВОДНОЙ СРЕДЫ

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано для обработки в реальном масштабе времени сигналов от датчиков гидрофизических полей, находящихся непосредственно в водной среде или установленных на движущемся судне или обитаемом аппарате.
Анализ состояния водной среды широко используется при исследовании океана в интересах судоходства, экологии водной среды, в том числе при добыче полезных ископаемых на шельфе, для определения техногенного влияния хозяйственной деятельности на загрязнении гидросферы и при решении других прикладных задач.
В гидрофизических комплексах анализа состояния водной среды используются высокочувствительные датчики температуры, удельной электрической проводимости, пульсаций скорости набегающего потока, удельной радиоактивности воды, градиента оптического показателя преломления, гидростатического давления, а также датчики концентрации растворенного кислорода, водородного показателя рН и другие.
На основании получаемых непрерывно данных с датчиков гидрофизических полей рассчитываются значения солености, плотности, скорости распространения звука в морской среде и другие характеристики водной среды, обнаруживаются аномалии технического происхождения.
Известны вычислительные системы, устанавливаемые на движущихся судах и обитаемых подводных аппаратах по патентам РФ №2187148, МПК G06F 15/16, №2207620, МПК G06F 15/16, G01S 15/88, содержащие пульты управления, процессоры цифровой обработки сигналов, цифровые вычислительные машины. Источником информации этих комплексов служат сигналы, поступающие с антенны (гидрофонов), находящихся в воде.
Недостатками этих систем является большой объем сложной аппаратуры, большое число высокоскоростных шин, что связано с необходимостью работы комплексов, как в активных режимах с излучением простых импульсных и сложных зондирующих сигналов с различной мощностью излучения, так и в пассивных режимах шумопеленгования целей в широком диапазоне интенсивностей сигнала. Указанные вычислительные системы не приспособлены для приема и обработки сигналов от датчиков гидрофизических полей.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является многоуровневая вычислительная система по патенту РФ №2193795, МПК G06F 15/16, которая может быть использована в гидроакустических, радиолокационных комплексах и информационно-управляющих системах, размещаемых в мобильных и стационарных системах освещения обстановки, предназначенных для обнаружения, определения координат и классификации объектов. Эта система содержит четыре уровня обработки сигналов, информационно-управляющие магистрали трех уровней. На первом уровне используются k·b процессоров обработки сигналов, b информационно-управляющих магистралей первого уровня, k·b шин ввода данных, k·b двунаправленных шин. На втором уровне имеются b·р цифровых вычислительных машин (ЦВМ) и b·р информационно-управляющих магистралей. На третьем уровне содержатся р ЦВМ и одна информационно-управляющая магистраль. На четвертом уровне имеется одна ЦВМ, связанная двунаправленной шиной с пультом оператора. Многоуровневая вычислительная система представляет собой сложную регулярную древовидную систему, позволяющую при необходимости проводить реконфигурацию системы, обеспечивать системную диагностику при отказах.
Основным недостатком известной системы является ее сложность и аппаратная избыточность. Так, в минимальной комплектации при p=2, b=3, k=2 вычислительная система содержит шесть процессоров обработки сигналов, три информационно-управляющие магистрали первого уровня, шесть шин ввода данных, шесть двунаправленных шин, шесть ЦВМ и шесть информационно-управляющих магистралей второго уровня, две ЦВМ и одну информационно-управляющую магистраль третьего уровня, ЦВМ четвертого уровня и пульт оператора. Всего шесть процессоров обработки сигналов, девять ЦВМ, пульт оператора 10 информационно-управляющих магистралей и 12 шин. Несмотря на регулярность структуры, организация управления работой такой вычислительной системы требует создания и отладки сложных диспетчерских программ. Кроме того, надежность такой системы высокая на нижних уровнях и весьма низкая на последнем уровне, в результате чего общая надежность оказывается низкой. Действительно, при выходе из строя элемента нижнего уровня, за счет реконфигурации, отказа системы не происходит, в то время как неисправность единственной ЦВМ четвертого уровня или пульта оператора приводит к отказу вычислительной системы в целом.
Еще одним недостатком системы является побочно-магистральный ввод данных исходных сигналов, если исходными сигналами являются сигналы с датчиков гидрофизических полей. При этом сравнительно низкая скорость ввода данных и высочайшее
быстродействие процессоров цифровой обработки сигналов, оказывается несогласованным, так что большую часть времени процессоры будут простаивать.
Задача, решаемая изобретением, заключается в упрощении (сокращении объема оборудования), повышении надежности и повышении точности обработки информации комплекса.
Сущность изобретения заключается в том, что в многоуровневую вычислительную систему для гидрофизического комплекса анализа состояния водной среды, содержащую процессоры цифровой обработки сигналов, цифровые вычислительные машины, пульт оператора, две информационно-управляющие магистрали, введены второй пульт оператора и блоки контроллеров управления вводом данных первого уровня обработки сигналов, подключенные входами к входам вычислительной системы, выходы контроллеров каждого блока контроллеров подключены двунаправленными шинами первого уровня к соответствующему процессору цифровой обработки сигналов второго уровня, при этом все процессоры цифровой обработки сигналов соединены выходами с информационно-управляющей магистралью второго уровня обработки сигналов, к которой подключены входы цифровых вычислительных машин третьего уровня, выходы которых соединены с информационно-управляющей магистралью третьего уровня, к которой подключены первый и второй пульты оператора.
В предлагаемой многоуровневой вычислительной системе для гидрофизического комплекса анализа состояния водной среды каждый пульт оператора содержит, в частности, пультовую ЦВМ четвертого уровня обработки сигналов, к которой подключены два монитора, клавиатура и координатно-указательное устройство, при этом вход последовательного канала цифровой вычислительной машины является входом пульта оператора.
Сущность предложения поясняется последующим описанием.
Структура многоуровневой вычислительной системы приведено на фиг.1, структура пульта оператора на фиг.2.
На фиг.1 и 2 обозначены:
1
K
1, ..., 1 - входы вычислительной системы;
1
K
2, ..., 2 - контроллеры;
1
K
3, ..., 3 - двунаправленные шины ввода данных первого уровня;
1
N
4, ..., 4 - процессоры цифровой обработки сигналов (ПЦОС);
5 - информационно-управляющая магистраль второго уровня;
1
M
6, ..., 6 - цифровые вычислительные машины (ЦВМ);
7 - информационно-управляющая магистраль третьего уровня;
1
2
8, 8 - первый и второй пульты оператора, соответственно;
9 - клавиатура;
10 - координатно-указательное устройство;
11 - пультовая ЦВМ;
12, 13 - мониторы.
1
K
1
K
1
K
1
N
1
M
Контроллеры 2, ..., 2, подключенные своими входами к соответствующим входам 1, ..., 1 вычислительной системы, а входами-выходами к двунаправленным шинам 3, ..., 3, образуют первый уровень многоуровневой вычислительной системы. Процессоры 4, ..., 4 цифровой обработки сигналов, подключенные своими входами-выходами к двунаправленной шине данных 3 и информационно-управляющей магистрали 5, образуют второй уровень вычислительной системы. ЦВМ 6, ..., 6, подключенные входами-выходами к информационно-управляющим магистралям 5 и 7, образуют третий уровень вычислительной системы, а пультовая ЦВМ 11 пульта операторов, соединенная с клавиатурой 9, координатно-указательным устройством 10, мониторами 12, 13 и подключенная к магистрали 7, - четвертый уровень многоуровневой вычислительной системы (фиг.1).
Все приведенные блоки и элементы широко известны в вычислительной технике. В качестве координатно-указательного устройства 10 могут использоваться манипуляторы типа «мышь», «Trackball» и т.п.
Предлагаемая вычислительная система работает следующим образом.
1
2
1
K
1
K
1
N
Один из пультов оператора 8 или 8 назначается ведущим, а другой ведомым. С ведущего пульта оператора устанавливается сначала режим «Контроль», в котором автоматически производится диагностика системы. По результатам контроля определяется рабочая конфигурация многоуровневой вычислительной системы и запрещается поступление данных от находящегося за бортом судна отказавшего датчика или контроллера и разрешение на поступление данных от резервного датчика того же типа и всех остальных исправных датчиков гидрофизических полей, после чего система переводится в режим «Работа». Работа системы проводится непосредственно при движении судна-носителя. Сигналы от датчиков гидрофизических полей различных типов поступают на входы 1 вычислительной системы. Преобразование аналог-цифра производится в датчиках, поэтому на входы контроллеров 2, ..., 2, поступают цифровые сигналы, значения которых соответствуют значениям гидрофизических полей, регистрируемых датчиками. Контроллеры 2, ..., 2 обеспечивают прием отсчетов сигналов с датчиков и формирование временной диаграммы управления передачей данных через шины 3 в процессоры 4, ..., 4
цифрой обработки сигналов. В процессорах 4 производится первичная обработка информации, состоящая в полосовой цифровой фильтрации, обеспечивающей выделение рабочей полосы частот для каждого из фиксируемых гидрофизических полей, определение оценок математических ожиданий и дисперсий сигналов гидрофизических полей.
1
N
1
M
В процессорах 4, ..., 4 осуществляется также обмен данными с цифровыми вычислительными машинами 6, ..., 6 по информационно-управляющей магистрали второго уровня 5.
1
2
Цифровые вычислительные машины 6 предназначены для решения задач вторичной обработки сигналов. Их основными функциями являются: вычисление предпороговых статистик для сигналов соответствующих каналов обработки, расчет и адаптация значений при изменении внешних условий, формирование частных решений об обнаружении аномалий для каждого из алгоритмов обработки, формирование общего решения, расчет характеристик водной среды на основе полученных данных. Кроме того, эти машины предназначены для организации обмена информацией с пультами 8, 8 оператора по информационно-управляющей магистрали третьего уровня 7.
1
2
Пульты 8, 8 оператора предназначены для управления вычислительной системой, а также для ввода и отображения графической и текстовой информации. Они построены на базе пультовых вычислительных машин 11 (см. фиг.2), а их основными функциями являются: управление аппаратурой вычислительной системы и контроль ее работоспособности, комплексирование результатов обработки по всем информационным каналам, ввод информации с помощью клавиатуры 9 и координатно-указательного устройства 10, вывод графической и текстовой информации на мониторы 12, 13, архивирование и документирование полученных данных, организация обмена информацией с внешними системами комплекса анализа.
Предлагаемая вычислительная система имеет ряд технических преимуществ по сравнению с известными аналогичными системами.
1. Использование в вычислительной системе контроллеров ввода данных от датчиков гидрофизических полей с непосредственными связями между выходом каждого датчика и входом соответствующего контроллера позволяет согласовать скорость ввода данных с быстродействием контроллера, что является существенной проблемой в прототипе, где данные вводятся через шину в процессоры цифровой обработки сигналов. Сверхвысокое быстродействие процессоров не может быть реализовано, т.к. гидрофизические данные формируются и поступают существенно медленнее по сравнению с быстродействием процессоров, в результате чего процессоры простаивают.
2. Использование в предложенной вычислительной системе цифровых процессоров обработки сигналов на втором уровне обработки сигналов (в прототипе на первом уровне) позволяет существенно снизить их количество и обеспечить реализацию их высокого быстродействия, т.к. на этом этапе производится предварительная обработка, требующая максимального быстродействия.
3. Использование второго пульта и подключение обоих пультов к информационно-управляющей магистрали третьего уровня, к которой также подключены цифровые вычислительные машины третьего уровня, позволило существенно повысить надежность предложенной вычислительной системы по сравнению с прототипом, где выход из строя пульта или цифровой вычислительной машины четвертого уровня приводит к полному отказу системы. Кроме того, архитектура предложенной системы позволила сократить число уровней, на которых используются цифровые вычислительные машины, по сравнению с прототипом. При этом благодаря полной загрузке процессоров цифровой обработки сигналов существенно уменьшилось количество цифровых вычислительных машин, что упростило систему и также повысило ее надежность, т.к. в прототипе цифровые вычислительные машины второго и третьего уровней практически включены последовательно.
4. Важной особенностью предложенной системы является то, что контроллеры ввода данных, как и датчики гидрофизических полей, находятся за бортом в воде. При этом конструктивно датчик и контроллер представляют единую малогабаритную герметичную конструкцию так, что длина связи между датчиком и контроллером минимальна. Это исключает возможность появления дополнительных корабельных помех при включении мощных агрегатов носителя и обеспечивает практическую реализацию высокой чувствительности всех информационных каналов.
Таким образом, технический результат заключается в упрощении и повышении надежности вычислительной системы и повышении точности обработки информации комплекса.
Промышленная применимость предлагаемой многоуровневой вычислительной системы обеспечивается возможностью ее изготовления согласно приведенному описанию и чертежам на базе известных комплектующих изделий и использования для обработки в реальном масштабе времени сигналов от датчиков гидрофизических полей, находящихся непосредственно в водной среде или установленных на движущемся судне или обитаемом аппарате.