АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ЭМУЛЯЦИИ И ИСПЫТАНИЙ
HARDWARE-SOFTWARE SYSTEM FOR EMULATION AND TESTING

Область техники
Заявленное изобретение относится к системам испытания оборудования (в частности, бортового оборудования судов) и может найти свое применение в широкой области технических систем на различных этапах производства, включая проектирование, изготовление и тестирование изготовленных устройств.
Уровень техники
Построение сложных технических систем, содержащих множество блоков, различных по своему функциональному назначению и техническому воплощению, связано с большим объемом работ по тестированию и наладке оборудования, обеспечению его бесперебойной работы в заданных условиях эксплуатации, при этом неисправность одного из блоков может приводить к неустойчивой работе или отказу системы в целом.
В качестве примера можно рассмотреть бортовое оборудование судна, включающего множество систем (например, энергосистема, информационная система, система жизнеобеспечения, система вооружения и прочее). Очевидно, что каждый из блоков разных систем может быть изготовлен на отдельном предприятии-изготовителе, не имеющем точной информации об конечных условиях эксплуатации блока в составе технической системы в целом. Тестирование отдельных блоков без учета условий окружения не может гарантировать устойчивость работы технической системы.
Таким образом, недостатки отдельных элементов оборудования могут быть выявлены на этапе сборки или введении технической системы в эксплуатацию, при этом не исключается возникновение конфликтов между взаимодействующими блоками в части информационного или электрического взаимодействия.
Следовательно, имеется необходимость в разработке комплексной системы испытания оборудования, позволяющей обмениваться информацией на любом этапе производства технической системы и использовать такую информацию для повышения эффективности тестового покрытия, что приводит к снижению сроков, стоимости разработки системы в целом, а также повышает ее надежность.
Из общего уровня техники известны системы проектирования с использованием математических моделей, имитирующих реальные процессы (как это характеризуется, например, в ГОСТ 15971-90).
Такие известные системы не обеспечивают возможности испытания, собственно, изготовленных образцов оборудования, вследствие чего обладают низким тестовым покрытием и не гарантируют соответствие параметров реального оборудования установленным требованиям.
Известен способ формирования диагностических тестов, заключающийся в подаче тестовых сигналов на образец, измерение ответных сигналов и сравнение результатов с эталоном («Надежность и эффективность в технике, Том 9, Техническая диагностика», В.В. Клюев, Машиностроение, 1987, с. 177-178).
Недостатком данного способа является необходимость наличия заведомо исправного эталонного образца, сложность проведения испытаний сложных технических систем и невозможность проведения испытаний на этапе проектирования.
Из уровня техники, относящегося к патентной информации, известен комплекс проверки корабельной системы управления вооружением (RU 71012 U1, 20.02.2008), включающий штатную и имитационную аппаратуру, а также устройство контроля, выполненное на основе электронно-вычислительной машины. Указанное техническое решение далее принято в качестве наиболее близкого аналога (прототипа) заявленного изобретения.
Известное решение обладает ограниченными функциональными возможностями, поскольку предназначено для испытания конкретного вида оборудования. Кроме того, в прототипе обеспечивается возможность проверки только изготовленных образцов оборудования без учета всех этапов его разработки и производства.
Характер имитационных испытаний аналога ограничен только «методом электронных стрельб, пусков и полетов и позволяет оценить работоспособность этих средств с использованием информационных потоков». Качественное отличие заявленного решения заключается в расширении действующих внешних факторов на исследуемый объект, в том числе, с обеспечением реальных физических воздействий, что в свою очередь приводит к повышению эффективности технологического процесса, уменьшению производственного цикла испытаний (уменьшение затрат времени в общем цикле испытаний) и расширению технологических возможностей применяемого способа на всех этапах жизненного цикла исследуемого изделия.
Предлагаемый способ эмуляции внешних воздействий основан на взаимодействии объектов, находящихся в конструктивном и технологическом единстве, т.е таком единстве, при котором объект испытаний является неотъемлемым функциональным элементом распределенной сети электропитания (например, любого отдельного фидера). Находясь в составе электрической цепи, как функциональный узел (любой функциональный узел электрической цепи) исследуемый объект конструктивно (связями различного рода) и технологически (динамически изменяющиеся силовые параметры электромагнитной и магнитоэлектрической природы) постоянно подвергается силовому воздействию со стороны окружающих его объектов.
Сравнительный анализ известных из уровня технических решений и заявленного изобретения позволяет сформулировать технический результат, в общем виде направленный на обеспечение достаточного тестового покрытия, гарантирующего максимально возможную полноту проведения испытаний.
Раскрытие изобретения
Для достижения указанного выше, а также иных результатов, которые будут явным образом следовать из приведенных далее разделов описания, предлагается аппаратно-программный комплекс эмуляции и испытаний, включающий средства эмуляции, а также средства измерений, контроля и/или диагностики, а также объект испытаний отличающийся тем, что средства эмуляции представляют собой соединенные между собой каналами передачи информации, по меньшей мере, одно средство формирования модели, по меньшей мере, одно средство идентификации модели, по меньшей мере, одно средство формирования тестов, по меньшей мере, одно средство программной эмуляции и, по меньшей мере, одно средство аппаратной эмуляции, выполненное с возможностью электрического и/или информационного соединения с объектом испытаний, причем, по меньшей мере, одно средство измерений, контроля и/или диагностики выполнено с возможностью оценки и фиксации состояния объекта испытаний и связано каналом передачи информации с, по меньшей мере, одним средством эмуляции.
В дополнительных вариантах осуществления, развивающих заявленное изобретение, предусматривается, что:
- средство аппаратной эмуляции дополнительно выполнено с возможностью электрических, электромагнитных, и/ил магнитоэлектрических воздействий на объект испытаний, при этом воздействия включают, по меньшей мере, одно из: слаботочные дискретные и аналоговые сигналы; физические интерфейсы обмена данными; динамические параметры электротехнических приборов и устройств, входящих в электросети и системы электроснабжения, в виде значений напряжений, тока, мощности в интервалах поля их рассеяния от номинального значения, как в пределах полей допусков, так и за граничными значениями их допускаемого применения; высоковольтных импульсов, в том числе в форме импульсных коммутационных перенапряжений, а также иные силовые нагрузки электрической, электромагнитной и магнитоэлектрической природы;
- средство аппаратной эмуляции выполнено с возможностью изменения режимов испытательных воздействий в зависимости от информации, формируемой средствами измерений, в том числе, входящими в состав технических средств контроля и/или диагностики;
- информация в каналах передачи информации представлена математической моделью, сформированной на основании информации, представленной на носителях информации и/или реальных устройств, в том числе электротехнических приборов;
- математическая модель формирует информацию об объекте испытаний на основе параметров объектов его окружения, преимущественно объектов электротехнического характера, в том числе приборов и устройств, входящих в состав электроэнергетических сетей и/или систем, в том числе распределенной сети электропитания и отдельных ее фидеров;
- математическая модель определяет силовое воздействие на исследуемый объект и учитывает для каждого последующего воздействия информацию, полученную от средства измерения, контроля и/или диагностики;
- средство аппаратной эмуляции обеспечивает воздействие на объект испытаний, находящийся в реальном или виртуальном (модельном) комплексе с узлами защиты, в состав которой входит объект испытаний, в том числе, от коротких замыканий электрической цепи или импульсных коммутационных перенапряжениях.
Под признаком «объект» в рамках настоящей заявки понимается не только образец изготовленного оборудования, но и воплощение такого образца (либо его части) на любом этапе его изготовления (схемы и алгоритмы, программный код, опытный образец, готовый образец), в виде исполнимой и редактируемой модели, формируемой на основании массивов входных/выходных данных.
Следовательно, под признаком «испытание» в рамках настоящей заявки может пониматься не только взаимодействие с образцом посредством электрических или информационных сигналов, но также загрузка и отработка моделей в предназначенных для этого технических средствах.
Таким образом, для решения поставленной задачи, достаточная совокупность существенных признаков заявленного изобретения выражается в виде: аппаратно-программный комплекс эмуляции и испытаний, включающий средства эмуляции, а также измерений, контроля и/или диагностики, при этом средства эмуляции представляют собой соединенные между собой каналами передачи информации, по меньшей мере, одно средство формирования модели, по меньшей мере, одно средство идентификации модели, по меньшей мере, одно средство формирования тестов, по меньшей мере, одно средство программной эмуляции и, по меньшей мере, одно средство аппаратной эмуляции, выполненное с возможностью электрического и/или информационного соединения с объектом испытаний, а, по меньшей мере, одно средство измерений, контроля и/или диагностики выполнено с возможностью оценки и фиксации состояния объекта испытаний и связано каналом передачи информации с, по меньшей мере, одним средством эмуляции.
Осуществление изобретения
В данном разделе описания будет показано, каким образом возможно осуществление заявленного изобретения, а также приведены сведения, подтверждающие возможность достижения обеспечиваемого им технического результата.
Приведенные ниже варианты осуществления заявленного изобретения приведены в иллюстративных целях и не предназначены для ограничения объема правовой охраны заявленного изобретения. Для специалиста будет очевидно, что осуществление изобретения возможно посредством любых известных в уровне техники на дату приоритета заявки технических средств, обладающих соответствующими функциональными возможностями. В частности, некоторые этапы обработки информации могут быть осуществлены в специализированных средствах, применяемых в зависимости от вида объектов, в то время как другие этапы - в электронно-вычислительных машинах общего применения, посредством использования специализированного программного обеспечения.
В основе предложенного технического решения находится впервые примененный алгоритм взаимодействия элементов и обработки информации, реализуемый на каждом из этапов технологического процесса производства оборудования. Ввиду универсальности используемого алгоритма обеспечивается возможность воссоздания для испытуемого оборудования разного типа на разных стадиях его готовности режимов работы смежных систем и сетей с параметрами, наиболее близкими к реальным (питание, нагрузка, сигналы датчиков, управляющие команды и т.д.
Далее приведены сведения об основных составных элементах предложенного технического решения.
В качестве одного из составляющих элементов заявленной системы предложено средство формирования модели (моделей).
Указанное средство может быть реализовано на базе известных средств моделирования (например, P-CAD, Altium Designer, Altera Quartus II и др.) и предназначено для создания исполнимых моделей электрических и информационных систем на базе существующих на предприятиях форматов проектирования. Предпочтительно, указанное средство обладает возможностью импорта, экспорта, редактирования и конфигурирования параметров моделей, а также обеспечивает поддержку форматов исполнимых моделей, создаваемых в других средах моделирования.
Существенным элементом предложенной системы также является средство идентификации модели (моделей).
Функциональным назначением указанного средства является прием и обработка синхронизированных массивов входных/выходных данных в статическом и динамическом режимах; построение моделей динамических систем на основании массивов входных/выходных данных; верификация построенных моделей на основе сравнения параметров работы с реальным объектом или эталонной моделью на одном наборе данных, идентификатор моделей в форме матричных передаточных функций
Еще одним элементом, входящим в состав комплекса, является средство формирования тестов, назначением которого является отслеживание и идентификация требований, содержащихся в документах (ТЗ, ТТЗ) и существующих на предприятиях системах управления требованиями; построение перечня тестовых случаев на основании технических требований, формальных спецификаций и дополнительных критериев; построение тестов на основе обхода графа по загруженной исполнимой модели («белый ящик»).
Следующим элементом, входящим в состав предложенной системы, является средство программной эмуляции.
Указанное средство выполнено с возможностью загрузки и исполнения моделей; изменения параметров модели (например, отключение выключателя, регулировка частоты и прочее) в процессе ее работы (исполнения); взаимодействия с приложениями и приборами на программном уровне по стандартным интерфейсам информационного обмена.
В предпочтительном варианте осуществления заявленного изобретения все перечисленные выше средства выполнены с возможностью совместной работы с прочими средствами (в том числе, друг с другом) в едином интегрированном программно-аппаратном комплексе и едином информационном пространстве. Для осуществления указанной возможности данные средства могут быть соединены каналами передачи информации (как проводными, так и беспроводными), в том числе, посредством использования известных сетей связи (Internet, Ethernet, WLAN, сотовых сетей связи), при этом не исключается возможность передачи информации между указанными средствами посредством использования физических носителей, содержащих необходимую информацию (сформированные модели, массив информации и т.п.).
В качестве еще одного элемента заявленной системы рассмотрено средство аппаратной эмуляции, являющееся аппаратной надстройкой над средством программной эмуляции и предназначенное для воспроизведения физических воздействий, соответствующих данным, сформированных программным эмулятором. Данные воздействия передаются на объект, в данном случае являющимся опытным либо готовым образцом оборудования.
В качестве примеров таких воздействий (но не ограничиваясь этим) могут быть осуществлены: слаботочные дискретные и аналоговые сигналы; физические интерфейсы обмена данными; силовые источники мощности; силовые источники высоковольтных импульсов; силовые нагрузки; импульсные коммутационные перенапряжения.
В процессе функционирования средство аппаратной эмуляции может обеспечивать динамическое изменение параметров воздействий в темпе процесса исполнения модели в программном эмуляторе.
В дополнительном варианте осуществления указанное средство выполнено с возможностью защиты испытуемого оборудования и самого эмулятора от КЗ, перенапряжений, пробоя изоляции и прочих аварийных ситуаций, например, посредством задания в нем аварийных уставок по току, мощности, напряжению.
Средство измерения и контроля, предусмотренное в заявленном изобретении, обеспечивает сбор и обработку необходимого объема информации о ходе процесса с заданной дискретностью и точностью, в частности, измеряя параметры изделий в ответ на воздействия аппаратного эмулятора.
В иллюстративном варианте осуществления предложенная система работает следующим образом.
На первом этапе производится сбор необходимой информации, на основании которой составляется массив данных, с использованием которых средство формирования модели производит моделирование заданного объекта (либо части объекта) технической системы.
Данный этап может включать преобразование графических схем и чертежей, описывающих строение и функционирование объекта и электрических и информацией сетей, к которым подключен объект, в формат исполняемой математической модели. Модель также может быть подвергнута редактированию, в частности для изменения структуры и конфигурирования ее параметров.
Наличие канала передачи информации, посредством которого средство формирования модели является связанным с другими элементами системы, позволяет производить импортирование и экспортирование параметров и моделей, созданных на других предприятиях (в том числе, территориально разнесенных) с поддержкой форматов моделей, созданных в других средах проектирования.
На этапе функционирования средства идентификации модели осуществляется прием и обработка синхронизированных массивов входных/выходных данных в статическом и динамическом режимах, построение моделей динамических систем на основании массивов входных/выходных данных, а также верификацию построенных моделей на основе сравнения параметров работы с реальным объектом или эталонной моделью на одном наборе данных. На данном этапе может быть осуществлен запуск математической модели на исполнение (например, в средстве программной эмуляции) с начальными условиями и оценка параметров испытуемого объекта. В случае несоответствия полученных параметров заранее заданным значениям, уже на данном этапе имеется возможность внести изменения в сформированную модель с целью приведения ее в соответствие требуемым условиям.
Кроме того, предусмотренное в заявленном решении средство формирования тестов, облагающее указанными выше функциями, по предусмотренному каналу связи позволяет оперативно получать информацию о перечне тестовых случаев, применимых к конкретному объекту, определяемых на основании технических требований, формальных спецификаций и дополнительных критериев (в том числе, вновь возникших).
Таким образом, на начальном этапе проектирования технической системы обеспечивается возможность всестороннего тестирования ее объектов с определением возможных конфликтов между объектом и его окружением, а также определение соответствия объекта установленным требованиям.
Далее сформированные и скорректированные соответствующим образом модели совместно со значениями параметров работы электрической и информационной сети для точки в математической модели окружения, соответствующей входам испытуемого объекта, могут быть переданы на исполнение в средство программной эмуляции, связанное со средством аппаратной эмуляции.
Средство аппаратной эмуляции преобразует полученные значения в физические (испытательные) воздействия соответствующей величины (как указано выше) и передает их на входы испытуемого объекта.
Средства измерения и контроля производят оценку и фиксацию состояния испытуемого объекта по визуальным признакам, внешним измерениям или телеметрии, получаемой из прибора, на предмет наличия/отсутствия сбоев и корректности его работы. Далее производится измерение физических величин на выходах испытуемого объекта и преобразование их в значения параметров для математической модели окружения и передача полученных параметров в математическую модель окружения испытуемого объекта в точку, соответствующую его выходам.
Данная информация может быть передана по каналу связи в любое из перечисленных выше устройств, входящих в состав заявленной системы, что позволяет обеспечить сквозное взаимодействие между уровнями разработки, производства и эксплуатации оборудования в части параметров работы объекта и электрических и информационных сетей.
Наличие обратной связи от объектов испытаний позволяет динамически вносить изменения в программу испытаний на любом этапе эмуляции и испытаний, вследствие чего обеспечивается возможность динамического изменения физических и/или информационных воздействий, обеспечиваемых средствами аппаратной эмуляции.
Следует подчеркнуть, что под термином «эмуляция» понимается не только имитация внешних воздействий на основе математических моделей элементов электрических и информационных сетей, но и обеспечение реальных воздействий, осуществляемых с учетом доведенного моделирования.
Таким образом, совокупность использованных в настоящей заявке технических решении позволяет при осуществлении заявленного изобретения обеспечить как указанные выше преимущества, так и обеспечить:
- отладку алгоритмов в отсутствие аппаратного обеспечения;
- отладку опытного образца изделия в отсутствии смежных устройств и систем;
- отладку систем управления в отсутствие объекта управления;
- сравнение параметров работы изделия или системы с проектными показателями;
- воспроизведение реального режима электрической и/или информационной сети объекта в определенной точке для испытания устройства или системы;
- запись режима электрической и/или информационной сети с реального объекта для последующего воспроизведения;
- оценку и имитацию влияния, которые вносят те или иные системы объекта, в общие электрические и информационные сети;
- обеспечение взаимодействия различных (возможно, территориально разнесенных) предприятий в рамках указанных выше процессов;
- комбинацию указанных выше процессов.
Одновременно повышается точность диагностики и контроля параметров исследуемого объекта, в том числе, вследствие применения обратной связи.
Средство измерений, контроля и/или диагностики может быть выполнено в виде аппаратно-программного средства, выполняющего все указанные функции, либо в виде объединенной совокупности средств, каждое из которых наделяется необходимой в данный момент функцией (например, измерение, контроли или диагностика).
Следует отметить, что достижение перечисленных в материалах настоящей заявки технические результатов обеспечивается не только за счет применения используемого на мазанных разлитых стадиях программного обеспечения, но в большей степени за счет раскрытого выше алгоритма обмена информацией между средствами, входящими в состав заявленного комплекса, а также за счет обработки полученной информации предусмотренным в заявленном изобретении способом.
Необходимо также отметить, что заявленное изобретение по существу не ограничивается изложенными выше вариантами его осуществления, поскольку для специалиста будет очевидным возможность применения и соединения предложенных средств в различных сочетаниях и комплектациях. Кроме того, для специалиста не составит проблемы объединить необходимые функции для выполнения их в одном, либо нескольких блоках, соответствующим образом изменяя информационное и электрическое соединение.
Необходимая для функционирования изобретения информация может быть представлена в форме документации на любых, в том числе бумажных носителях, и/или реальных устройств, например, электротехнических приборов, и далее приводиться к единому виду математической моделью. Такая модель может являться универсальным средством обмена информацией между удаленными друг от друга приборами.
Математически модель может быть сформирована на основании заранее заданных условий, либо быть динамически изменена (в том числе извне, либо по заложенному в ней алгоритму) на основании информации, получаемой в реальном времени в результате воздействия на испытываемое оборудование.