УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЗИРОВАННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ИСПЫТАНИЙ
AUTOMATED SIMULATION AND TESTING DEVICE

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для моделирования и испытаний систем и средств спутниковой навигации и связи различных типов.
Известен стенд отладки программного обеспечения цифрового устройства управления энергетическим объектом [патент на полезную модель RU №124414 U1, МПК G06N 7/00, опубл. 20.01.2013]. Стенд включает в себя программный блок, блоки сопряжения, блок сравнения, блок эталонных параметров энергетического объекта, устройство регистрации и визуализации, программный модуль для ввода программы, характеризующей математическую модель энергетического объекта, программный блок смонтирован с возможностью его замены цифровым устройством управления энергетическим объектом.
Недостатком данного стенда является то, что он не обеспечивает математическую обработку результатов моделирования, также данный стенд не обеспечивает автоматизированный анализ результатов моделирования и не предоставляет возможности автоматического формирования отчетов о моделировании.
Также известно устройство тренажера-имитатора системы связи с использованием программных средств моделирования системы связи [патент на полезную модель RU №107872 U1, МПК G06N 7/00, опубл. 27.08.2011]. Устройство включает в себя устройство управления и решения задач, устройство построения формализованного запроса, базу данных образцов поведения, устройство применения образцов поведения, устройство ввода-вывода и визуализации информации, устройство хранения информации, устройство моделирования, вычислитель, соединенные посредством управляющих и информационных шин.
Недостатком данного устройства является то, что оно не обеспечивает математическую обработку результатов моделирования, также данное устройство не обеспечивает автоматизированный анализ результатов моделирования.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является система [патент на изобретение RU №2336566 C2, МПК G06N 1/00, опубл. 20.10.2008] для реализации способа моделирования процессов обеспечения технической готовности сетей связи при технической эксплуатации (далее устройство автоматизированного моделирования и испытаний).
Известное устройство автоматизированного моделирования и испытаний содержит устройство управления, устройство ввода-вывода и визуализации информации в виде терминала с экраном, клавиатурой и мышью, вычислитель, устройство хранения информации, устройство моделирования, решающее устройство. В свою очередь, устройство хранения информации включает в себя устройство задания и хранения информации о принципиальной схеме сложной технологической структуры (СТС), устройство хранения текстовых сообщений о действиях оператора, устройство хранения текстовых сообщений об итоговых состояниях СТС, устройство хранения информации о резервных линиях и каналах связи. Устройство моделирования включает устройство моделирования эксплуатационных отказов, устройство моделирования аварийных повреждений, устройство моделирования сбоев программных средств, устройство моделирования эксплуатации средств связи, устройство моделирования эксплуатации сети связи, а вычислитель включает устройство формирования вектора аварии, устройство формирования граф-модели принципиальной схемы СТС, устройство формирования матриц связности основных и резервных связей элементов СТС, устройство хранения и задания алгоритмов обработки вектора аварии и восстановления матриц связности.
Информационные выходы устройства управления через информационную шину подключены к соответствующим информационным входам устройства ввода-вывода и визуализации информации и устройства моделирования. Кроме того, устройство управления через управляющую шину подключено к соответствующим управляющим входам устройства моделирования, устройства хранения информации и решающего устройства. Устройство ввода-вывода и визуализации информации через информационную шину подключено своим информационным входом к соответствующим информационным входам устройства хранения информации и вычислителя, информационный выход которого через устройство хранения информации подключен к соответствующему информационному входу устройства ввода-вывода и визуализации информации. Информационная шина от устройства хранения информации подключена к соответствующему информационному входу устройства моделирования. Информационная шина от устройства моделирования подключена к соответствующему информационному входу решающего устройства, которое подключено к соответствующему информационному входу устройства хранения информации.
Следует отметить, что известная система не предоставляет возможностей по автоматизированной обработке результатов моделирования, что препятствует использованию известной системы в составе систем управления жизненным циклом проектирования и не предоставляет возможности проведения цикла моделирования и испытаний в автоматизированном режиме.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в обеспечении возможности осуществления процесса моделирования и испытаний систем и средств спутниковой навигации и связи с автоматизированной обработкой результатов моделирования и испытаний.
Указанная задача решается тем, что устройство автоматизированного моделирования и испытаний, включающее устройство ввода-вывода и визуализации информации, устройство управления, устройство хранения информации, вычислитель и устройство моделирования, при этом управляющие входы устройства ввода-вывода и визуализации информации, устройства хранения информации, вычислителя и устройства моделирования связаны с управляющей шиной, управляющие выходы устройства управления также связаны с управляющей шиной, а информационные входы и выходы устройства хранения информации, вычислителя и устройства моделирования связаны с информационной шиной, дополнительно содержит устройство автоматизированной обработки результатов моделирования, включающее блок сравнения, блок хранения эталонных параметров функционирования и формирователь отчетов о моделировании, которые своими управляющими входами подключены к управляющей шине, при этом информационными входами блок сравнения соединен с одним из выходов блока хранения эталонных параметров функционирования и с выходом устройства ввода-вывода и визуализации информации соответственно, а выходом - с одним из входов формирователя отчетов о моделировании, который другим входом соединен со вторым выходом блока хранения эталонных параметров функционирования.
Сущность предлагаемого технического решения иллюстрируется графическими материалами, где на фиг. 1 представлена структурная схема заявляемого устройства автоматизированного моделирования и испытаний, на фиг. 2 - структурная схема устройства автоматизированной обработки результатов моделирования.
Предлагаемое устройство автоматизированного моделирования и испытаний включает в себя устройство автоматизированной обработки результатов моделирования 1, устройство ввода-вывода и визуализации информации 2, устройство хранения информации 3, вычислитель 4, устройство моделирования 5, устройство управления 6, управляющую 7 и информационную 8 шины.
Информационный вход устройства автоматизированной обработки результатов моделирования 1 соединен с выходом устройства ввода-вывода и визуализации информации 2, при этом управляющие входы устройства автоматизированной обработки результатов моделирования 1 и устройства ввода-вывода и визуализации информации 2 подсоединены к управляющей шине 7, к которой также подсоединены управляющие входы устройства хранения информации 3, вычислителя 4, устройства моделирования 5 и управляющие выходы устройства управления 6. Информационные входы и выходы устройства хранения информации 3, вычислителя 4 и устройства моделирования 5 в свою очередь подсоединены к информационной шине 8.
Устройство автоматизированной обработки результатов моделирования 1 содержит блок сравнения 9, первый информационный вход которого подсоединен к выходу устройства ввода-вывода и визуализации информации 2, второй информационный вход блока сравнения 9 подсоединен к первому информационному выходу блока хранения эталонных параметров функционирования 10, а информационный выход блока сравнения 9 подсоединен к первому информационному входу формирователя отчетов о моделировании 11. Второй информационный выход блока хранения эталонных параметров функционирования 10 подсоединен ко второму информационному входу формирователя отчетов о моделировании 11. Управляющие входы блока сравнения 9, блока хранения эталонных параметров функционирования 10 и формирователя отчетов о моделировании 11 подсоединены к управляющей шине 7.
Блок сравнения 9 может быть реализован в виде модуля с использованием системы моделирования и сбора данных National Instruments LabVIEW на базе встроенных в систему National Instruments LabVIEW функций по сравнению числовых значений входных данных, загружаемого в среду серийной персональной ЭВМ (ПЭВМ).
Блок хранения эталонных параметров функционирования 10 также может быть реализован в виде сочетания загруженного в среду ПЭВМ модуля реализации доступа к эталонным параметрам функционирования, реализованного на базе системы моделирования и сбора данных National Instruments LabVIEW с использованием встроенных функций ввода-вывода данных и работы с внешними хранилищами данных, входящими в состав модуля NI-DAQ. Модуль реализации доступа к эталонным параметрам функционирования используется в сочетании с серийными аппаратными средствами хранения массивов данных, такими как контроллер массива жестких магнитных дисков National Instruments N18262 и массив жестких магнитных дисков National Instruments N1 8264.
Формирователь отчетов о моделировании 11 может быть выполнен в виде загружаемого в среду ПЭВМ модуля, реализованного на базе системы моделирования и сбора данных National Instruments LabVIEW с использованием дополнительного пакета LabVIEW Report Generation Toolkit, включающего в себя набор функций по обработке результатов измерений и формированию отчетов о моделировании и испытаниях.
Процесс функционирования заявляемого устройства автоматизированного моделирования и испытаний рассмотрим на примере моделирования и испытаний цифрового угломерного навигационного приемника глобальной спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС (навигационного приемника, НП).
Для обеспечения процесса автоматизированного моделирования и испытаний НП необходимо предварительно задать эталонные значения параметров функционирования НП в блоке хранения эталонных параметров функционирования 10. Ввод эталонных значений параметров функционирования НП осуществляется с помощью модуля реализации доступа к эталонным параметрам функционирования, являющегося составной частью блока хранения эталонных параметров функционирования 10.
Модуль реализации доступа к эталонным параметрам функционирования, входящий в состав блока хранения эталонных параметров функционирования 10, предоставляет пользователю предлагаемого устройства автоматизированного моделирования и испытаний следующие функциональные возможности:
- ввод эталонных значений параметров функционирования НП и текстовой информации о них посредством графического интерфейса пользователя;
-загрузку эталонных значений параметров функционирования НП и текстовой информации о них на внешний массив жестких магнитных дисков по команде пользователя;
- выгрузку эталонных значений параметров функционирования НП и текстовой информации о них из внешнего массива жестких магнитных дисков в блок сравнения 9 (на первый информационный вход) и формирователь отчетов о моделировании 11 (на второй информационных вход) по соответствующей команде от устройства управления 6.
В свою очередь, графический интерфейс пользователя модуля реализации доступа к эталонным параметрам функционирования, входящего в состав блока хранения эталонных параметров функционирования 10, предоставляет пользователю средства для:
- ввода эталонного значения параметра функционирования НП;
- выбора единицы измерения эталонного значения параметра функционирования НП из предоставленного списка;
- выбора способа сравнения эталонного значения параметра функционирования НП с фактическим параметром функционирования НП, полученным в результате моделирования;
- выбора приоритета эталонного значения параметра функционирования НП, определяющего то, насколько критично выполнение данного параметра для обеспечения работоспособности НП;
- выдачи команды на загрузку эталонных значений параметров функционирования НП на внешний массив жестких магнитных дисков по команде пользователя;
- выдачи команды на выгрузку эталонных значений параметров функционирования НП из внешнего массива жестких магнитных дисков в блок сравнения 9 (на первый информационный вход).
Перед началом процесса моделирования и испытаний пользователь устройства автоматизированного моделирования и испытаний посредством графического интерфейса пользователя модуля реализации доступа к эталонным параметрам функционирования, входящего в состав блока хранения эталонных параметров функционирования 10, вводит эталонные значения параметров функционирования НП в соответствии с техническим заданием на разработку навигационного приемника. Для каждого из эталонных значений параметров функционирования НП вводится его числовое значение, единица измерения, уровень приоритета параметра, способ сравнения эталонного значения параметра функционирования НП с фактическим значением параметра функционирования НП. После окончания ввода эталонных значений параметров функционирования НП пользователь дает команду на загрузку эталонных значений параметров функционирования НП на внешний массив жестких магнитных дисков путем нажатия на соответствующую кнопку на графическом интерфейсе пользователя модуля реализации доступа к эталонным параметрам функционирования, входящего в состав блока хранения эталонных параметров функционирования 10.
После окончания процесса ввода эталонных значений параметров функционирования НП из устройства хранения информации 3 на информационный вход устройства моделирования 5 загружается имитационная модель навигационного приемника по соответствующей команде от устройства управления 6. Загрузка имитационной модели навигационного приемника осуществляется через информационную шину 8. Процесс моделирования НП начинается по соответствующей команде от устройства управления 6, поданной на управляющий вход устройства моделирования 5.
Устройство моделирования 5 осуществляет моделирование как отдельных элементов навигационного приемника (демодуляторов, усилителей, аналого-цифровых преобразователей), так и НП в целом и реализует имитационную модель НП, описанную с использованием языков описания аппаратуры (в частности, языков VHDL и Verilog HDL), которая может быть развернута на базе серийного отладочного средства Nallatech XtremeDSP Development Kit с использованием серийной программируемой логической интегральной схемы Xilinx Virtex-4 XC4VSX35-10FF668.
Фактические значения параметров функционирования НП, порождаемые устройством моделирования 5 в ходе процесса моделирования НП, а также журнал процесса моделирования НП передаются из устройства моделирования 5 на информационный вход устройства хранения информации 3 после окончания процесса моделирования навигационного приемника по соответствующей команде от устройства управления 6, поданной на управляющий вход устройства моделирования 5. После чего фактические значения параметров функционирования навигационного приемника, порождаемые в ходе процесса моделирования, передаются из устройства хранения информации 3 на информационный вход вычислителя 4 по соответствующей команде от устройства управления 6, поданной на управляющий вход устройства хранения информации 3.
В вычислителе 4 производится математическая обработка фактических значений параметров функционирования НП, полученных в процессе моделирования, в частности выполняется вычисление и построение:
- статистических характеристик измерения сдвига фазы радионавигационных сигналов (среднеквадратичное отклонение, относительная и абсолютная погрешности, величина среднеквадратичной ошибки, характеристики распределения результатов измерения);
- статистических характеристик вычисления значений углов пространственной ориентации (среднеквадратичное отклонение, относительная и абсолютная погрешности, величина среднеквадратичной ошибки, характеристики распределения результатов вычисления);
- амплитудных частотных характеристик радионавигационных сигналов;
- фазовых частотных характеристик радионавигационных сигналов;
- диаграмм спектра радионавигационных сигналов.
После окончания процесса математической обработки фактических значений параметров функционирования НП в вычислителе 4 результаты математической обработки фактических значений параметров функционирования НП передаются на информационный вход устройства хранения информации 3 по соответствующей команде от устройства управления 6, поданной на управляющий вход вычислителя 4.
В дальнейшем результаты математической обработки фактических значений параметров функционирования навигационного приемника выгружаются из устройства хранения информации 3 по соответствующей команде от устройства управления 6, поданной на управляющий вход устройства хранения информации 3, и отображаются на мониторе, входящем в состав ПЭВМ, на базе которой развернуто устройство ввода-вывода и визуализации информации 2, и, таким образом, становятся доступными для непосредственного анализа пользователем, осуществляющим моделирование и испытания навигационного приемника.
Для запуска процедуры сравнения фактических значений параметров функционирования НП и эталонных значений параметров функционирования НП результаты математической обработки фактических значений параметров функционирования навигационного приемника по соответствующей команде от устройства управления 6, поданной на управляющий вход устройства ввода-вывода и визуализации информации 2, либо по команде от пользователя, осуществляющего моделирование и испытания НП, передаются на первый информационный вход блока сравнения 9, который входит в состав устройства автоматизированной обработки результатов моделирования 1, и сравниваются с эталонными значениями параметров функционирования НП, которые были предварительно заданы пользователем предлагаемого устройства автоматизированного моделирования и испытаний в блоке хранения эталонных параметров функционирования 10, который входит в состав устройства автоматизированной обработки результатов моделирования 1.
Блок сравнения 9 осуществляет поэлементное сравнение полученных от блока храпения эталонных параметров функционирования 10 эталонных значений параметров функционирования НП с результатами математической обработки фактических значений параметров функционирования НП, полученными через первый информационный вход от устройства ввода-вывода и визуализации информации 2.
Сравнение эталонных значений параметров функционирования НП и фактических значений параметров функционирования НП осуществляется в соответствии с заданным способом сравнения эталонного значения параметра функционирования НП с фактическим значением параметра функционирования НП, полученным после математической обработки результатов моделирования, определенным пользователем до начала процесса моделирования посредством графического интерфейса модуля реализации доступа к эталонным параметрам функционирования, который является составной частью блока хранения эталонных параметров функционирования 10.
Результатом сравнения эталонных значений параметров функционирования НП и фактических значений параметров функционирования НП является массив двоичных значений: 0 (фактическое значение параметра функционирования НП не соответствует эталонному значению параметра функционирования НП) или 1 (фактическое значение параметра функционирования НП соответствует эталонному значению параметра функционирования НП).
После окончания процесса сравнения эталонных значений параметров функционирования НП и фактических значений параметров функционирования НП массив двоичных значений передается на первый информационный вход формирователя отчетов о моделировании 11, который осуществляет процедуру формирования отчета о моделировании и испытаниях, состоящего из содержательной и реквизитной частей.
Формирователь отчетов о моделировании 11 после поступления на первый информационный вход массива двоичных значений от блока сравнения 9 дополняет массив двоичных значений текстовой информацией о соответствующих эталонных значениях параметров функционирования НП, которая включает в себя наименование эталонного значения параметра функционирования НП, единицу измерения эталонного значения параметра функционирования НП, способ сравнения эталонного значения параметра функционирования НП с фактическим значением параметра функционирования НП, приоритет эталонного значения параметра функционирования НП. Текстовая информация об эталонных значениях параметров функционирования навигационного приемника передается из блока хранения эталонных параметров функционирования 10 на второй информационный вход формирователя отчетов о моделировании 11 по соответствующей команде от устройства управления 6, передаваемой на управляющий вход блока хранения эталонных параметров функционирования 10 по управляющей шине 7.
Массив двоичных значений, полученный от блока сравнения 9, и текстовая информация об эталонных значениях параметров функционирования навигационного приемника, полученная от блока хранения эталонных параметров функционирования 10, образуют содержательную часть отчета о моделировании и испытаниях.
После завершения процесса формирования содержательной части отчета о моделировании и испытаниях формирователь отчетов о моделировании 11 формирует реквизитную часть отчета о моделировании и испытаниях.
Реквизитная часть отчета о моделировании и испытаниях включает в себя реквизитные метаданные по ГОСТ 2.051-2013 и ГОСТ 2.104-2006, в частности:
- наименование документа;
- обозначение документа;
- версия документа;
- дата создания документа;
- дата внесения изменений в документ.
Также реквизитная часть отчета о моделировании и испытаниях дополняется пользовательскими метаданными, что также соответствует ГОСТ 2.051-2013. Пользовательские метаданные включают в себя следующие параметры:
- порядковый номер отчета;
- наименование объекта моделирования;
- цель моделирования и испытаний;
- дата начала испытания;
- дата окончания испытания;
- место проведения испытаний;
- средства проведения испытаний;
- фамилия, имя, отчество лиц, проводивших испытания.
Каждый из элементов метаданных отчета о моделировании и испытаниях может либо заполняться автоматически, при этом его значение формируется при начале процесса формирования отчета о моделировании и испытаниях и не задано заранее, либо заполняться с использование предварительно заданных значений, введенных пользователем предлагаемого устройства автоматизированного моделирования и испытаний в формирователь отчетов о моделировании 11 до начала процесса моделирования НП.
Автоматически заполняются следующие элементы метаданных отчета о моделировании и испытаниях: версия документа, дата создания документа, дата внесения изменений в документ, порядковый номер отчета, дата начала испытаний, дата окончания испытаний. Предварительно задаются следующие элементы метаданных отчета о моделировании и испытаниях: наименование документа, обозначение документа, наименование объекта моделирования, цель моделирования и испытаний, место проведения испытаний, средства проведения испытаний, результаты испытаний, фамилия, имя, отчество лиц, проводивших испытания.
Значения элементов метаданных отчета о моделировании и испытаниях, которые задаются предварительно, вводятся пользователем перед началом процесса моделирования и испытаний навигационного приемника посредством графического интерфейса пользователя, входящего в состав формирователя отчетов о моделировании 11 и включающего в себя текстовые поля ввода значений метаданных отчета о моделировании и испытаниях, текстовые пояснения к полям ввода значений метаданных отчета о моделировании и испытаниях и кнопки, позволяющие пользователю утвердить или отклонить ввод значений элементов метаданных отчета о моделировании и испытания.
Отчет о моделировании и испытаниях формируется в виде текстового документа, оформленного в соответствии со стандартом на расширяемый язык разметки XML и стандартом на схемотехническое описание электронных устройств IEEE 1685, который является расширением языка XML.
Таким образом, предлагаемое устройство автоматизированного моделирования и испытаний позволяет проводить автоматическую оценку результатов моделирования систем и средств спутниковой навигации и связи различных типов путем сравнения эталонных значений параметров функционирования и фактических значений параметров функционирования по заранее заданным критериям. При необходимости допускается подключение к предлагаемому устройству внешних аппаратных средств моделирования, в частности аппаратных имитаторов радионавигационных сигналов и имитаторов радиочастотных и импульсных помех. Внешние аппаратные средства применяется в том случае, если необходимо моделирование систем и средств спутниковой навигации и связи с учетом специфики, выходящей за рамки имитационного моделирования. Также предлагаемое устройство позволяет в автоматическом режиме формировать отчеты о моделировании и испытаниях в формате XML, которые могут в дальнейшем использоваться в системах управления жизненным циклом проектирования систем и средств спутниковой навигации и связи различных типов.