Проектирование систем бортового информационного обмена. Проблемы и достижения

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ БОРТОВОГО ИНФОРМАЦИОННОГО ОБМЕНА. ПРОБЛЕМЫ И ДОСТИЖЕНИЯ Н.С. Копорский, Б.В. Видин., И.О. Жаринов

1. Введение

Система бортового информационного обмена является одной из наиболее сложных систем с точки зрения синтеза функциональных элементов БРЭО.

Современные авиационные комплексы являются территориально распределенными в пределах объекта, реализующими в реальном масштабе времени совокупность различных по назначению функциональных задач Z, которые иерархически взаимосвязаны между собой на уровне соответствующих бортовых алгоритмов и протоколов взаимодействия. В результате территориальной распределенности и неоднородности используемых различными разработчиками вычислительных средств появляется необходимость [12.] в решении важной системной задачи их функционального объединения в единый комплекс аппаратуры посредством создания соответствующей системы бортового информационного обмена.

Система информационного обмена представляет собой совокупность аппаратных, программных и алгоритмических средств, необходимых для организации обмена данными между различными функциональными элементами комплекса БРЭО.

Виды систем обмена. Большинство существующих сегодня на борту ЛА систем информационного обмена можно условно разделить (см. рис. 1): по функциональному назначению каналов обмена, по типу связей и типу передаваемых данных, дисциплине организации управления передачей данных, дисциплине доступа к каналу обмена, режиму обмена, типу физической среды распространения информации и т.д.

Обмен данными в бортовых системах происходит на условиях информационной, электрической и конструктивной совместимости аппаратуры БРЭО в соответствии с требованиями государственных и отраслевых стандартов бортовых интерфейсов.

Выбор типа бортового интерфейса канала обмена определяется требованиями к системе обмена по обеспечению требуемой функциональной связности аппаратуры БРЭО; высокой надежности передачи данных; долговечности и износоустойчивости оборудования, его ремонтопригодности; учета возможности последующего расширения комплекса; простоты схемных и конструктивных решений; минимизации стоимости, массогабаритных показателей аппаратуры, объему передаваемых данных и т.п.

Классификация бортовых источников информации. В настоящее время принято [11] различать четыре класса бортовых источников, существенно отличающихся по объему и скорости формируемой полетной информации.

К первому классу относят квазистационарные источники, характеризуемые формированием малого объема редко изменяющейся информации (контактные датчики, реле, тумблеры разовых команд и т.п.), информационная емкость которых измеряется величинами 1-16 бит, а период опроса составляет 0,1-1,0 с с темпом 1 кбит/с.

Второй класс динамических источников характеризуется формированием малого объема часто изменяющейся информации (датчики углового положения ЛА, датчики линейного ускорения и т.д.), период опроса которых находится в пределах 0,001-0,1 с, а информационная емкость составляет 8-20 бит с темпом до 100 кбит/с.

Третий класс локационных источников (радиолокационные РЛС, лазерные РЛС и т.п.) характеризуется получением и цифровой обработкой значительного объема и часто изменяющейся информации (с темпом 1-1000 Мбит/с), но с относительно небольшой частотой выдачи данных после обработки (с темпом до 1 Мбит/с).

Четвертый класс источников изображений образуют оптические и радиолокационные бортовые системы, характеризуемые получением и цифровой обработкой значительного объема часто изменяющейся информации (с темпом 100...1000 Мбит/с), и с темпом, сохраняющимся для выдачи после обработки.

Виды интерфейсов бортового информационного обмена. При проектировании современных комплексов БРЭО и составляющих его систем сегодня рассматривают следующие виды интерфейсов бортового информационного обмена:

1. Интерфейсы, внедренные в авиационную промышленность РФ и имеющие зарубежные аналоги [6, 11, 14]:

- ГОСТ 18977-79 (аналог ARINC 429): Комплексы бортового оборудования самолетов и вертолетов. Типы функциональных связей. Виды и уровни электрических сигналов и РТМ 1495-75: Обмен информацией двуполярным кодом в оборудовании летательных аппаратов;

- ГОСТ 26765.51-86 (аналог Q-bus): Интерфейс магистральный параллельный системы электронных модулей. Общие требования к совокупности правил обмена информацией;

- ГОСТ 26765.52-87 (аналог MIL STD 1553 B): Интерфейс магистральный последовательный системы электронных модулей;

- ГОСТ 7845-92 (аналог STANAG 3350 B): Система вещательного телевидения. Основные параметры. Методы измерений;

- ГОСТ Р 50832-95 (аналог STANAG 3910): Интерфейс магистральный последовательный волоконно-оптических систем электронных модулей;

- ГОСТ Р 52070-2003 : Интерфейс магистральный последовательный системы электронных модулей. Общие требования;

- ГОСТ (аналог RS-232 (TIA / EIA 232)):

- РД 134-0121-2000 (аналог RS-485 (TIA / EIA 485)): Интерфейс магистральный для бортовой аппаратуры космических аппаратов. Методические рекомендации.

2. Зарубежные интерфейсы, не имеющие отечественных аналогов, но используемые в отечественной авиационной промышленности:

- ARINC 664: Aircraft Data Network;

- ARINC 708A;

3. Бортовые интерфейсы, имеющие зарубежные аналоги и находящихся в настоящее время на стадии промышленного проектирования и стандартизации в профилирующих организациях РФ ([8]; см. также обзор в [9, 10]):

- ГОСТ: Высокоскоростная линейная (магистральная) шина с маркерным методом доступа (для разработки стандарта используется базовая технология AS 4074);

- ГОСТ: Высокоскоростная кольцевая шина с маркерным методом доступа (для разработки стандарта используется базовая технология AS 4075);

- ГОСТ: Расширяемый связной интерфейс многопроцессорных систем (для разработки стандарта используется базовая технология SCI — ANSI / IEEE Std 1596-1992);

- ГОСТ: Высокопроизводительная сетевая волоконно-оптическая технология передачи информации бортового применения (для разработки стандарта используется семейство протоколов Fibre Channel — ANSI X3T11);

4. Интерфейсы, положительно зарекомендовавшие себя в различных отраслях зарубежной промышленности и рассматриваемые в качестве потенциальных кандидатов для внедрения или апробации в авиационной промышленности РФ ([8, 11]; см. также обзор в [9, 10]):

- Межсистемные интерфейсы Fibre Channel (ANSI X3T11); Scaleable Coherent Interface — SCI (ANSI / IEEE Std 1596-1992); Myrinet; Serial Express; Gigabit Ethernet; Asynchronous Transfer Mode; FireWire (IEEE 1394) и др.;

- Внутрисистемные интерфейсы Scaleable Coherent Interface — SCI (ANSI / IEEE Std 1596-1992); Fibre Channel — ANSI X3T11; VME; PCI Compact; SKY Channel Packet Bus; LVDS (TIA / EIA 644) и др.

2. Концепция синтеза системы бортового информационного обмена

Доминирующая сегодня концепция синтеза системы бортового информационного обмена базируется на следующих основных принципах [12]:

- открытости и стандартности архитектуры, обеспечивающей создание наилучших вариантов топологии системы информационного обмена;

- ориентации на распространенные в промышленности стандарты помехоустойчивых и высокопроизводительных интерфейсов различного типа;

- базовости коммуникационных сред и средств за счет обеспечения функциональной завершенности быстросменных конструктивно-функциональных модулей оконечных устройств ввода/вывода бортовой информации;

- программно-управляемой организации потоков данных по каналам информационного обмена, обеспечивающей максимальную живучесть комплекса БРЭО.

Реализация этих принципов состоит в определении наиболее эффективной (в смысле определенного критерия качества) схемы информационного обмена данными всех систем на борту ЛА на базе функционально полной и минимально достаточной номенклатуры S1 = {S11, S12, ..., S1m} имеющихся сегодня в распоряжении отечественных разработчиков бортовых интерфейсов.

Этапы проектирования системы информационного обмена. В наиболее общем виде проектирование системы бортового информационного обмена носит итерационный характер [12] и включает выполнение следующих этапов:

- сбор, формирование и систематизация исходной информации, в результате которой осуществляется построение обобщенного алгоритма функционирования комплекса БРЭО во всех режимах работы ЛА;

- функциональный и надежностный анализ БРЭО, в результате которого осуществляется определение тактико-технических характеристик и предварительной архитектуры системы бортового информационного обмена;

- синтез и определение наилучшего варианта структуры системы информационного обмена БРЭО по множеству рассматриваемых показателей качества.

В качестве исходной информации при проведении синтеза системы информационного обмена S1 широко используют [12] результаты анализа существующих бортовых алгоритмов КОИ и управления ЛА, т.е. характеристики частных информационных потоков данных каждой из подсистем Si, передаваемых по линиям связи, и характеристики их взаимной связанности. Кроме того, учитывают состав Si, i=2, 3, ..., s и технические характеристики аппаратуры БРЭО, в интересах которого проектируется система информационного обмена.

Исходная информация, получаемая, например, с помощью использования математического аппарата теории графов или теории сетей Петри, определяет [12]:

- матрицу связанности функциональных элементов комплекса БРЭО,

- матрицу интенсивностей и объемов частных информационных потоков, передаваемых между системами комплекса БРЭО по линиям связи.

Это позволяет построить информационно-связный граф G = {V, E}, вершины V которого представляют собой отдельные системы Sit i = 2, 3, ..., s комплекса БРЭО, а ветви E — каналы S1 = {S11, S12, ..., S1m} информационного обмена данными на борту ЛА.

Информационный обмен в такой обобщенной математической модели осуществ-

ляется в соответствии с бортовыми протоколами взаимодействия (системными соглашениями), содержащими исчерпывающую информацию о количестве абонентов в комплексе БРЭО, направлении передачи данных, электрических характеристиках каналов информационного обмена, временных и частотных характеристиках (форматах) передаваемых данных, разрядности данных, схемных и конструктивных решениях аппаратуры (включая нумерацию контактов интерфейсных разъемов) и т.п.

3. Системный подход при проектировании системы бортового информационного обмена

Согласно современным представлениям о методах проектирования сложных систем с использованием принципов композиционного проектирования [3, 4], а также системно-структурного и системно-функционального подходов, правило формирования любой автономной подсистемы БРЭО определяется, в первую очередь, «интересами» самого БРЭО в целом.

Для этого необходимо найти количественные соотношения, определяющие, с одной стороны, «интересы» БРЭО как сложной системы (системы более высокого ранга), а с другой - набор возможных альтернативных вариантов построения технического облика его проектируемой подсистемы (системы более низкого ранга). Затем необходимо установить количественные взаимосвязи между найденными соотношениями.

Задача проектирования математической модели сложной системы. Известно [3-5], что для построения обобщенной математической модели сложной системы S с использованием методов системного анализа необходимо решить следующие задачи:

- осуществить декомпозицию системы S на упорядоченное множество мощности s взаимосвязных и взаимодействующих элементарных составляющих - функциональных элементов, каждый из которых может иметь m различных вариантов технической реализации

S1=

где

m = max{mS,mS2,---,mS3J , при mSv < m ^ SSVmsv ,SSVmsv+l'-'SSVm = 0 )

и удовлетворяет принципам целостности системы S

s

SJ = ПS/ ,j=1, 2, ...,N;

i= 1

- определить совокупность N анализируемых проектных альтернатив построения системы S', j=1, 2, ..., N, образуемых перебором i=1, 2, ..., s; n=1, 2, ..., m по множеству технических реализаций каждого из функциональных элементов Sijn ;

- определить структуру системы S как относительно устойчивый способ взаимосвязи функциональных элементов Sit i = 1, 2, ..., s, отражающий внешние свойства системы;

- определить параметры системы S, отражающие ее внутренние свойства.

Требования к математической модели сложной системы. Известно [5, 12], что

математическая модель сложной системы S должна отвечать следующим формальным требованиям:

- любая возможная совокупность S j функциональных элементов s 1, s2, •••, ss любой из проектных альтернатив j=1, 2, ..., N удовлетворяет требованиям Z={Z1, Z2, ..., Zz} по назначению

Sj П STT3{Zi, Z2, ..., Zz} * 0 , j=1, 2, ..., N,

заданным в тактико-техническом задании ТТЗ на ее разработку (рассматривается множество рациональных вариантов построения системы);

- каждой возможной совокупности Б7 функциональных элементов

любой из проектных альтернатив 7=1, 2, ..., N может быть поставлен в соответствие

^~ ), ...,/к(х1)) , 7=1, 2, ..., N

к-мерный показатель ¥ (функционал качества);

- показатель качества ¥ определяется композицией целевых (оценочных) функций У(х) = {/1(х1),/2(х2),...,/к(хк)} от к скалярных структурных переменных хь х2, ..., хк;

- каждая скалярная структурная переменная х1, х2, ..., хк может принимать 1к конкретных числовых значений (оценок) х{ = (х]к1, х{2, ... х7 } с дисциплинирующими условиями хктп , хктах тактико-технического задания (условия физической реализуемости системы):

*ктШ < х

- правила вычисления всех целевых функции/1(х1),_/2(х2),...,/к(хк) одинаковы для всех проектных альтернатив 7=1, 2, ..., N

- все целевые функции/1(х1),/2(х2),...,/к(хк) определены через параметры системы £ и имеют одинаковый ингредиент (все либо возрастают, либо убывают при повышении показателя качества системы ¥);

- поиск одного наилучшего варианта , 7 = ]ор( (или ограниченного набора из нескольких нехудших вариантов ,7 = ]ВиЪорп, ]выЪорг2, • •,]тЪорЛ, удовлетворяющих требованиям Z={Z1, Z2, ..., Zz} ТТЗ) системы осуществляется по всему множеству альтернатив , 7=1, 2, ..., N с использованием эффективных математических методов многокритериального сравнения по функционалу качества ¥.

Правило выбора математической модели сложной системы. Выбор наилучшего варианта структуры системы и вектора ее структурных переменных осуществляется [13] из полного множества £7п, /=1, 2, ..., s; п=1, 2, ..., т; 7=1, 2, ..., N методом

«отсева вариантов» сначала с помощью ограничений хкЫп, хктах, накладываемых на характеристики системы £, а затем с использованием какого-либо критерия предпочтения (сложного решающего правила).

К такой задаче, в частности, относится [4] задача выбора проектного варианта синтезируемого изделия не из нескольких (двух-трех) альтернатив, субъективно формируемых на базе имеющегося опыта проектирования предыдущих изделий того же класса (прототипов), а на базе исследования множества вариантов7=1, 2, ..., N, генерируемых каким-либо формализованным способом.

Естественно, что эти варианты должны быть сразу целесообразными пусть не по совокупности ¥ всех показателей эффективности х1, х2, ..., хк проектируемой системы £, а хотя бы по каждому из них в отдельности. Такое множество вариантов позволяет выделить из него так называемое переговорное множество (или множество недоминирующих вариантов [7]), которое, не будучи строго оптимальным ни по одному из критериев, является рациональным (компромиссным) по их совокупности.

Задача усечения переговорного множества состоит в выборе математических критериев х1, х2, ..., хк оценки всех проектных альтернатив7=1, 2, ..., N и в определении желаемых значений этих критериев.

4. Выводы

1. Комплексы бортового радиоэлектронного оборудования современных ЛА характеризуются большим количеством составляющих подсистем, структурной сложностью, информационной, функциональной и ресурсной избыточностью.

2. Большинство систем БРЭО проектируется сегодня независимо друг от друга на предприятиях авиационной промышленности РФ, входящих в различные консорциумы и корпорации. Это привело к разнородности используемых разработчиками методов и средств проектирования, дублированию отдельных видов разработок, увеличению сроков и стоимости разработок БРЭО в целом.

3. Существующие сегодня тенденции в распределении функций между функциональными элементами систем БРЭО связаны с интеграцией оборудования - расширением роли инвариантного ядра (БЦВС+ИУП) - и, как следствие, с переходом к многомашинным вычислительным комплексам. В связи с этим в практике разработки БРЭО должен появиться этап структурного синтеза системы информационного обмена, основанный на анализе бортовых информационных потоков пилотажно-навигационных данных.

4. Системе бортового информационного обмена как объекту проектирования присущи все характерные признаки сложной системы: многомерность, многообразие структуры, многообразие природы элементов, многосвязность элементов, многокрите-риальность.

5. При использовании традиционных методов проектирования системы бортового информационного обмена отсутствует строгое обоснование ее структуры и вектора структурных переменных. Поэтому исследования методов и алгоритмов решения этой научной проблемы, основанных на последовательном применении методов системного анализа, являются сегодня востребованными и актуальными.

Литература

1. Бомер М.А., Мурин А.В., Соколов О.В., Чуянова Е.Г. Методические вопросы оценки показателей надежности резервированных систем / Информационные технологии в разработках сложных систем. Труды ГосНИИАС. 2005. Вып.1(13). С. 37-53.

2. Гобчанский О. Проблемы создания бортовых вычислительных комплексов малых космических аппаратов // Современные технологии автоматизации. 2001. №4. С. 28-34.

3. Ефанов В.Н., Жданов О.Э. Процедуры экспертного оценивания эффективности интегрированных комплексов бортового оборудования / В кн. Аэрокосмическое приборостроение России в трудах специалистов корпорации «Аэрокосмическое оборудование» (1998-2003 г.г.). / Под ред. С. Б. Бодрунова, СПб: Издательство ОАО «Пирометр», 2003. Ч.2, С. 76-89.

4. Ефанов В.Н., Нуруллина И.Ф. Информационные технологии поддержки принятия решений при создании интегрированных комплексов бортового оборудования // Мир авионики. 2004. №4. С. 19-27 (англ. вар. Information technologies the support of decision-making when integrated airborne equipment complexes are created // Мир авионики. 2004. №4. С. 65-70).

5. Жерненко А.С., Маракулин В.В., Шмелев В.Н. Многокритериальный выбор оптимальных проектных решений - эффективный путь повышения качества авиационной техники. // Мир авионики. 2001. №1. С. 33-35.

6. Инзарцев А.В., Львов О.Ю. Бортовые вычислительные сети автономных подводных роботов // Современные технологии автоматизации. 2005. №2. С. 68-74.

7. Ковалев И.В., Усольцев А.А., Царев Р.Ю. Многоатрибутный метод учета субъективности оценок при выборе варианта бортовой системы обмена информацией // Авиакосмическое приборостроение. 2005. №2. С.46-49.

8. Копошилко И.И., Федосеев Е.П., Павлов А.М. Организация высокоинтеллектуальных средств информационного обмена бортового применения, их унификация и стандартизация. Проблемы и достижения. // Мир авионики. 2000. №4. С. 24-29.

9. Павлов А.М. Основы методологии аттестационного тестирования и отработки средств комплексирования бортового применения. World wide web resource: www.elics.kiae.ru/ACS/98/papers/acs_6r2.txt.

10. Павлов А.М. Принцип организации бортовых вычислительных систем перспективных летательных аппаратов // Мир компьютерной автоматизации. Журнал On-line. World wide web resource: www.mka.ru/?p=41177.

11. Парамонов П.П., Колесников Ю.Л., Видин Б.В., Есин Ю.Ф., Сабо Ю.И. Организация межсистемного информационного обмена в комплексах бортового оборудования / Учеб. пособие для вузов. СПб: СПбГУ ИТМО, 2005. 159 с.: илл.

12. Федосеев Е.П. Сквозная технология синтеза систем информационного обмена информационно-управляющих комплексов - реальный путь к снижению стоимости разработки бортового радиоэлектронного оборудования. // World wide web recourse: http://www.inr.troitsk.ru/~elics/icsnet/koi/section5_koi.html.

13. Шмелев В.Н. Системный подход при научном обосновании требований, включаемых в ТТЗ на разработку новых образцов бортовой радиоэлектронной аппаратуры летательных аппаратов // Мир авионики. 2000. №3. С. 35-36.

14. Эрглис К.Э. Интерфейсы открытых систем. М.: Горячая линия - Телеком, 2000. 256 с.:ил.