СПОСОБ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНО-УПРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ
METHOD OF OPERATING DISTRIBUTED MEASURING-CONTROL SYSTEMS

Изобретение относится к области информационно-измерительной техники и может быть использовано для построения распределенных измерительно-управляющих систем с многопользовательским удаленным доступом к объектам исследования, средствам управления и измерения.
Известен «Способ тестирования территориально удаленных объектов» по патенту РФ №2406140, который включает передачу сформированного задания на тестирование объекта с персональной ЭВМ пользователя через компьютерную сеть на сетевой сервер системы, запись его в очередь заданий других пользователей, передачу очередного задания с сетевого сервера на измерительный сервер, сопряженный с тестируемым объектом, измерение под его управлением значений откликов объекта на выводимое тестовое воздействие и передачу результатов измерения через сетевой сервер на персональную ЭВМ пользователя. Данный способ реализуется с помощью распределенной измерительно-управляющей системы и определяет способ функционирования таких систем.
Данный способ обеспечивает сокращение времени реакции (или времени ответа согласно терминологии [Л. Кляйнрок. Вычислительные системы с очередями. Перевод с английского под редакцией д-ра техн. наук Б.С. Цыбакова / Издательство «Мир», Москва. 1979]) распределенной измерительно-управляющей системы на запросы пользователей за счет повышения ее пропускной способности. Недостатком способа является его низкая эффективность в распределенных измерительно-управляющих системах, реализующих измерения, не состоящие преимущественно из совокупности одинаковых измерительных циклов - циклов усреднения, варьированием числа которых достигается технический результат изобретения.
Наиболее близким к заявляемому является «Способ функционирования распределенных измерительно-управляющих систем» по патенту РФ №2468420, который включает формирование на персональной ЭВМ пользователя задания на управление объектом и измерения, передачу задания с персональной ЭВМ пользователя через компьютерную сеть на сетевой сервер системы, запись его в очередь заданий других пользователей в порядке их поступления, разбиение заданий на последовательно выполняемые блоки заданий фиксированной длины (с фиксированным числом заданий в блоке), выбор и передачу из очередного блока на измерительно-управляющий сервер, сопряженный с объектом, задания с наименьшем временем на изменение состояния объекта относительно его текущего состояния, формирование с его помощью сигналов управления и при необходимости - сигналов тестирования, вывод их через средства сопряжения на объект, проведение измерений и передачу их результатов через сетевой сервер на персональную ЭВМ пользователя.
Данный способ также обеспечивает сокращение времени реакции распределенной измерительно-управляющей системы на запросы пользователей за счет повышения ее пропускной способности, но достигается оно путем сокращения времени на реконфигурирование объекта. Недостатком способа является его низкая эффективность в распределенных измерительно-управляющих системах, время реконфигурирования объекта которых не зависит от его предыдущего состояния и является, например, фиксированной величиной.
В основу изобретения положена задача повышения эффективности распределенных измерительно-управляющих систем путем сокращения времени реакции их на запросы пользователей в тех случаях, когда в силу специфики используемых измерений и объектов применение ранее известных способов в таких системах малоэффективно.
Поставленная задача решается тем, что в способе функционирования распределенных измерительно-управляющих систем, включающем формирование на персональной ЭВМ пользователя задания на управление объектом и измерения, передачу задания с персональной ЭВМ пользователя через компьютерную сеть на сетевой сервер системы, запись его в очередь заданий других пользователей в порядке их поступления, разбиение заданий на последовательно выполняемые блоки с фиксированным числом заданий в блоке, выбор и передачу заданий из очередного блока на измерительно-управляющий сервер, сопряженный с объектом, формирование с его помощью сигналов управления и при необходимости - сигналов тестирования, вывод их через средства сопряжения на объект, проведение измерений и передачу их результатов через сетевой сервер на персональную ЭВМ пользователя, согласно изобретению, на измерительно-управляющем сервере фиксируют время выполнения ранее не выполнявшихся заданий, заносят его в массив значений времени выполнения заданий на сетевом сервере, а задания из очередного блока для передачи на измерительно-управляющий сервер выбирают в порядке возрастания времени их выполнения.
На фигуре 1 приведена возможная структурная схема системы, реализующей заявляемый способ.
1
2
m
Система содержит персональные ЭВМ пользователей 1, 1, …, 1, соединенные через компьютерную сеть с сетевым сервером 2, к которому подключен измерительно-управляющий сервер 3, соединенный через устройство сопряжения 4, и исполнительное устройство 5 с объектом 6.
1
2
m
Функционирование распределенной измерительно-управляющей системы по предлагаемому способу осуществляется следующим образом. С персональной ЭВМ пользователя 1, 1, …, 1 (m - число пользователей системы) через компьютерную сеть на сетевой сервер 2 передается представленное в цифровом виде задание на измерения и управление объектом 6, которое в порядке поступления записывается сетевым сервером 2 в очередь заданий других пользователей, формируемую им в виде блоков, содержащих одинаковое (фиксированное) число заданий L. В задании указываются управляемые параметры объекта и их значения, необходимые для изменения его состояния, вид и параметры тестового воздействия.
Каждое из заданий в формируемом сетевым сервером 2 блоке заданий
n
имеет свое время (длительность) выполнения t на измерительно-управляющем сервере 3, где n=1, 2, …, L - номер задания в блоке в порядке его поступления.
Сетевой сервер 2 на основе информации о времени (длительности) выполнения имеющихся в очереди заданий, поступающей с измерительно-управляющего сервера 3, выбирает из очередного исполняемого блока заданий то, которое имеет минимальное время выполнения среди имеющихся в блоке. Математически алгоритм поиска номера q очередного извлекаемого из очереди задания можно представить следующим выражением:
Массив значений времени выполнения заданий может быть задан на измерительно-управляющем сервере 3 разработчиком системы или сформирован в процессе функционирования распределенной измерительно-управляющей системы автоматически. В этом случае на измерительно-управляющем сервере 3 для каждого нового, ранее не выполнявшегося задания, поступающего с сетевого сервера 2, фиксируется время его выполнения и заносится в массив значений времени выполнения заданий, который в дальнейшем передается на сетевой сервер 2 для его использования при извлечении имеющихся в очереди заданий.
Под управлением измерительно-управляющего сервера 3 в соответствии с извлекаемым заданием синтезируются в цифровом виде управляющее и тестовое воздействия. Цифровое управляющее воздействие выводится на исполнительное устройство 5, которое преобразует его в физическое воздействие на объект 6, изменяющее его (объекта 6) состояние, например, с помощью управляемых ключей, приводов, нагревателей и т.п. Цифровое тестовое (измерительное) воздействие выводится на устройство сопряжения 4 и преобразуется с помощью встроенного в это устройство цифроаналогового преобразователя (ЦАП) в последовательность аналоговых тестовых сигналов, воздействующих на объект 6.
Одновременно с выводом последовательности тестовых воздействий через устройство сопряжения 4 осуществляется синхронизированный ввод в измерительно-управляющий сервер 3 откликов объекта 6 с одной или нескольких точек съема, оцифрованных встроенным в устройство сопряжения 4 аналого-цифровым преобразователем (АЦП).
1
2
m
Полученные результаты измерений, проводимых под управлением измерительно-управляющего сервера 3, через сетевой сервер 2 передаются на персональную ЭВМ пользователя 1, 1, …, 1 и несут информацию о параметрах и характеристиках объекта 6, отвечающих его установленному состоянию.
После обработки текущего (очередного) блока заданий система автоматически переходит к обслуживанию заданий, размещенных в порядке поступления их в следующем блоке.
Технический результат изобретения поясним на конкретном примере.
Предположим, что время выполнения каждого n-го задания составляет k временных интервалов фиксированной длительности Δt:
,
где k - любое целое положительное число.
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mi>k</mi><mi>n</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>3</mn><mn>1</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>9</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>4</mn><mn>3</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>8</mn><mn>4</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>1</mn><mn>5</mn></msubsup></mrow>
Предположим, что в очередном блоке с числом заданий L=5 в текущий момент времени содержатся задания со следующими значениями времени выполнения
:
,
,
,
,
, n=1, 2, 3, 4, 5, k=3, 9, 4, 8, 1.
Среднее время выполнения этих заданий определяется как:
.
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mrow><mi>о</mi><mi>ч</mi></mrow><mi>n</mi></msubsup></mrow>
Каждому заданию в пределах рассматриваемого блока соответствует определенное время пребывания в очереди
до передачи его на измерительно-управляющий сервер 3 (или время ожидания выполнения согласно терминологии [Л. Кляйнрок. Вычислительные системы с очередями. Перевод с английского под редакцией д-ра техн. наук Б.С. Цыбакова / Издательство «Мир», Москва. 1979, с. 315]). Для первого задания это время равно нулю:
.
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>3</mn><mn>1</mn></msubsup></mrow>
При передаче на измерительно-управляющий сервер 3 заданий в порядке n их поступления на сетевой сервер время пребывания в очереди второго извлекаемого задания равно времени выполнения первого задания
:
.
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>3</mn><mn>1</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>9</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
Для третьего извлекаемого задания время пребывания в очереди определяется суммой времен выполнения двух предыдущих заданий
и
:
.
Для четвертого и пятого заданий имеем:
;
.
Временная диаграмма, иллюстрирующая обработку заданий в рассматриваемом блоке в соответствии с порядком их поступления на сетевой сервер, представлена на фигуре 2.
оч_ср
Среднее время пребывания в очереди заданий данного блока tсоставит:
.
реакц_ср
Среднее значение времени реакции t распределенной измерительно-управляющей системы на запрос пользователя определяется выражением:
реакц_ср
вып_ср
оч_ср
t=t+t.
Среднее время реакции системы на задания в рассматриваемом блоке:
реакц_ср
оч_ср
вып_ср
t=t+t=11·Δt+5·Δt=16·Δt.
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mi>k</mi><mi>q</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>1</mn><mn>5</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>3</mn><mn>1</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>4</mn><mn>3</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>8</mn><mn>4</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>9</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
Критерию выбора заданий из очереди (1) в соответствии с заявляемым способом соответствует следующий порядок их извлечения
:
,
,
,
,
, q=5, 1, 3, 4, 2.
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mrow><mi>о</mi><mi>ч</mi></mrow><mi>q</mi></msubsup><mo>*</mo></mrow>
Время пребывания заданий в очереди
в этом случае определяется следующим образом:
;
;
;
;
.
Временная диаграмма, иллюстрирующая обработку заданий в рассматриваемом блоке в соответствии с порядком, определяемым заявляемым способом, представлена на фигуре 3.
<mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>о</mi><mi>ч</mi><mo>_</mo><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>*</mo></mrow>
Среднее время пребывания заданий в очереди в ожидании выполнения
при применении заявляемого способа составит:
.
<mrow><msub><mi>t</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>п</mi><mo>_</mo><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>*</mo><mo>=</mo><msub><mi>t</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>п</mi><mo>_</mo><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mn>5</mn><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow>
В пределах рассматриваемого блока среднее время выполнения заданий остается неизменным и составляет
.
В соответствии с этим среднее время реакции системы на задания рассматриваемого блока:
.
Эффективность предлагаемого способа функционирования системы определяется отношением R среднего времени реакции распределенной измерительно-управляющей системы, функционирующей по известному способу и по предлагаемому способу:
.
В данном случае оно составляет:
.
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mi>k</mi><mi>n</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>9</mn><mn>1</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>3</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>8</mn><mn>3</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>4</mn><mn>4</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>t</mi><mn>1</mn><mn>5</mn></msubsup></mrow>
Аналогично можно показать, что другой исходной последовательности тех же заданий
:
,
,
,
,
соответствует еще более высокая эффективность способа R=1,67.
Выбор числа заданий в блоке L выполняется, исходя из условия не превышения некоторого максимального времени пребывания заданий в очереди в пределах исполняемого блока заданий. Оно определяется при разработке или настройке системы с учетом решаемых ею задач.
Таким образом, при использовании заявляемого способа происходит улучшение одного из важных показателей распределенной измерительно-управляющей системы - среднего времени ее реакции на запросы пользователя в пределах блока заданий, которое сокращается в R раз по сравнению с известным способом. Данный факт позволяет судить о решении положенной в основу изобретения задачи.