Шульц В.А. – доцент, к.т.н., Казахская академия транспорта и коммуникаций им.
М.Тынышпаева (г. Алматы, Казахстан)
Сансызбай К.М. – старший преподаватель, магистр, Казахская академия
транспорта и коммуникаций им. М.Тынышпаева (г. Алматы, Казахстан)
ВАРИАЦИОННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ СИСТЕМ ДИСПЕТЧЕРСКОГО УПРАВЛЕНИЯ
Качество программного обеспечения микропроцессорных систем диспетчерского
управления (ПО МСДУ) оказывает существенное влияние на надежность и
технологическую эффективность функционирования всей системы, управление
перевозочным процессом.
Технология проектирования МСДУ существенно отличается от методов
проектирования релейных систем железнодорожной автоматики и телемеханики (СЖАТ).
Главными отличиями являются программная реализация алгоритмов управления
перевозочным процессом, а также проектирование МСДУ на основе ранее разработанных
прототипов с частичным или полным использованием программных продуктов и
алгоритмических решений, предназначенных для других станций или диспетчерских
участков (типовых элементов). В связи с этим актуальным является решение следующих
задач:
- разработка общих научных подходов к теории и методам проектирования МСДУ,
реализованных программными средствами;
- разработка критериев и методов оценки качества проектирования МСДУ при
использовании в них типовых элементов [17].
При использовании системного подхода к анализу качества проектирования МСДУ
трудовая система
F
X
Y
H
C
P
A
TS
,
,
,
,
,
,
может быть представлена в виде
множества
локальных
подсистем
},
{LTSi
LTS
).
,...,
1
(
n
i
Каждаяi - а я
подсистемаLTS
i
представляет собой отдельный ТП комплекса работ по проектированию
конкретной МСДУ.
Разработка ПО МСДУ задается в виде локальной трудовой подсистемы
,
,
,
,
,
1
YP
FP
H
IP
P
LTS
пр
(1)
где:Р
пр
– программные средства, выбранные в качестве прототипа проектируемого ПО
МСДУ; IP – информация как предмет труда ТП сбора и переработки данных при
проектировании ПО МСДУ; H – субъект труда (разработчики ПО); Y P – результат
проектирования в виде ПО МСДУ; F P – ТП проектирования ПО МСДУ, в результате
которого осуществляется преобразование помощи H.
Для заданной трудовой системыL T S применим методику функционально-
прагматического моделирования. В качестве цели МСДУ рассмотрим безотказность
МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ,
ПОСВЯЩЕННОЙ 135-ЛЕТИЮ М. ТЫНЫШПАЕВА
ТРАНСПОРТ В XXI ВЕКЕ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
_____________________________________________________________________________
424
функционирования ПО МСДУ. Тогда для L T S обобщенный показатель безотказности ПО
МСДУР
БП0
задается функционалом
)},
(
),
(
),
(
),
(
{
)
(
FP
Р
Н
P
IP
Р
P
P
f
YP
P
БПО
БПО
БПО
пр
БПО
БПО
(2)
где его компоненты - вероятности того, что соответствующий элемент локальной
трудовой подсистемы L T S
1
обеспечивает достижение поставленной цели.
В соответствии с предложенными ранее методами системного анализа качества
проектирования МСДУ оценка безотказности ПО будет заключаться в оценке влияния
элементовР
пр
и H на безотказностьY P , а также показателей
качества ТПI P иF P с точки зрения безотказности продукта проектирования. Эти
показатели
могут
быть
получены
с
помощью
аппарата
функциональных,
информационных или семантических цепей [1].
Качество проектирования МСДУ оценивается в виде оптимизационной задачи:
),
(
)
(
);
(
)
(
);
(
)
(
FP
T
FP
T
FP
C
FP
C
YP
P
YP
P
д
y
y
д
y
y
д
БПО
БПО
(3)
где:
)
(FP
C
y
– средние затраты на проектирование ПО конкретной МСДУ; T
y
( F P ) –
среднее
время
ТП
проектирования
ПО
МСДУ;
)
(
),
(
,
FP
T
FP
С
P
д
у
д
у
д
БПО
соответствующие минимальные или максимальные значения оцениваемых параметров,
заданные заказчиком.
Опыт, накопленный при проектировании СДУ «Диалог», систем «Диалог-МС» и
«Диалог-Ц», показал, что в условиях, когда ТП проектирования МСДУ отлажен и имеется
достаточное число реализованных на практике проектов, при создании нового ПО
используются фрагменты и блоки ранее разработанных и протестированных программных
средств управления, используемых в действующих МСДУ.
Таким образом, проектирование ПО МСДУ фактически заключается не в
разработке нового ПО, а в переработке отлаженного комплекса программных средств с
учетом отличий реализованного варианта ПО от спецификаций, заданных для нового.
Такой принцип проектирования ПОсистем управления назовем вариационным, а комплекс
программных средств, используемый в качестве базового, - прототипом ПО [17].
Технологию вариационного проектирования ПО МСДУ можно разделить на
несколько этапов:
-
анализ спецификаций реализуемого проекта ПО МСДУ на основе
технологического задания, выделения типовых и нетиповых блоков алгоритма
управления;
- выбор по множеству заданных критериев из перечня ранее разработанных
программных средств, реализующих аналогичные задачи, прототипа ПО МСДУ;
- разработка на основе выбранного прототипа нового ПО МСДУ путем
исправления и дополнения базового ПО в соответствии с новыми спецификациями.
Целесообразность использования вариационного проектирования ПО МСДУ
обосновывается, прежде всего, экономическими причинами. Вместе с тем, уровень
МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ,
ПОСВЯЩЕННОЙ 135-ЛЕТИЮ М. ТЫНЫШПАЕВА
ТРАНСПОРТ В XXI ВЕКЕ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
_____________________________________________________________________________
425
надежности ПОавтоматизированных систем управления неразрывно связан со стоимостью
их проектирования. Известно, что на ПО приходится от 70% до 90% стоимости
разработки новой МСДУ [2].
Например, в 1983-1990 гг. в США на ПО военного назначения было затрачено 130
млрд. дол., из них 70% - на поиск и исправление ошибок].Поэтому, учитывая рост
вероятности безотказной работы ПО с течением времени его эксплуатации, использование
ПО реализованных ранее проектов МСДУ является эффективным средством
безошибочного проектирования.
Вариационное проектирование ПО МСДУ требует решения множества
}
,...,
{
1
m
E
E
E
локальных задач проектирования МСДУ.
Задача Е1. Необходимо разработать и обосновать номенклатуру критериев выбора
базовой программы из множества альтернативных вариантов. При этом выбор прототипа
должен удовлетворять решению задачи оптимизации:
.
min
)
(
min;
)
(
;
1
)
(
FР
T
FP
C
P
P
у
у
пр
БПО
(4)
Задача E2. Необходимо разработать такую методику проектирования ПО МСДУ,
при которой разработанный программный продукт УР заранее соответствовал бы условию
max
)
(
пр
БПО
Р
Р
для его дальнейшего использования в качестве прототипа новых
программ, т.е. представлял бы собой стандартизированную модель ПО МСДУ.
Задача ЕЗ. Требует научного обоснования методика преобразования прототипаР
пр
в
программный продукт УР, позволяющая свести к минимуму затраты на дополнительное
тестирование ПО МСДУ, т.е.
max
)
(
пр
БПО
Р
Р
.
Такой подход позволит строить МСДУ на основе унифицированных решений ПО,
что приведет к снижению его стоимости за счет серийного проектирования
алгоритмических и программных средств.
В соответствии с поставленной целью проектирования ПО МСДУ
max
)
(
пр
БПО
Р
Р
задача создания ПО на основе прототипаР
пр
может быть
сформулирована в виде двойственной задачи оптимизации.
.
)
(
;
)
(
max;
)
,
,
,
(
)
(
д
y
y
д
y
y
пр
БПО
БПО
T
FP
T
C
YP
C
FP
H
IP
Р
P
YP
P
(5)
Таким образом, решение множества локальных задач Е проектирования ПО МСДУ
сводится к задаче управления свойствами элементов системы L T S , при котором цель
системы остается неизменной, но требуемым образом изменяются показатели
качестваР
впо
, стоимости С
у
и трудоемкости Т
у
достижения цели системы [2].
МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ,
ПОСВЯЩЕННОЙ 135-ЛЕТИЮ М. ТЫНЫШПАЕВА
ТРАНСПОРТ В XXI ВЕКЕ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
_____________________________________________________________________________
426
Для решения множества
}
{Ei
Е
задач вариационного проектирования ПО
МСДУ произведем анализ структуры S и базы данных F ПО МСДУ, на основе которого в
соответствии с номенклатурой критериев выбора базовой программы Р построим
унифицированную модель ПО МСДУ. Структура рабочего ПО МСДУ представлена на
рис. 3.2 и состоит из следующих блоков.
Рисунок 1. Структура рабочего места поездного диспетчера МСДУ
Б1 – объектов контроля и управления, предназначен для хранения перечня
объектов контроля и управления и описания их взаимосвязи.
Б2 – декодирования ТС, предназначен для обработки сигналов ТС, поступающих с
ЛП.
БЗ – формирования ТУ, предназначен для формирования сигналов ТУ и
ЦС.
Б4 – выделения изменений, предназначен для динамического отслеживания
изменения состояния объектов, произошедших за последний цикл опроса ЛП
Б5 – выделения команды ТУ в сигнале ТС, предназначен для выделения из сигнала
ТС команды ТУ, передаваемой с участка от АРМ энергодиспетчера и АРМ
электромеханика, а также для проверки правильности команды ТУ.
Б6 – проверки логических условий, предназначен для исключения формирования
команд ТУ, которые противоречат условиям безопасности движения поездов.
Т
У
Т
С
Объекты контроля и управления
Декодирования ТС Формирования ТУ
Выделения
изменений в ТС
Выделение
ТУ в ТС
Проверка логических
условий
Обработка
команд ТС
Диалог с
диспетчером
Управление
движением
Оценка поездной
ситуации
Оперативный
прогноз
Отображение
поездной ситуации
Контроль, учет,
статистика
МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ,
ПОСВЯЩЕННОЙ 135-ЛЕТИЮ М. ТЫНЫШПАЕВА
ТРАНСПОРТ В XXI ВЕКЕ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
_____________________________________________________________________________
427
Б7 – обработки сигналов ТС, предназначен для восстановления последовательности
во времени изменений состояний объектов контроля, при ее нарушении из-за дискретного
поступления информации от ЛП.
Б8 – организации диалога с диспетчером, предназначен для фиксирования команд
ДНЦ, а также выдачи оперативных сообщений, рекомендаций и подсказок.
Б9 – управления движением, предназначен для формирования сигналов ТУ в
соответствии с командой ДНЦ и информацией, поступающей от блока оперативного
прогноза.
Б10 – оценки поездной ситуации, предназначен для подготовки данных,
поступающих в блок оперативного прогноза о состоянии объектов контроля и поездной
ситуации на участке.
Б11 – оперативного прогноза, предназначен для прогнозирования поездной
ситуации и формирования предварительных команд, поступающих в блок управления
движением.
Б12 – отображения поездной ситуации, предназначен для отображения и
обновления визуальной информации на мониторах.
Б13 – контроля, учета и статистики, предназначен для формирования,
протоколирования, статистической обработки и хранения информации, получаемой в
результате работы АРМ ДНЦ.
Будем рассматривать каждый j - ы й блок Б
j
в виде изолированной модели,
реализующей булевую функцию
)
(x
f
y
где
}
,...,
{
1
n
x
x
x
– множество входных
переменных блока Б
j
,
}
,...,
{
1
m
y
y
y
- множество выходных переменных. Введем для
блока Б
/
набор признаков (показателей), характеризующих его качество с точки зрения
вариационного проектирования ПО МСДУ.
Признак вариативности – характеризует количество различных реализаций j-г о
блока (множества различных булевых функций
)},
(
),...,
(
),
(
{
2
1
x
f
x
f
x
f
F
Bj
используемых при проектировании ПО МСДУ;
оценивается показателем вариативности
,
j
B
где
– мощность множества
Bj
F
.
Показатель относительной вариативности - соответствует вероятности
OBji
P
того,
что при проектировании ПО МСДУ будет реализована функция f(x) из множества
Bj
F
.
Признак гомоморфизма данных [3] - характеризует отличие множества входных
переменных
}
,...,
{
1
m
i
i
x
x
x
при реализации функции f
i
( x ) из множества
Bj
F
от множеств
входных переменных при реализации других функций множества F
Bj
; количественно
оценивается с помощью коэффициента гомоморфизма данных
,
}
,...,
min{
1
N
x
x
Bj
(6)
Очевидно, что каждый реализуемый проект МСДУ различается количеством и
названиями станций, объектов управления и контроля на них, путевым развитием,
схемами управления и т.д. Поэтому в общем случае для блока Б1 имеем, что
;
0
;
0
;
1
1
B
OBli
P
B
т.е. база данныхF произвольного проекта ПО МСДУ не
определена.
МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ,
ПОСВЯЩЕННОЙ 135-ЛЕТИЮ М. ТЫНЫШПАЕВА
ТРАНСПОРТ В XXI ВЕКЕ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
_____________________________________________________________________________
428
Рассмотрим функции индикации сигналов ТС и формирования команд ТУ с точки
зрения выделенных признаков. Анализ структуры S ПО МСДУ показывает, что для блоков
Б2; Б4; Б7, Б12 показатели
const
P
const
B
OBji
j
,
т.к. выбор функции
)
(
2 x
i
f
для блока Б2
предполагает полностью коррелированный выбор соответствующих функций в блоках Б4,
Б7 и Б12. Поэтому будем рассматривать блок Б
ТС
(блок индикации сигналов ТС) как
композицию блоков Б2, Б4, Б7 и Б12 с единой логической функцией из множестваF
BTC
.
Аналогично для функции реализации команд ТУ заменим композицию блоков БЗ,
Б6 и Б9 блоком Б
т у
(блок реализации команд ТУ) с единой логической функцией из
множества Б
вту
.
На основе статистических данных, полученных при проектировании систем МСДУ
«Диалог», в табл. 3.1 и 3.2. приведены значения показателей вариативностиВ'
ту
иВ'
тс
соответственно для г - ы х алгоритмических модулей (АМ1), образующих блокиБ
ту
иБ
т с
,
а также значение показателей относительной вариативности
1
ij
OB
P
и
0
ij
OB
P
соответственно для каждого j-говарианта реализации i -го алгоритмического модуля
блоков Б
ГУ
иБ
тс
[3]. Для удобства описания в таблицах использована сплошная нумерация
алгоритмических модулей.
Значения показателейВ'
ту
иВ'
тс
, приведенные в табл. 3.1 и 3.2, зависят от
количества используемых вариантов технической реализации схем управления и контроля
на ЛП различных диспетчерских участков. Варианты алгоритмических модулей i = 1, i = 2
и i = 14 (в дальнейшем соответственно АМ
1
, АМ
2
и АМ
14
) различаются наличием команд
ТУ для поездных маршрутов (j= 1) и для маневровых маршрутов на ЛП ( т а б л и ц а 1 ) .
Таблица 1. Показатели вариативности структуры ПО МСДУ «Диалог» при
формировании команд телеуправления
№
алгоритми-
ческого
модуля (i)
Перечень
алгоритмических
модулей блока реализации команд
ТУ Б
ТУ
Значение
показателей
i
ТУ
B
Значение
показателя
Р
ТУ
ij
Вариант
№1(j=1)
Вариант
№2(j=2)
1
Задание маршрута
2
0,77
0,23
2
Отмена маршрута
2
0,77
0,23
3
Вспомогательная
смена
направления
2
0,81
0,19
4
Перевод стрелка
2
0,69
0,31
5
Выбор режима автоматического
задания маршрутов, пакетного
графика на станции
1
1
-
6
Выбор
режима
сезонного
управления на станции
2
0,37
0,63
7
Выбор
режима
резервного
управления на станции
1
1
-
8
Вызовы и включения на станции
1
1
-
9
Открытие и закрытие переезда на
станции
1
1
-
10
Разрешение отправления
1
1
-
МАТЕРИАЛЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКОЙ КОНФЕРЕНЦИИ,
ПОСВЯЩЕННОЙ 135-ЛЕТИЮ М. ТЫНЫШПАЕВА
ТРАНСПОРТ В XXI ВЕКЕ: СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ
_____________________________________________________________________________
429
11
Управление энергообъектами
Бесконечно
большое
Не
определено
Не
определено
12
Отключение
и
включение
телесигнализации на станции
1
1
-
Алгоритмические модули АМ
3
и АМ
21
имеют два варианта реализации в
зависимости от использования в МСДУ «Диалог» устройств ЛП ДЦ «Нева» (j=1) или ДЦ
«Луч» (j=2 ) .
Варианты алгоритмических модулей АМ
4
и АМ
20
различаются способом контроля
положения стрелок: в первом случае (j=1) осуществляется индивидуальный контроль
положения всех стрелок по плану станции; во втором варианте (j=2) контролируется
положение только стрелок, входящих в трассу маршрута. Алгоритмический модуль АМ
6
имеет различную структуру в зависимости от способа передачи станции с сезонного на
диспетчерское управление.
Разработка программного обеспечения микропроцессорных систем диспетчерского
управления задается в виде локальной групповой подсистемы, где программные средства
выбираются в качестве прототипа проектируемой системы. Технологию вариационного
проектирования необходимо разделить на несколько этапов.
Литература
1. Зингер К. Методы проектирования программных систем. -М.: Мир, 1985.
2. Крылов А.Ю., Соловьев ATI., Кициловский A.B. и др. Программный комплекс
диспетчерского управления «Диалог-Ц». //Автоматика, связь и информатика №7, 2001, с.
29-31.
3. Сапожников В.В., Христов Х.А., Гавзов Д.В.; Под ред. Вл.В. Сапожникова.
Методы построения безопасных микроэлектронных систем железнодорожной автоматики.
- М.: Транспорт, 1995.
Достарыңызбен бөлісу: |