Регистрация / Вход
Прислать материал

Единая базовая платформа управления наземной инфраструктурой ракетно-космической техники

Докладчик: Пащенко Дмитрий Владимирович

Должность: заведующий кафедрой ВТ ПГУ, профессор, д.т.н.

Цель проекта:
1. Разработка унифицированных аппаратно-программных средств управления наземной инфраструктурой существующих, модернизируемых и перспективных систем ракетно-космической техники (РКТ) 2. Важной частью ракетно-космических комплексов (РКК) являются объекты наземной инфраструктуры, включающие технологические и вспомогательные объекты и технические средства, основными функциями которых является заправка разгонных блоков и космических аппаратов компонентами топлива и газами с использованием заправочных станций, а также предпусковые работы, включающие управление хранилищами топлива, системами пожара-взрывотушения, водоводом, системами мониторинга и термостабилизации, техническими системами, входящими в состав кислородно-азотного завода. Задачи управления рассматриваемых объектов представляют собой сложные технологические процессы, уникальные для каждого класса изделия. При этом для каждого из классов изделий существует своя автоматизированная система контроля и управления технологическими процессами заправки, слива, хранения топлива, подачи воды, и т.д., что существенно увеличивает стоимость и сложность их разработки, производства и эксплуатации. Поэтому актуальным является решение проблемы создания единой базовой платформы управления наземной инфраструктурой ракетно-космической техники, которое обеспечит работу широкой номенклатуры технических, технологических и вспомогательных систем с использованием унифицированных и масштабируемых отечественных аппаратно-программных комплексов, что позволит снизить временные и материальные затраты на разработку, производство и эксплуатацию РКК. Автоматизированная система контроля и управления технологическими процессами РКК относится к классу распределенных систем, которые состоят из промышленных ЭВМ и встраиваемых устройств управления объектами (микроконтроллеров), объединённых коммуникационной сетью. Такие системы функционируют в жестком реальном времени и характеризуются наличием большого количества ресурсов и параллельных процессов, взаимодействующих через коммуникационную среду. Изменение номенклатуры объектов инфраструктуры РКК в зависимости от класса и задач изделия предъявляет требования к реконфигурации, что приводит к усложнению процесса проектирования системы управления, как в структурном, так и поведенческом плане. В связи с этим актуальной является задача разработки инструментальных средств поддержки автоматизированного проектирования систем управления наземной инфраструктурой РКК, обеспечивающих единство программно-аппаратных платформ и, как следствие, портабельность управляющего программного обеспечения. Причем для получения высоких показателей производительности, надежности и безопасности управляющего программного и аппаратного обеспечения необходимо разработать средства для тщательной верификации и тестирования.

Основные планируемые результаты проекта:
1.1 Формальные описания объектов инфраструктуры РКТ и компонент аппаратно-программных средств
управляющей системы;
1.2 Формальные модели алгоритмов управления объектами инфраструктуры РКТ;
1.3 Средства верификации процессов управления на основе формальных методов;
1.4 Инструментальные средства генерации выполняемых программ на основе предложенной формальной
модели описания процесса управления и библиотек унифицированных каталогизированных элементов;
1.5 Средства аналитико-имитационного моделирования: как программные, так и аппаратно-программные,
позволяющие проводить комплексное исследование средств управления и технологического оборудования;
1.6 Универсальные средства тестирования и наладки аппаратно-программных средств управления;
1.7 Методы и средства для экспертной системы объективного контроля, позволяющие проводить выявление
неисправностей в работе технологического оборудования и выявление ошибок оператора;
1.8 Архитектура аппаратных средств, основанная на модульно-блочном принципе;
1.9 Состав и конструктив исполнения унифицированных блоков, основанный на перспективных
отечественных разработках;
1.10 Каталогизация существующих элементов сбора информации о состоянии технологического
оборудования (датчики, реле давления, реле уровня, дозаторы, счетчики и т.п.) и исполнительных
механизмов с учетом возможности их применения;
1.11 Способы межмодульного и межблочного взаимодействия с учетом перспектив развития интерфейсов
вычислительных систем;
1.12 Способы аппаратного резервирования модулей и блоков базовой платформы.

2.1 Должен быть разработан каталог элементов сбора информации о состоянии технологического оборудования (датчики, реле давления, реле уровня, дозаторы, счетчики и т.п.) и исполнительных механизмов (клапаны, подогреватели, насосы и т.д.) наземной инфраструктуры РКТ для формирования номенклатуры устройств (модулей) сопряжения системы управления с объектами наземной инфраструктуры РКТ.
2.2 Должен быть разработан способ формализованного описания объектов наземной инфраструктуры РКТ, позволяющий унифицировать взаимодействие системы управления объектами наземной инфраструктуры РКТ с различными классами элементов, приведенными в каталоге элементов сбора информации о состоянии технологического оборудования.
2.3 Должна быть проведена апробация способа формализованного описания объектов наземной инфраструктуры РКТ на примере описания объектов системы управления наземной инфраструктуры РКТ, участвующих в одном из технологических процессов заправки.
2.4 Должен быть разработан способ описания алгоритмов управления объектами наземной инфраструктуры РКТ, позволяющий совместно со способом формализованного описания объектов наземной инфраструктуры РКТ, формализовать процесс управления объектами наземной инфраструктуры РКТ.
2.5 Должна быть проведена апробация способа описания алгоритмов управления наземной инфраструктуры РКТ на примере системы управления объектами наземной инфраструктурой РКТ, участвующими в одном из технологических процессов заправки, управления хранилищами топлива, системами пожаро-взрывотушения, водовода, мониторинга и термостабилизации.
2.6 Должен быть разработан демонстрационный образец инструментальной программной системы генерации функционального программного обеспечения, который преобразует описание алгоритмов управления и формализованные описания объектов наземной инфраструктуры РКТ в управляющий код для исполнения системой управления наземной инфраструктурой РКТ.
2.7 Должен быть разработан демонстрационный образец инструментальной программной среды исполнения алгоритмов управления наземной инфраструктурой РКТ, представленных в виде управляющего кода, сгенерированного инструментальной программной системой генерации функционального программного обеспечения управления наземной инфраструктурой РКТ.
2.8 Должна быть разработана методика верификации программного обеспечения системы управления наземной инфраструктурой РКТ, обеспечивающая контроль правильности функционирования управляющего кода, сгенерированного инструментальной программной системой генерации функционального программного обеспечения управления наземной инфраструктурой РКТ, в штатных и аварийных ситуациях.
2.9 Должна быть проведена апробация методики верификации программного обеспечения системы управления наземной инфраструктурой РКТ на примере системы управления объектами наземной инфраструктурой РКТ, участвующими в одном из технологических процессов заправки, управления хранилищами топлива, системами пожаро-взрывотушения, водовода, мониторинга и термостабилизации.
2.10 Должен быть разработан комплекс мероприятий и методов экспертной оценки объективного контроля системы управления объектами наземной инфраструктуры РКТ в процессе их эксплуатации, позволяющих выявлять их неисправности и ошибки в действиях операторов.
2.11 Должен быть определен состав аппаратных средств объективного контроля системы управления наземной инфраструктурой РКТ.
2.12 Должна быть определена архитектура аппаратных средств управления наземной инфраструктурой РКТ, основанная на модульно-блочном принципе, обеспечивающих подготовку к старту в плане заправки, управления хранилищами топлива, системами пожаро-взрывотушения, водоводом, мониторинга и термостабилизации объектов ракетно-космической техники (выполняется за счет внебюджетных средств).
2.13 Должны быть разработаны интерфейсы для межмодульного и межблочного взаимодействия аппаратных средств управления наземной инфраструктурой РКТ включая:
– проект протокола межмодульного информационно-логического взаимодействия;
– проект протокола межблочного информационно-технического сопряжения.
2.14 Должны быть определены: состав унифицированных модулей и блоков управления наземной инфраструктурой РКТ и описание их конструктивного исполнения.
2.15 Должна быть разработана ЭКД для изготовления унифицированных модулей и блоков управления наземной инфраструктурой РКТ (за счет внебюджетных средств).
2.16 Должен быть определен состав макета блока системы управления наземной инфраструктурой РКТ и разработана ЭКД на макет блока системы управления наземной инфраструктурой РКТ(выполняется за счет внебюджетных средств).
2.17 Должен быть изготовлен макет блока системы управления наземной инфраструктурой РКТ.

3. Новизна научных решений на данном этапе обусловлена использованием схем на основе микроконтроллеров отечественного производства, что накладывает ряд ограничений, как по быстродействию, так и по характеристикам ПО. Для преодоления этих ограничений вводятся:
- Трансляция с языков SFC и FBD;
- Разрабатывается свой язык, позволяющий распараллелить решаемую задачу в автоматическом режиме;
- Разрабатывается методика преобразования алгоритмов, позволяющая автоматизировать все циклы программирования микроконтроллеров, с учетом параллелизма;
- Разрабатывается комплекс аппаратных и программных решений для реализации систем автоматизированного управления, позволяющий строить такие системы по блочному принципу;
- Разрабатывается электронный каталог датчиков и исполнительных механизмов и механизм его использования, позволяющий встраивать его в систему проектирования алгоритмов для автоматизированной системы управления.

4. Предлагаемые результаты позволят уменьшить с помощью схемотехнических и программных решений отставание от зарубежных стран по характеристикам аппаратных решений, и, в дальнейшем, могут послужить основой для унификации и стандартизации подхода к построению автоматизированных параллельных систем управления распределёнными объектами.

5. Важным моментом в разработке единой базовой платформы управления объектами наземной инфраструктуры для РКТ является правильный выбор основополагающей технологии проектирования.
Современными технологиями проектирования программных и программно-аппаратных систем в настоящее время являются:
а) проектирование на основе управления моделями (Model driven engineering - MDE);
б) проектирование на основе модельно-интегрированных вычислений (Model Integrated Computing - MIC).
В основу данных технологий положено последовательное преобразование исходной модели проектируемой системы, возможно через ряд промежуточных моделей, в целевую модель, пригодную для реализации на заданной программно-аппаратной платформе. Развитием технологии Model driven engineering является проектирование, основанное на управлении онтологиями (Ontology driven engineeing). Данный подход является более мощным в следующих аспектах. Во-первых, описательные возможности онтологий выше описательных возможностей UML- и доменно-ориентированных моделей, в частности, онтологии позволяют определять семантику предметной области. Во-вторых, онтологии являются читабельными как со стороны компьютера, так и со стороны человека, ориентированы на использование
сетевыми агентами, что упрощает их использование при автоматизации процесса проектирования. Использование онтологий позволит увеличить степень повторного использования проектных решений на высоком уровне - уровне моделей и онтологических описаний, а не на низком уровне – уровне реализации. Переход от высокоуровневых онтологических описаний к низкоуровневым обеспечивается набором
трансформационных правил, которые также могут быть повторно используемыми. Это, в свою очередь, способствует унификации проектных решений. В качестве исходной онтологии единой базовой платформы управления объектами наземной инфраструктуры для ракетно-космической техники может быть разработана онтология мнемосхем, в том числе P&ID диаграмм стандарта IEC 62424. Данная онтология
обеспечивает описание структуры технологической системы, включая элементы (резервуары, трубопроводы, клапаны, датчики и т.д.), а также соединения данных элементов в систему. В качестве целевых онтологий системы проектирования можно использовать онтологию языков программирования ПЛК IEC 61131-3, онтологию функциональных блоков IEC 61499 и другие онтологии. В настоящее время за рубежом широко ведутся работы по развитию теоретического формализма, формальных методов в проектировании программных средств, а также созданию на их основе инструментальных средств. Исследования ведутся с использованием трех основных подходов: формальной спецификации, верификации и формальным синтезом или программным выводом. На данный момент отсутствует теория и основанные на ней методы и средства, которые служили бы единой платформой для всех этих подходов. Например, в университете Электротехники и Информатики в Беркли в последних
работах авторов Томас Huining Feng, Edward A. Lee, Lee W. Schruben разработаны событийные модели вычислений, позволяющие упростить создание прикладных управляющих программ, которые учитывают фактор времени, возможность планирования множественных будущих активностей, поддержку иерархии моделей, в том числе конечных детерминированных автоматов, и конкуренцию параллельных алгоритмов.
Указанные модели расширяют возможности языка моделирования диаграмм для создания программного обеспечения, однако не имеют соответствующих средств осуществления аппаратного синтеза и формальной верификации сложных устройств логического управления. Поставленную задачу предлагается решать с использованием логики событийных недетерминированных автоматов (СНДА) созданной и
развитой д.т.н., профессором Вашкевичем Н.П. Такое формальное представление алгоритмов управления характеризуется значительной простотой, наглядностью, компактностью и возможностью в комплексе решать задачи спецификации, верификации, разработки, анализа и преобразования управляющих алгоритмов сложных систем по управлению взаимодействующими параллельными асинхронными
процессами и ресурсами с целью оптимизации их параметров и средств их контроля, а также их реализации на программном или аппаратном уровнях. Отмеченные достоинства моделей СНДА характеризуют высокую эффективность предлагаемого математического аппарата для формального описания и практической реализации управляющих алгоритмов, к числу которых можно отнести:
- простота, компактность, наглядность и удобство использования для заказчика и разработчика;
- высокая степень выразительности для описания сложных алгоритмов управления параллельными процессами и ресурсами, обеспечивающих отсутствие тупиковых ситуаций, когда имеется зависимость реализуемых событий по данным и ресурсам;
- наличие методов оптимизационных равносильных преобразований, связанных минимизацией, композицией, декомпозицией и верификацией;
- возможность простой трансформации описания с одного языка на другой, в том числе и на язык проектирования аппаратуры, что обеспечивает легкий переход от формального аналитического описания к структурной реализации алгоритма;
- математический аппарат ориентирован на описание как последовательных, так и параллельных систем управления.
Другим важным звеном в проектировании распределенных систем являются встраиваемые устройства управления (контроллеры), которые должны соответствовать как функциональным требованиям, так и ряду нефункциональных, среди которых временные ограничения и требования по производительности, надежности, управляемости, безопасности, реконфигурируемости, развиваемости и ряду других. Для
обеспечения указанных требований желательно использование многоядерных систем–на–кристалле (СнК). Однако ненадежность управляющего программного обеспечения или операционных систем часто приводит к сбоям в системе управления, что в конечном счете может создать неблагоприятные ситуации с непоправимыми последствиями в системах реального времени. Поэтому при реализации контроллеров
предлагается применить аппаратную поддержку ряда сложных и трудоемких функций управления процессами и ресурсами на ПЛИС (FPGA), оставляя в программной реализации лишь небольшой API- интерфейс. В результате API-функции, обрабатываемые в аппаратных средствах, значительно ускоряются, а тщательная отладка аппаратуры современными средствами проектирования ПЛИС гарантирует
надежность и безопасность операционной системы.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Области применения, способы использования результатов
Области применения:
Наземная инфраструктура для ракетно-космической техники.
Способы использования ожидаемых результатов:
Создание единой базовой платформы управления объектами наземной инфраструктуры для ракетно-
космической техники, позволяющая унифицировать технологические процессы подготовки ракетно-
космической техники.
Возможные потребители ожидаемых результатов
1. Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры (ЦЭНКИ) при Российском
космическом агентстве.
2. Объединенная ракетно-космическая корпорация (ОРКК).
Возможные пути и необходимые действия по доведению до потребителя ожидаемых результатов
Представление, совместно с индустриальным партнером, демонстрационного макета на тематических
выставках и совместных научно-технических совещаниях и конференциях с потребителями ожидаемых
результатов.

Текущие результаты проекта:
Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающий научно-техническую проблему.
Определено направление дальнейших исследований в теоретической области:
Создание метода формального описания объектов и алгоритмов управления объектами РТК. Разработка методов декомпозиции алгоритмов управления объектами РКТ для их реализации в распределенной системе автоматического управления (РСУ).
Разработка методов верификации алгоритмов управления и программного обеспечения их реализующего.
Определено направление дальнейших исследований в практической области:
Разработка архитектуры аппаратных средств РСУ объектами РТК , базирующей на отечественную элементную базе.
Разработка инструментальной системы генерации кода для распределенной архитектуры.
Разработка системы, имитирующей объект управления РТК для отладки алгоритмов и программного обеспечения.
Апробирования принятых технических решений в демонстрационном макете.
Разработка электронного каталога элементов сбора информации о состоянии технологического оборудования наземной инфраструктуры РКТ в виде базы знаний, обеспечивающий как интерактивную работу с пользователем, так и автоматическую в составе САПР управления объектами РКТ.

Разработан способ формализованного описания объектов наземной инфраструктуры РКТ как описание совокупности их элементов в виде XML структур, определяющих их информационную и поведенческую модели.

Разработана информационная модель базы знаний не реляционного типа, позволяющей каталогизировать данные об элементах объектов технологической инфраструктуры РТК (датчики, клапаны, насосы, расходомеры и другое оборудование отечественного производства). База знаний обеспечивает наполнение, хранение, поиск и отображение информации о ТТХ элементов, их информационных моделях, а также сведения о драйверах, обслуживающих эти элементы.
Разработана архитектура аппаратных средств управления наземной инфраструктурой РКТ, основанной на модульно-блочном принципе и ТТР протоколах межблочного взаимодействия с резервными шинами обмена. В качестве элементной база выбрана продукция отечественной фирмы «Миландр». Определен состав модулей: универсальные программируемый модули дискретного ввода-вывода (УПМ ДВВ) и аналогового ввода-вывода (УПМ АВВ) и связной процессорный модуль (СПМ). Эти модули, объединенные в блоке интерфейсом CAN, обеспечивают подключение и непосредственное обслуживание всех типам элементов объектов инфраструктуры РТК, а через межблочные интерфейсы – взаимодействие блоков при реализации алгоритмов РСУ.
Разработана структурная схема УПМ ДВВ, выбраны возможные конфигурации портов ввода/вывода (логические входы N-P-N, P-N-P, +5В и N-P-N, P-N-P, +27В, логический выход PUSH-PULL, 0/+5В, 24/24мА, КЗ, силовой выход MOSFET N-P-N, P-N-P, +27В, 1А, КЗ) и функциональные возможности модуля (обработка сигналов “сухих контактов” методом прямого опроса (до 32шт), Обработка сигналов “сухих контактов” методом матричного сканирования (до 256шт), реализация функций контроллера клавиатуры, ЖКИ и графическогом дисплея, реализация управления Электропневмопреобразователями с контролем тока и функцией “прозвонки” (до 64шт), . Реализация одиночной и групповой оптоизоляции с возможностью резервирования.

Направлены заявки на регистрацию 2 разработанных программы для ЭВМ: «Анализатор-транслятор технологических схем АСУ ТП» и «Транслятор технологических схем MS Visio в формат XML». Получено свидетельство о регистрации программы для « «Программный комплекс для синтеза запрещающих правил для контроллеров безопасности на основе реверсивных sNCES-cетей»