WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     |
|

На правах рукописи

Левшин Сергей Афанасьевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДЛЯ РАЗРАБОТКИ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ МОБИЛЬНЫХ ТРЕНАЖЕРОВ

Специальность 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Новочеркасск - 2009

Работа выполнена на кафедре «Программное обеспечение вычислительной техники» ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет» (Новочеркасский политехнический институт)»

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Гринченков Дмитрий Валерьевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Маликов Андрей Валерьевич

кандидат технических наук,

Балакин Александр Владимирович

Ведущая организация: Военная академия связи (г. Санкт-Петербург)

Защита диссертации состоится «26» июня 2009 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.02 при ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)» по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовской обл., ул. Просвещения, 132, (гл. корпус, ауд. 107)

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке «Южно-Российского государственного технического университета (Новочеркасского политехнического института)». С текстом автореферата можно ознакомиться на сайте ЮРГТУ (НПИ) www.npi-tu.ru

Автореферат разослан «21» мая 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

канд. тех. наук, профессор Иванченко А.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Возрастающая сложность технических объектов, управляемых операторами, большой объем обрабатываемой информации, рост психологических нагрузок, сбои в работе оборудования определяют актуальность задачи разработки и эксплуатации средств подготовки операторов. До последнего времени тренажерная техника активно развивалась только в крупных учебных центрах (УЦ), оснащенных тренажерами базовой подготовки, в основу которых были положены принципы обеспечения адекватности моделирования объекта, возможности расширения функций тренажеров при модернизации штатных объектов управления, использование недорогой вычислительной техники. В тренажерах штатное оборудование, как правило, заменяется программно-управляемыми имитаторами. Средства, обеспечивающие информационное поле рабочего места обучаемого с индикаторами приборной среды, имитацию внешней визуальной обстановки и моделирование логики работы объекта, образуют программно-аппаратный комплекс (ПАК) тренажера.

Ядром современного ПАК является специализированная вычислительная система (ВС), в которой функциональные возможности определяются используемыми аппаратными и программными средствами. В тренажере специализированная ВС объединяет средства сопряжения с имитаторами, сбора и обработки информации с датчиков положения органов управления, а также обеспечивает решение заранее определенного набора функциональных задач. В настоящее время наиболее проработана кластерная архитектура ВС, на базе офисных ПЭВМ, как правило, применяемая в тренажерах базовой подготовки.

В последнее время все более широкое распространение получил класс мобильных тренажеров, используемых в местах базирования реальных объектов управления и обеспечивающих поддержание навыков операторов. Тренажеры данного класса сохраняют функциональные возможности тренажеров базовой подготовки в части состава моделей и адекватности моделирования объекта, обеспечения тренировки оператора, работы инструктора. При этом мобильные тренажеры должны иметь возможность: многократного перемещения; быстрого развертывания даже в недостаточно подготовленных для этого условиях; обладать высокой надежностью при эксплуатации в жестких климатических условиях. Перечисленные требования к мобильным тренажерам ставят задачу поиска иного технического решения построения ПАК. Одним из вариантов реализации может быть специализированная ВС на базе SMP-архитектуры (Symmetrical Multi Processor systems –системы с равноправным доступом процессорных блоков (ПБ) к общей оперативной памяти (ОП)), которая позволяет строить многопроцессорные ВС с гарантированной доставкой управляющих команд, а за счет выбора соответствующих аппаратных средств, удовлетворяющих требованиям построения мобильных тренажеров, обеспечить надежную работу ПАК. Несмотря на отмеченные преимущества, указанная архитектура в настоящее время находит ограниченное применение в тренажеростроении. Причиной этому является необходимость обеспечения жесткой аппаратной связи между вычислительными модулями и устройствами сопряжения с объектом (УСО), что часто приводит при модернизации изделия к расширению аппаратной части ВС и доработке ПС и, соответственно, повышению стоимости тренажера в целом. Этим объясняется то, что подход к построению многопроцессорных специализированных ВС на базе SMP-структур как основы ПАК тренажерных средств (ТС) в настоящее время проработан недостаточно.

Поэтому в связи с расширением области использования мобильных тренажеров и активным их внедрением в процесс подготовки операторов, актуальной становится задача разработки общих принципов построения специализированной ВС с SMP-архитектурой на базе математических моделей с последующей их программной реализацией.

Диссертация выполнялась в рамках федеральной целевой программы «Интеграция науки и высшего образования России на 2002-2006 г.», утвержденной постановлением Правительства РФ № 660 от 5.09.01, в соответствии с научным направлением Южно-Российского государственного технического университета (НПИ), раздел «Проблемы автоматизации обработки информации в тренажно-обучающих информационных и управляющих комплексах» по теме 7.05 «Разработка теоретических основ проектирования корпоративных информационных систем» (утвержденного решениями ученого совета от 25.04.2001 и 1.03.2006). Разработанные программные средства и методические материалы использовались в учебном процессе при проведении лабораторных работ по курсу «Архитектура вычислительных систем и компьютерных сетей» для студентов специальностей 010503 (351500) и 230105 (220400) в ЮРГТУ (НПИ).

Цель диссертационной работы заключается в разработке математических моделей специализированной ВС с SMP-архитектурой, а также инструментального комплекса программ, позволяющего принимать наиболее рациональные технические решения на этапе эскизного и технического проектирования ПАК ТС.

Поставленная цель потребовала решения следующих задач исследования:

  • провести систематизацию функций тренажерных средств;
  • определить особенности и проблемы, возникающие при построении ПАК мобильных тренажеров, и провести их критический анализ;
  • выбрать и сформулировать критерии эффективности проектируемого ПАК мобильного тренажера;
  • разработать имитационные модели возможных вариантов построения специализированных ВС мобильного тренажера с SMP-архитектурой;
  • исследовать временные характеристики информационных потоков на системной шине (СШ) специализированной ВС с SMP-архитектурой ТС;
  • разработать аналитические модели возможных вариантов построения специализированной ВС мобильного тренажера с SMP-архитектурой;
  • разработать инструментальный комплекс программ, который позволяет решать задачу выбора рациональных вариантов SMP-структур для мобильных тренажеров на этапе их проектирования.

Методы исследования. В диссертационной работе используется аппарат теории вероятностей, математической статистики, теории массового обслуживания, а также другие методы математического моделирования.

Научная новизна работы заключается:

  • в построении новых математических (аналитических и имитационных) моделей SMP-структур, защищенных авторскими свидетельствами, учитывающих время подключения источника заявки к обслуживающему устройству с дополнительной функцией в виде предобслуживания заявок;
  • в разработке программных средств, реализующих проверку технических решений, принимаемых в процессе разработки ПАК ТС на базе SMP-архитектуры.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

  • разработаны структуры ряда специализированных ВС с SMP-архитектурой, позволяющие уменьшать время на выбор арбитром СШ из очереди на обслуживание ПБ в соответствии с заложенным алгоритмом (арбитраж СШ);
  • разработаны математические (аналитические и имитационные) модели SMP-структур с учетом времени подключения источника заявки к обслуживающему устройству и предобслуживанием заявок, позволяющие более корректно описывать процесс информационного обмена;
  • разработаны инструментальные программные средства, позволяющие выполнять проверку технических решений на этапах эскизного и технического проектирования.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на: II международной научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах» Новочеркасск, 2001; отчетной конференции-выставке подпрограммы 205 «Транспорт». Научно-технической программы Минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», Москва-Звенигород 2002г; научно-технической конференции «Тренажерные технологии и симуляторы -2002» Санкт-Петербург, 2002; V международной научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах» Новочеркасск, 2004; VII международной научно-практической конференции «Моделирование, теория, методы и средства» Новочеркасск, 2007.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 3 авторских свидетельства на изобретение, 4 статьи, 8 тезисов докладов на международных и всероссийских научно-технических конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 107 наименований и четырех приложений. Работа изложена на 241 страницах, содержит 93 рисунка и 26 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, изложены цели, задачи, научная новизна и практическая ценность диссертационной работы.

В главе 1 «Анализ проблемы разработки вычислительных систем на базе SMP-архитектуры и постановка задачи их математического моделирования» проведена классификация задач проектирования тренажерных средств и рассмотрены проблемы их реализации в мобильных тренажерах. На основе существующих классификаций выделены общие особенности, характерные для всех ТС на стадии их проектирования, определены основные задачи, представленные в виде графа, описывающего жизненный цикл процесса разработки тренажера.

Установлено, что специализированные ВС могут иметь различную архитектуру в зависимости от класса ТС, но в любой из реализуемых вычислительных структур наиболее узким местом является общий информационный канал. В инженерной практике широко используется подход, основанный на многосторонней оценке характеристик проектируемой системы. При этом на ранних стадиях проектирования, когда о проектируемом объекте недостаточно исходной информации предпочтительно использовать аналитические, приближенные модели. Далее полученные результаты согласуются с техническим заданием и уточняются с использованием более точных, но менее универсальных имитационных моделей. Показано, что процессы, протекающие на СШ специализированной ВС с SMP-архитектурой, достаточно сложны и многообразны. Поэтому аналитическая модель системы массового обслуживания (СМО) с предобслуживанием заявок не может с приемлемой точностью описать такие особенности алгоритма обслуживания, как случайный выбор источника заявки, либо алгоритмы предобслуживания такие как, выбор ПБ наиболее долго не обращавшегося к СШ; подключение ПБ, обратившегося к СШ последним.

В данной работе под предобслуживанием понимается последовательность действий, выполняемых арбитром СШ при отсутствии заявок в системе, направленных на уменьшение времени нахождения в системе первой поступившей заявки за счет заблаговременного подключения источника заявки к СШ.

Pages:     |
|



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.