Главная » 2013 » Ноябрь » 1 » Скачать Синтез бортовых информационно-управляющих систем с параллельной архитектурой. Ахметов, Марат Искандарович бесплатно
11:46
Скачать Синтез бортовых информационно-управляющих систем с параллельной архитектурой. Ахметов, Марат Искандарович бесплатно
Синтез бортовых информационно-управляющих систем с параллельной архитектурой
Диссертация
Автор: Ахметов, Марат Искандарович
Название: Синтез бортовых информационно-управляющих систем с параллельной архитектурой
Справка: Ахметов, Марат Искандарович. Синтез бортовых информационно-управляющих систем с параллельной архитектурой : диссертация кандидата технических наук : 05.13.01 Уфа, 2006 171 c. : 61 07-5/791
Объем: 171 стр.
Информация: Уфа, 2006
Содержание:
Перечень сокращений Введение
Глава
I Исследование принципов построения бортовых информационноуправляющих систем с параллельной архитектурой
11 Анализ функционального и алгоритмического облика бортовых информационно-управляющих систем
12 Принципы структурной организации современных бортовых информационно-управляющих систем
13 Особенности архитектуры параллельных вычислительных комплексов
14 Планирование и диспетчеризация вычислительных процессов в БИУС с параллельной архитектурой Основные результаты и выводы по первой главе Постановка задачи исследования
Введение:
Актуальность темы. Повышение эффективности эксплуатации воздушного транснорта тесно связано с необходимостью увеличения пропускной снособностн воздушного пространства и, как следствие, с увеличением нассажиропотоков и регулярности выполнения авиарейсов, с сокраш;ением эксплуатационных затрат за счет выбора кратчайших и наиболее экономичных маршрутов к пунктам назначения, а также с новышением безопасности полетов при росте интенсивности воздушного движения. Чтобы выполнить такие, во многом противоречивые требования, международное авиационное сообщество разработало концепцию CNS/ATM, согласно которой каждому летательному анпарату, находяш;емуся в установленном воздушном пространстве, должна быть задана индивидуальная траекторию движения, оптимальная с точки зрения эффективности выполнения его полетного задания. При этом задача обеспечения высокоточной реализации индивидуальных траекторий движения возлагается на автоматическую бортовую систему управления (ЛЕСУ), способную унравлять всеми фазами полета от запуска до посадки. Функции АБСУ предусматривают также выполнение всех сложных навигационных расчетов, включая наиболее точную оценку местоположения самолета но информации, собранной из всех навигационных датчиков, и нрогноз поведения других участников воздушного движения с целью предотвраш;ения конфликтных ситуаций. Большая заслуга в разработке современных бортовых систем унравления принадлежит видным отечественным ученым и конструкторам Белому Ю.И., Крюкову СП., Парамонову П.П., Петрову В.М., Солдаткину В.М., Федосову Е.А., Федунову Б.Е. Вопросам повышения эффективности систем авиационной автоматики посвяп];ены работы Петрова Б.П., Рутковского В.Ю, Васильева В.И., Гуревича О.С, Гусева Ю.М., Землякова Д., Ильясова Б.Г., Лебедева Г.П., Крымского В.Г., Куликова Г.Г., Юсуповой П.И. Однако по мере усложнения функций, возлагаемых на АБСУ, и увеличения их количества на повестку дня выходит задача разработки интегрированной системы управления полетом на базе многопроцессорных вычислительных комплексов с параллельной архитектурой. Дело в том, что АБСУ относятся к 5 системам жесткого реального времени, работающим в широком диапазоне температурных и других неблагоприятных внешних воздействий. В связи с этим к ним предъявляются повышенные требования по быстродействию и, в то же время, накладываются ограничения на применение перспективных высокопроизводительных микропроцессоров из-за бортовых условий эксплуатации. Одним из наиболее перспективных решений данной задачи является распараллеливание алгоритмов управления и их реализация в форме параллельно протекаюш;их вычислительных процессов. В настояш:ее время достигнуты значительные успехи в области создания высокопроизводительных вычислительных систем с массовым параллелизмом, которые закреплены в целом ряде международных стандартов или стали обш;епризнанными из-за их широкого применения в различных технических приложениях. Тем не менее, ряд важных аспектов построения бортовых информационных и управляюш;их вычислительных систем с параллельной архитектурой остается не достаточно исследованным. В первую очередь это относится к взаимной увязке процедур синтеза алгоритмов управления, планирования вычислительного процесса и выбора структурной организации аппаратной части комплекса, поскольку независимое осуш:ествление этих этапов может привести к неэффективному, в целом, решению задачи проектирования. Кроме того, существуюпдие методы планирования и диспетчеризации вычислительных процессов либо ориентируются на поиск любого допустимого варианта распараллеливания вычислений, что не гарантирует оптимального решения, либо нацеливаются на поиск наилучшего расписания, поиск которого может занимать слишком долгое время. Указанпые обстоятельства определяют актуальность диссертационной работы. Цель работы состоит в повышении эффективности автоматических бортовых систем управления за счет совмеп];ения процедур синтеза алгоритмов управления, планирования вычислительных процессов, выбора оптимальной структурной организации аппаратной части и формирования на этой основе бортовых информационно-управляющих систем с параллельной архитектурой.Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе на основе проведенных системных исследований принципов построения бортовых информационно-управляющих систем были сформулированы следующие задачи: 1. Провести исследование условий, при выполнении которых последовательность операций синтеза алгоритмов управления, планирования вычислительных процессов и выбора оптимальной структурной организации аппаратной части приводит к формированию архитектуры бортовых информационноуправляющих систем с заданным набором свойств. 2. Разработать метод совмещенного синтеза алгоритмов управления и топологии автоматических бортовых систем управления с параллельной архитектурой. 3. Разработать процедуру формирования алгоритмического облика бортовой информационно-вычислительной системы на основе глобального и локального распараллеливания задачи спутниковой навигации. 4. Разработать методика составления расписания, обеспечивающего оптимальную загрузку вычислительных модулей при реализации параллельных процессов, протекающих в бортовых информационно-управляющих системах, на основе адаптивного генетического алгоритма. 5. Разработать программное обеспечение для бортовых информационноуправляющих систем с параллельной архитектурой, с помощью которого оценить эффективность предложенных подходов к синтезу алгоритмов управления, планированию и диспетчеризации вычислительных процессов, а также к выбору оптимальной топологии систем данного класса. Методы исследования. При рещении поставленных задач использовались методы теории управления, системного анализа, композиционного проектирования, искусственного интеллекта, линейной алгебры, теории вероятностей, структурного программирования, компьютерного моделирования. Основные результаты, полученные в диссертационной работе: 1. Метод совмещенного синтеза алгоритмов управления и топологии автоматических бортовых систем управления с параллельной архитектурой.Аналитическая модель вычислительных процессов, позволяющая с точностью до такта макрокоманд описывать состояние последних при реализации рекурсивных алгоритмов унравления с контекстными нереключениями. 3. Процедура формирования алгоритмического облика бортовой информационно-вычислительной системы на основе глобального и локального распараллеливания задачи спутниковой навигации. 4. Адаптивный генетический алгоритм, обеспечивающий поиск оптимального плана загрузки многопроцессорной бортовой информационно- управляющей системы посредством достижения компромисса между скоростью сходимости и качеством найденного решения. 5. Результаты исследования эффективности нредложенных методов синтеза алгоритмов унравления, нланирования и диспетчеризации вычислительных нроцессов, а также выбора онтимальной топологии бортовых информационноуправляющих систем с параллельной архитектурой, выполненные с иснользованием разработанного программного комплекса. Научная новизна. 1. Разработан метод совмещенного синтеза алгоритмов управления и топологии автоматических бортовых систем управления, отличающийся тем, что выбор структуры управляющей части осуществляется с учетом показателей эффективности вычислительного процесса, реализующего синтезируемые алгоритмы, в результате чего последовательная онтимизация локальных критериев обеспечивает формирование системы с заданным набором свойств. 2. Предложена аналитическая модель для онисания вычислительных процессов, отличающаяся способом решения системы уравнений, описывающей состояние исследуемого вычислительного процесса, который позволяет исключить операцию обращения матриц высокой размерности и представить в аналитической форме результаты распределения множества фрагментов алгоритма унравления между виртуальными вычислительными процессами. 3. Паучная новизна процедуры формирования алгоритмического облика бортовой информационно-вычислительной системы состоит в механизме объединения ресурсов в е с В СУП и других бортовых вычислительных систем для реализации заданной совокунности совместно нротекающих вычислительных процессов, полученных в результате глобального и локального распараллеливания задачи спутниковой навигации. 4. Научная новизна генетического алгоритма состоит в снособе автоматической настройки параметров генетических онераторов, которые меняются в зависимости от нредыстории поиска наилучшего варианта с целью достижения компромисса между шириной и глубиной поиска оптимального решения. Практическая значимость и реализация результатов работы. 1. Метод совмеп],енного синтеза алгоритмов управления и топологии автоматических бортовых систем управления позволяет повысить производительность комплекса бортового оборудования нри одновременном обеспечении требуемого качества унравления, что особенного важно для систем жесткого реального времени, к которым предъявляются требования безусловного, мгновенного, ненрерывного, длительного вынолнения всех запланированных функций. 2. Предложенная процедура формирования алгоритмического облика бортовой информационно-вычислительной системы нозволяет сократить время на поиск онтимального созвездия, обеспечиваюп];его максимальную точность нозиционирования летательного аппарата, примерно в 3 раза при переходе к 3процессорной системе и почти в И раз при переходе к 12-процессорной системе. 3. Адаптивный генетический алгоритм находит оптимальное решение в 2 2,5 раза быстрее по сравнению со стандартным, что обеспечивает суш;ественное новышения эффективности бортовых информационно-унравляюп];их систем. 4. Программный комплекс исследования и онтимизации архитектуры бортовых информационно-управляющих систем (свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ 2006611926 «Поиск оптимального созвездия навигационных спутников с использованием принцина глобального раснараллеливания» и 2006611927 «Онтимальное раснределение загрузки между узлами многонроцессорной вычислительной системы с использованием адаптивного генетического алгоритма») обеснечивает совместимость с широким классом нрограммно-аннаратных средств, что делает его достунным для нримеиения на многих нреднриятиях авианриборостроительного нрофиля. Практическая значимость нолученных результатов подтверждается актом внедрения в производственную деятельность корпорации «Аэрокосмическое оборудование». Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: Международная молодежная научная конференция «XXX Гагаринские чтения» (г. Москва, 2004), Всероссийская научно-практическая конференция «Авиакосмические технологии и оборудование. Казань-2004» (г. Казань, 2004), 3-я международная выставка и конференция «Авиация и космонавтика-2004» (г. Москва, 2004), Международная молодежная научная конференция «XII Туполевские чтения» (г. Казань, 2004), VII Всероссийская научная конференция молодьгх ученых и аспирантов «Новые информационные технологии. Разработка и аснекты применения» (г. Таганрог, 2004), Международная конференция «CSIT2005» (г. Уфа, 2005), IV Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и современные информационные технологии» (г. Томск, 2006), 13-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аснирантов «Микроэлектроника и информатика-2006» (г. Москва, 2006). Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 16 работах, включая 2 статьи в научных изданиях из списка ВАК, 12 нубликаций в центральных журналах, трудах и материалах конференций, 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ по теме диссертации. Структура и объем работы. Диссертация состоит из перечня сокращений, введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Основное содержание работы изложено на 158 страницах машинописного текста, включая 32 рисунка и 19 таблиц. Снисок литературы включает 142 наименования и занимает 13 страниц. 10