Інформаційна технологія автоматизації випробувань систем електрозабезпечення космічних апаратів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний аерокосмічний університет ім. М.Е. Жуковського

«Харківський авіаційний інститут»

Лучшев Павло Олександрович

УДК [004.413+004.434]:629.78.064.018

ІНФОРМАЦІЙНА ТЕХНОЛОГІЯ АВТОМАТИЗАЦІЇ ВИПРОБУВАНЬ СИСТЕМ ЕЛЕКТРОЗАБЕЗПЕЧЕННЯ КОСМІЧНИХ АПАРАТІВ

05.13.06 - інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2009

ДИСЕРТАЦІЯ Є РУКОПИСОМ

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Е.Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

Туркін Ігор Борисович,

Національний аерокосмічний університет ім. М.Е. Жуковського «ХАІ», завідувач кафедри інженерії програмного забезпечення.

Офіційні опоненти:

– доктор технічних наук, професор Сидоров Микола Олександрович, Національний авіаційний університет, декан факультету комп'ютерних наук, завідувач кафедри інженерії програмного забезпечення;

– доктор технічних наук, професор Кошовий Микола Дмитрович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «ХАІ», завідувач кафедри авіаційних приладів та вимірювань.

Захист відбудеться « 18 » грудня 2009 р. у 12 ⁰⁰ годин на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.062.01 у Національному аерокосмічному університеті ім. Н.Е.Жуковського «ХАІ» за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17, радіотехнічний корпус, ауд. 232.

З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічній бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Е.Жуковського «ХАІ» за адресою: 61070, м. Харків, вул. Чкалова, 17.

Автореферат розіслано « 12 » листопада 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Латкін М.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Випробування космічної техніки, як і більшості складних технічних систем, можна віднести до класу погано формалізованих та недостатньо структурованих динамічних процесів через унікальність самого об'єкту випробувань, нестаціонарність процесів, нелінійність характеру взаємозв'язків, ієрархічність організації, багатокритеріальність розв'язуваних завдань.

У процесі випробувань систем космічних апаратів ретельним перевіркам підлягають не тільки конструкції систем, але й логіка їх роботи, комплекси, що утворюються при взаємодії досліджуваної системи із зовнішнім космічним середовищем, суміжними системами космічних апаратів, центром управління польотів. При цьому предметом аналізу є матеріально-енергетичні та інформаційні потоки, реалізовані в рамках даних взаємодій. Випробування є складовою частиною циклу експериментального відпрацьовування, у процесі якого еволюціонує об'єкт випробувань, змістовно змінюються технологічні процеси випробувань. Складність об'єкта випробувань, контрольно-вимірювальної та контрольно-перевірочної апаратури, розмаїтість видів і типів випробувань, інформаційна насиченість процесу випробувань вимагають повної автоматизації процесів випробувань.

Програмне забезпечення для автоматизації випробувань повинне функціонувати з урахуванням обмежень реального часу, бути надійним і стійким до відмов апаратної частини, пристосованим до різноманітних цілей і завдань випробувань, різних конфігурацій контрольно-вимірювальної та контрольно-перевірочної апаратури, однозначно та повно реалізувати в алгоритмах контролю та управління вимоги Замовника - Розробника об'єкта випробувань.

Відомі інформаційні системи та доступні інструментальні засоби розробки спеціалізованого програмного забезпечення не пропонують ефективне рішення згаданих завдань. Так, розширення реального часу для універсальної мови моделювання (UML) є прийнятними в надвеликих проектах із сотнями розробників, у яких частки аналізу та проектування досить великі в порівнянні з усією розробкою; SCADA, MES системи ефективні в завданнях автоматизації безперервних, або дискретно-безперервних виробництв; автоматний підхід припускає опис логіки управління на занадто абстрактній графічній мові, що при певному рівні складності програмного забезпечення перевершує можливості сприйняття людини.

Існуючі інформаційні технології не пропонують ефективних шляхів рішення завдань, які вимагають модифікуємості та адаптуємості алгоритмів випробувань, що виконуються у процесі управління та перевірок. Тому розробка, теоретичне обґрунтування та практична апробація проблемно-орієнтованого підходу, що припускає специфікування алгоритмів управління та перевірок мовою Замовника (кінцевого користувача), а потім автоматичне виконання цих специфікацій, є актуальним науково-практичним завданням.

Досить багато наукових публікацій вчених України, ближнього та далекого зарубіжжя присвячено питанням розробки моделей, методів, інструментальних засобів і технології, пов'язаних із проблемами створення інформаційних систем автоматизації випробувань. Активну роботу проводять, як наукові школи та колективи: Санкт-Петербуржський державний університет інформаційних технологій, Сибірський державний аерокосмічний університет імені академіка М.Ф. Решетньова, Санкт-Петербуржський державний університет аерокосмічного приладобудування, механіки та оптики, так й окремі дослідники Єршов А.П., Вельбицький И.В, Шалито А.А., Барков А.В., Хартов В. В., Ковалев С.Е.

Таким чином, тема дисертації має важливе наукове та прикладне значення, оскільки спрямована на рішення актуальної науково-прикладної задачі створення інформаційної технології автоматизації випробувань систем електрозабезпечення космічних апаратів, що дозволяє знизити трудомісткість випробувань за рахунок підвищення якості програмного забезпечення.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виповнена відповідно до планів наукових досліджень Національного аерокосмічного університету ім. М.Є.Жуковського «ХАІ» у рамках держбюджетної науково-дослідної роботи Д603-31/2006 «Методологічні основи створення засобів для випробувань та експериментального відпрацьовування космічних енергоустановок» та в рамках господарчих договорів за замовленням ДКБ «Південне» м. Дніпропетровськ: 402-7-22/02 «Розробка СПЗ випробувань СЕЗ "Egyptsat-1"», 402-7-23/02 «Введення в експлуатацію СПЗ АВ СЕЗ», 402-7-47/03 «Розробка та налагодження СПЗ для автономного відпрацьовування ПСЕЗ КС5МФ2 "Січ-2"», у яких автор особисто брав участь.

Мета та задачі дослідження. Метою дослідження є зниження трудомісткості та підвищення якості випробувань систем електрозабезпечення космічних апаратів. Для досягнення поставленої мети були сформульовані наступні задачі дослідження:

– аналіз існуючих технологій та сучасних інструментальних засобів автоматизації випробувань систем електрозабезпечення космічного апаратів;

– розробка та теоретичне обґрунтування моделей та методів автоматизації випробувань систем електрозабезпечення космічних апаратів, з використанням спеціалізованої проблемно-орієнтованої мови опису випробувань;

– розробка методу ідентифікації імітаційної моделі системи електрозабезпечення космічного апарату, призначеної для налагодження програмного забезпечення та верифікації описів технологічних процесів випробувань;

– побудова імітаційної моделі системи електрозабезпечення космічного апарату та перевірка її адекватності.

– аналіз та оцінювання ефективності запропонованих теоретичних положень, моделей, методів та інструментальних засобів для автоматизації випробувань систем електрозабезпечення космічних апаратів.

Об'єктом дослідження є процеси автоматизації випробувань систем космічної техніки.

Предметом дослідження є моделі, методи та інструментальні засоби автоматизації випробувань систем електрозабезпечення космічних апаратів.

Методи дослідження. Проведені дослідження засновані на використанні методів: системного аналізу для розробки моделі системи автоматизації випробувань; теорії формальних граматик для розробки проблемно-орієнтованої мови та засобів роботи з нею; теорії графів для побудови ізоморфного графічного подання технологічних процесів випробувань; теорії штучних нейронних мереж для імітаційного моделювання об'єкта випробувань; об'єктно-орієнтованого аналізу для створення архітектури програмного забезпечення; управління програмними проектами для оцінки ефективності проблемно-орієнтованої технології розробки програмного забезпечення.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше створено інформаційну технологію автоматизації випробувань систем електрозабезпечення космічних апаратів, яка заснована на використанні спеціалізованої мови для опису процесів випробувань і штучної нейронної мережі для моделювання об'єкту випробувань, що забезпечує зниження трудомісткості випробувань та економію ресурсу об'єкту випробувань.

2. Удосконалено метод попередньої обробки даних для навчання штучної нейронної мережі, за рахунок комплексного застосування кореляційного аналізу та методу головних компонентів, що забезпечує зниження розмірності даних, алгоритмів нормування та нелінійного стиску вихідних даних, box-counting метода для підвищення їх інформативності та аналізу нелінійних залежностей, процедури приведення мережі до спеціального «логічно прозорого» виду, що дозволяє підвищити точність моделі.

3. Дістала подальшого розвитку теорія створення та застосування спеціалізованих проблемно-орієнтованих мов для автоматизації випробувань систем електрозабезпечення космічних апаратів в частині комплексного узагальнення графічного подання мов логічного управління та строгої граматики текстової мови високого рівня, що дозволяє спростити процес розробки та модифікації сценаріїв технологічних процесів випробувань.

Практичне значення одержаних результатів полягає в можливості їх використання для підвищення ефективності та якості випробувань вітчизняних космічних апаратів за рахунок зниження вартості та трудомісткості випробувань, вдосконалення інформаційно-управляючих систем автоматизації випробувань. Використання імітаційної математичної моделі системи електрозабезпечення космічного апарата, заснованої на навченій штучній нейронній мережі прямого поширення, забезпечує економію ресурсу об'єкта випробувань, контрольно-перевірочної та стендової апаратур.

Створене методичне та інформаційне забезпечення, розроблені технічні, алгоритмічні та програмні засоби, моделі та методи пройшли практичну апробацію в ході автономних і комплексних випробувань систем електрозабезпечення космічних апаратів КС5МФ2, «EgyptSat-1». Результати, отримані в дисертаційному дослідженні, впровадженні провідними організаціями аерокосмічної галузі України: науково-виробничим підприємством «Хартрон-Аркос», м. Харків (акт впровадження від 19.05.2009); Державним конструкторським бюро «Південне», м. Дніпропетровськ (акт впровадження від 17.06.2009).

Загальні методичні підходи, розвинені дисертацією, можуть бути використані в суміжних галузях, для яких актуальна проблема створення програмних засобів автоматизації випробувань та дослідження складних технічних систем.

Особистий внесок здобувача. Всі основні наукові положення, результати, висновки та рекомендації дисертаційної роботи отримані автором особисто. У публікаціях, які написані в співавторстві, здобувачеві належать такі результати: запропоновано концепцію інформаційної технології автоматизації випробувань систем електрозабезпечення космічного апарата [5] та проведено аналіз результатів експериментального дослідження механізмів інформаційної взаємодії ПЗ за допомогою специфікації ОРС [6]; розроблено проблемно-орієнтовану мову для опису випробувань систем космічного апарата [2, 11]; розроблено метод попередньої обробки даних для навчання штучної нейронної мережі [9]; розроблено компонентну [1] та функціональну [4] моделі, що формалізує вибір проектних рішень [8, 12] при розробці інструментального програмного забезпечення [3] для випробувань систем електрозабезпечення космічного апарата.,

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на міжнародній науково-технічної конференції «Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні ІКТМ-2005» (м. Харків), XI та XII міжнародному конгресі двигунобудівників, Міжнародних науково-технічних конференціях «Гарантоздатні системи, сервіси та технології» (м. Полтава, 2006; м. Кіровоград, 2007, 2008, 2009 р.)

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 12 друкованих працях, у тому числі 8 статтях у наукових журналах і збірниках у відповідності зі списком ВАК України, 1 стаття у науковому журналі, а також в 3 тезах доповідей у збірниках робіт наукових конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, 5 розділів, висновків, додатків і списку використаних джерел. Повний обсяг дисертації - 204 сторінок, в тому числі: 46 рисунків і 13 таблиць, з них 21 рис. і 3 табл. на 17 окремих сторінках, 10 додатків на 24 сторінках, список з 142 використаних літературних джерел на 14 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі проведені огляд та аналіз проблемних питань, пов'язаних з автоматизацією випробувань систем космічних апаратів. Розглянуто загальну структуру космічного апарату і його підсистем як об'єктів випробувань, у результаті аналізу життєвого циклу космічної техніки виявлені особливості організації випробувань.

На основі аналізу нормативно-методичних вимог, особливостей застосовуваних технічних засобів, сучасних інформаційних технологій, існуючого інструментального забезпечення зроблений висновок, що в проектуванні програмного забезпечення для автоматизації випробувань повинен бути ефективний тільки проблемно-орієнтований підхід, який дозволяє враховувати специфіку об'єкта випробувань та особливості організації технологічних процесів випробувань у процесі експериментального відпрацьовування. Ефективність повинна досягатися шляхом подання алгоритмів управління та перевірок у термінах Замовника на простій, добре формалізованій мові, яка повинна не тільки підтримувати опис взаємодії та динаміки паралельних процесів контролю та управління, але й однозначно інтерпретуватися програмним забезпеченням реального часу у процесі випробувань.

Основні результати розділу відображені у [10].

Другий розділ містить теоретичне обґрунтування запропонованої проблемно-орієнтованої інформаційної технології автоматизації випробувань систем електрозабезпечення космічних апаратів, яка забезпечує виведення процесів розробки інструментального програмного забезпечення за межі ітераційного циклу експериментального відпрацьовування об'єкта випробувань (рис. 1, 2).

Технологія автоматизації випробувань реалізується в кілька етапів, заснованих на послідовній побудові сукупності моделей:

– лінгвістичної, яка формалізує синтаксис і семантику проблемно-орієнтованої мови (ПОМ) для опису технологічних процесів випробувань систем космічного апарату;

– програмного забезпечення (ПЗ) реального часу, що розкриває структуру програми як сукупність функціональних перетворювачів, що спільно вирішують комплекс завдань перетворення інформаційних потоків у процесі випробувань систем КА;

– математичної моделі об'єкта управління, призначеної для верифікації сценаріїв технологічних процесів випробувань.

Рис. 1. Процеси створення та модифікації ПО в ітераційному циклі експериментального відпрацьовування систем КА



Рис. 2. Процеси розробки ПЗ для випробувань систем КА при використанні ПОМ

Лінгвістична модель базується на формальній граматиці проблемно-орієнтованої мови F_lng , яка представляється впорядкованою четвіркою

G = <V_T, V_N, S, R>,

де V_T - алфавіт термінальних символів

V_T={};

V_N - алфавіт допоміжних символів,

S = { Сценарій випробувань }

- початковий символ або аксіома; R - кінцева множина правил або продукций виду j--®--y, де j--О(V_T V_N )* V_N (V_T V_N )*, y--О(V_T V_N)*. У дисертації доведено: граматика розробленої ПОМ є контекстно-вільною за класифікацією Хомського, що дозволяє створити досить простий та ефективний транслятор.

Модель функціональних перетворювачів реального часу. У процесі випробувань інструментальне програмне забезпечення повинне реалізувати функціональне перетворення (рис. 3):

,

Де Sub_out - інформація про стан об'єкта випробувань;

Actions - дії оператора;

T - множина часових оцінок

Sub_in - управляючі впливи;

Messages_test - повідомлення про хід виконання програми випробувань;

Result_test - інтегральна оцінка випробувань.

Таким чином, у загальній структурі програмного забезпечення (рис. 3) можна виділити блоки:

– підготовки

,

який забезпечує подання ТП випробувань у термінах режимів, перевірок і повідомлень;

– проведення випробувань

як композиція зовнішнього управління F_hmi, автоматичного управління F_fp і одержання результату F_res;

– взаємодії F_io с зовнішніми пристроями.

Управляючий процесор F_hmi забезпечує перетворення вхідних команд оператора

в дії, що класифікуються на низкорівневі команди, вибір активного режиму роботи, зміну множини активних перевірок:

.

Блок накопичення та обробки даних визначає підсумковий результат випробувань шляхом аналізу змісту повідомлень:

.



Рис. 3. Структура ПЗ автоматизації випробувань

Всі повідомлення класифікуються за типом (відмови, попередження, повідомлення про нормальне завершення перевірок, налагоджуючи повідомлення):

і за місцям формування:

.

Результат випробування Result _test визначається в такий спосіб:

.

Поточний стан функціонального процесора F_fp характеризується кортежем State:

,

Де - номер поточного режиму;

- множина активованих перевірок;

- множина активованих переходів;

- стан таблиці даних, яка узагальнює інформаційні сигнали, команди управління та результати перевірок що виконуються.

Будь-яка дія починається з установки активного режиму для всієї системи, що виконує функціональне перетворення:

.

Функціональне перетворення активного режиму реалізується шляхом послідовного виконання стартової послідовності, активації/деактивації перевірок , активації переходів і постійного відстеження умов їх виконання , видачею повідомлень .

Активовані перевірки виконуються паралельно та незалежно друг від друга, синхронізуючись через таблицю даних Data, активно впливаючи на об'єкт випробувань для одержання оцінки результату перевірки та залежно від одержаної інформації:

.

Аналогічно перевіркам відбувається паралельне відстеження умов для виконання переходу на новий режим:

.

Процесор вводу/виводу F_io забезпечує взаємодію із зовнішніми пристроями:

.

Основними функціями такого процесора є перетворення f _out, f _in для одержання інформації та видачі команд:

, .

де Input - вхідні, а Output - вихідні сигнали непересічних множин входів Input _device и виходів Output _device більше простих пристроїв об'єкта випробування:

,

.

Імітаційна математична модель поєднує в собі опис мікропроцесорної логіки управління та процесів у хімічній батареї (БХ), яка є нелінійним та нестаціонарним об'єктом, зовнішні параметри якого обумовлюються розподіленим характером електрохімічних процесів. Для синтезу математичної моделі БХ використається математичний апарат штучних нейронних мереж (ШНМ) з усуненням надлишковість входів методом головних компонентів та індивідуальною норміровкою та передобробкою даних:

автоматизація система електрозабезпечення космічний

Де - основні аналогові параметри, що характеризують стан системи електрозабезпечення;

_{ДПН С1} - інтервали часу після спрацьовування дискретних датчиків;

r_РОЗ - ознака роботи в режимі обмеження заряду.

Для підвищення адекватності імітаційної математичної моделі на основі ШНМ у процесі її синтезу розроблено метод, у якому послідовно застосовуються:

– кореляційний аналіз і метод головних компонентів для виявлення взаємозалежності входів і наступного зниження їх розмірності:

;

– індивідуальна норміровка та нелінійний стиск даних для підвищення їх інформативності, що оцінюється через зміну ентропії:

;

– box-counting метод для додаткового зниження розмірності вхідних даних, що, на відміну від традиційно застосовуваного кореляційного аналізу, дозволяє оцінити крос-ентропією істотність нелінійних залежностей вихідних даних Y від вхідних X:

;

– оптимізація шляхом зворотнього поширення помилок як спосіб навчання штучної нейронної мережі. У його основі - мінімізація цільовою функцією помилки:

;

– процедура приведення мережі до спеціального «логічно прозорого» виду, що дозволяє представити модель у явному вигляді функціональної залежності.

Основні результати розділу опубліковано у працях [2, 4, 5, 7, 9, 11].

Третій розділ містить матеріали, які отримано в процесі розробки програмного забезпечення для випробувань підсистеми електрозабезпечення супутника «EgyptSat-1».

До складу підсистеми підготовки випробувань входить програма-редактор сценаріїв випробувань, бази даних, конфігураційні та файли довідки. Сценарій технологічного процесу випробувань представляється для користувача у вигляді графічної мнемосхеми. Надалі, збережений файл зі сценарієм випробувань у форматі БД Mіcrosoft Access використається підсистемою реального часу для управління випробуваннями в автоматичному режимі.

Імітаційна математична модель системи на основі ШНМ побудована в результаті застосування розробленого методу ідентифікації. Перевірка адекватності довела, що розглянута модель забезпечує прогноз величини зміни напруги на головній шині СЕЗ на досить тривалий інтервал часу (до 5-ти діб), коли накопиченням статичної помилки можна зневажити, а середньоквадратична динамічна помилка не перевищує 1.5% (рис. 4)

Рис. 4. Перевірка адекватності імітаційної моделі БХ

Основою архітектури ПЗ автоматизації випробувань є компонентна технологія, яка визначає загальну схему взаємодії програмних компонентів у середовищі Windows і надає стандартну інфраструктуру.

Технічні рішення проекту, що обговорюються у розділі, засновані на моделях і методах, представлених у другому розділі і надають можливість розробнику програмного забезпечення зосередитися на питаннях архітектурного та детального проектування, розробки людино-машинного інтерфейсу, конструювання, верифікації та валідації програмного забезпечення. Відповідно до запропонованого методу, навчена штучна нейрона мережа інтегрована в імітаційну модель системи.

Основні результати розділу опубліковано у працях [1, 6, 7, 12].

Четвертий розділ містить результати практичного застосування створеного програмного забезпечення, які були отримані в ході лабораторно-відробіткових та автономних стендових випробувань підсистеми електрозабезпечення (СЕЗ) супутників КС5МФ2 и «EgyptSat-1», випробувань у складі інженерних моделей, наземного супроводу в період льотного відпрацьовування відповідно за госпдоговорами №№ 402-7-22/02, 402-7-47/03 між ДКБ «Південне», м. Дніпропетровськ і ХАІ.

У процесі лабораторно-відробіткових та автономних випробувань доведено, що у всіх режимах СЕЗ зберігала працездатність у тому числі при імітації позаштатних ситуацій. У процесі комплексних випробувань зауважень до функціонування СЕЗ та її складових частин на всьому інтервалі випробувань не зафіксовано, при цьому в ході льотної експлуатації супутника:

– підтверджено працездатність СЕЗ після виведення супутника на орбіту, а також в умовах орбітального польоту;

– перевірено взаємодію складових частин СЕЗ, а також СЕЗ зі сполученими підсистемами супутника по інтерфейсах: живлення, команд управління, управляючим сигналам та обміну інформацією;

– проведено оцінку основних електроенергетичних характеристик СЕЗ за даними телеметричної інформації та підтверджена їх відповідність вимогам технічного завдання;

– перевірено температурний режим роботи хімічної батареї та підтверджене його відповідність документації на супутник;

– підтверджено достатність телеметричних параметрів;

– перевірено проходження та виконання команд управління.

Основні результати розділу опубліковано у працях [3, 9].

У п'ятому розділі виконано аналіз ефективності сформульованих теоретичних положень, створених моделей і методів. Ефективність проблемно-орієнтованої мови оцінена через показники її складності, від яких безпосередньо залежить трудомісткість її вивчення, та компактності подання алгоритмів контролю та управління, від якої залежить трудомісткість створення фахівцем предметної області опису процесів випробувань системи електрозабезпечення космічного апарата.

До показників складності віднесено загальну кількість лексем в описі синтаксису, тобто кількість використовуваних для опису мови понять, і кількість нетерміналів - правил в описі синтаксису. Порівняння складності розробленої ПОМ зі складністю універсальних мов програмування та мов програмування логічних контролерів, уведених у дію стандартом ІEEE-61131, показало, що розроблена ПОМ простіше найбільш простих прототипів по кількості правил в 2 рази, а по кількості понять в 7.

Для оцінки трудомісткості створення сценаріїв випробувань виконано порівняння типового алгоритму перевірки ДСН (датчика середньої напруги) системи електрозабезпечення, що був представлений за допомогою діаграми послідовностей, мови функціональних блоків і розробленої проблемно-орієнтованої мови. Виконаний аналіз довів виразність та ефективність ПОМ, що багато в чому забезпечується підтримкою двох взаємодоповнюючих подань: у текстовому та графічному виді. Незважаючи на недолік у вигляді обмеженої вкладеності граматичних конструкцій, ефективність розробленої ПОМ визначається:

– підтримкою синтезуючих і складального видів програмування;

– наявністю формальної семантики, що дозволяє створювати однозначні специфікації технологічних процесів;

– простотою, підтвердженою чисельною оцінкою метрик синтаксису;

– потужністю, що дозволяє створювати аналоги операторів, які присутні у сучасних імперативних мовах програмування;

– можливістю опису паралельної роботи програмних фрагментів на рівні, що дозволяє імітувати об'єкти специфікацією POSІX 1003.1 і міжнародного стандарту ISO/IEC 9945-1:1990.

Методом функціональних крапок виконано порівняльний аналіз інформаційних характеристик об'єктно- і проблемно-орієнтованих технологій розробки (табл. 1)

Таблиця 1. Інформаційні характеристики проект при використанні двох технологій розробки

Характеристика	Коефіцієнт складності	Кількість функціональних крапок
		ОО технологія розробки	Проблемно-орієнтована технологія
			Осн. програма	Сценарій
Вводи	4	44	37	12
Виводи	5	25	34	6
Запити	4	24	18	9
Логічні файли	7	23	20	12
Інтерфейсні файли	7	3	3	1
Кількість алгоритмів	3	46	24	28
FС	717	623	289
FP	853	754	283
		1037
LOCповна	24744	21861	5664

У результаті порівняння доведено, що при використанні розробленої проблемно-орієнтованої технології:

– створюється більше складний програмний продукт із надлишковою функціональністю. Загальний обсяг коду при цьому збільшується на 10 %;

– підвищується продуктивність праці за рахунок рішення частини задач на ефективній проблемно-орієнтованій мові та розподілу праці розробника ПЗ і замовника - розробника об'єкта випробувань, що приводить до зниження сумарної трудомісткості робіт приблизно на 20 %;

– програмний продукт має гарну масштабованість, оскільки при збільшенні складності сценарної складової програми (кількості та обсягу сценаріїв, що виконують автоматично) загальна трудомісткість проекту росте незначно.

Як наслідок, що було доведено на практиці, основний економічний ефект реалізованої концепції полягає в наступному:

– трудовитрати, необхідні для проведення випробувань системи елетрозабезпечення скорочені, щонайменше, на 2.5 людино-місяця;

– більша частина налагоджувально-перевірочних завдань вирішена без використання реальних фізичних пристроїв: системи електрозабезпечення, контрольно-перевірочної та стендової апаратур, тим самим забезпечена економія їх ресурсу не менш ніж 250 годин.

Основні результати розділу опубліковано у [8].

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі вирішено актуальну науково-прикладну задачу розробки проблемно-орієнтованої інформаційної технології автоматизації випробувань систем електрозабезпечення космічних апаратів, що дозволило знизити трудомісткість випробувань за рахунок підвищення якості програмного забезпечення.

Для досягнення зазначених результатів були поставлені та вирішені такі теоретичні та практичні задачі:

1. Проведено критичний аналіз сучасного стану проблеми автоматизації випробувань систем електрозабезпечення космічних апаратів. Показано особливості життєвого циклу КА та важливість випробувань на всіх його етапах. При проведені аналізу існуючих інструментальних засобів було виявлено, що вони не дозволяють ефективно автоматизувати випробування, враховуючи специфіку об'єкта випробувань. Запропоновано проблемно-орієнтовану інформаційну технологію автоматизації випробувань систем електрозабезпечення КА.

2. Теоретично обґрунтованою основою проблемно-орієнтованої інформаційної технології автоматизації випробувань систем електрозабезпечення КА є створений комплекс теоретичних моделей, що містить концептуальну та лінгвістичну моделі, імітаційну математичну модель системи електрозабезпечення, модель ПЗ реального часу, реляційну модель даних опису випробувань.

3. Вперше створено інформаційну технологію автоматизації випробувань систем електрозабезпечення космічних апаратів, яка заснована на використанні спеціалізованої мови для опису процесів випробувань і штучної нейронної мережі для моделювання об'єкту випробувань, що забезпечує зниження трудомісткості випробувань та економію ресурсу об'єкту випробувань.

4. Для підвищення точності моделі системи електрозабезпечення космічного апарата розроблено метод попередньої обробки даних, що, на відміну від відомих підходів, засновано на комплексному застосуванні кореляційного аналізу та методу головних компонентів для зниження розмірності даних, алгоритмів норміровки та нелінійного стиску вихідних даних, box-countіng методу для підвищення їх інформативності та аналізу нелінійних залежностей, процедури приведення мережі до спеціального «логічно прозорого» виду.

5. Оцінка ефективності запропонованої проблемно-орієнтованої технології, яка виконана за допомогою аналізу на основі функціональних крапок, доводить, що, незважаючи на збільшення функціональності та складності ПЗ, досягається зниження трудомісткості розробки на 20 %. Аналіз графіка виконання проекту показав, що налагодження ПЗ і верифікація сценаріїв випробувань із застосуванням імітаційної математичної моделі системи електрозабезпечення космічного апарата, що використовує штучну нейронну мережу прямого поширення, забезпечує економію ресурсу об'єкта випробувань, контрольно-перевірочної та стендової апаратур.

Розроблене програмне забезпечення для автоматизації випробувань систем електрозабезпечення КА, яке реалізує на практиці створені методи та моделі, було використано на всіх етапах експериментального відпрацьовування супутників КС5МФ2, «EgyptSat-1» від лабораторно-відробіткових випробувань до льотних.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Туркин И.Б. Компонентная модель программного обеспечения для испытаний бортовых систем космического аппарата / И.Б. Туркин, П.А. Лучшев, И.Т. Перекопский, И.В. Мосиенко // Современные технологии автоматизации. - 2006. - №1. - С. 66-73.

2. Туркин И.Б. Проблемно-ориентированный язык для описания технологических процессов испытаний сложных технических систем / И.Б. Туркин, П.А. Лучшев // Авиационно-космическая техника и технология. - 2006. - № 7(33). - С. 177-183.

3. Туркин И.Б. Программное обеспечение испытаний бортовых систем космического аппарата / И.Б. Туркин, Ю.А. Шепетов, П.А. Лучшев, Д.Г. Белов // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2006. - № 1 (13). - С. 79-86.

4. Turkin I.B. Formal model of technological processes's description of complex technical systems's tests. / I.B. Turkin, P.A. Luchshev // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2006. - № 6 (18) . - С. 158-162.

5. Туркин И.Б. Модели и способы автоматизированного управления испытаниями систем космического аппарата / И.Б. Туркин, П.А. Лучшев // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2007. - № 6 (25). - С. 91-95.

6. Туркин И.Б. Анализ результатов экспериментального исследования механизмов информационного взаимодействия на основе спецификации OLE for Process Control / И.Б. Туркин, Е.В. Соколова, П.А. Лучшев // Авиационно-космическая техника и технология. - 2007. - № 9(45). - С. 212-216.

7. Лучшев П.А. Реляционная модель представления технологических процессов испытаний / П.А. Лучшев // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2008. - №7 (34). - С. 80-83.

8. Михнич Б.Б. Выбор архитектуры программного продукта на основе предпроектного оценивания технико-экономических показателей / Б.Б. Михнич, Е.В. Соколова, П.А. Лучшев // Системи управління, навігації та зв'язку. - 2008. - №4 (8). - С. 109-112.

9. Туркин И.Б. Нейросетевое моделирование подсистемы электроснабжения спутника для верификации ПО автоматизации испытаний / И.Б. Туркин, П.А. Лучшев // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2009. - №7 (41). - С. 212-217.

10. Лучшев П.А. Средства автоматизации технологических процессов испытаний сложных технических систем / П.А. Лучшев // «Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні» ІКТМ-2005» міжнародна науково-технічна конференція: Тези доповідей. - Харків, 2005. - С. 411.

11. Туркин И.Б. Проблемно-ориентированный язык для описания технологических процессов испытаний сложных технических систем / И.Б.Туркин. П.А.Лучшев // XI міжнародний конгрес двигунобудівників: Тези доповідей. - Харків, 2006. - С. 65.

12. Туркин И.Б. Анализ результатов экспериментального исследования механизмов информационного взаимодействия на основе спецификации OLE for Process Control / И.Б.Туркин, Є.В.Соколова, П.А.Лучшев // XII міжнародний конгрес двигунобудівників: Тези доповідей.- Харків, 2007. - С. 89.

АНОТАЦІЯ

Лучшев П.О. Інформаційна технологія автоматизації випробувань систем електрозабезпечення космічних апаратів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - інформаційні технології. - Національний аерокосмічний університет ім. М.Е. Жуковського «ХАІ», Харків, 2009.

Дисертація присвячена рішенню актуальної науково-прикладної задачі створення проблемно-орієнтованої інформаційної технології автоматизації випробувань систем електрозабезпечення космічних апаратів, що дозволяє знизити трудомісткість випробувань за рахунок підвищення якості програмного забезпечення.

В цілому, проблемно-орієнтована інформаційна технологія автоматизації випробувань систем КА збільшує функціональність та складність ПЗ, але в підсумку знижується трудомісткість проекту та поліпшується масштабованість програмного забезпечення.

Запропоновані технології були впроваджені в ДКБ «Південне», м. Дніпропетровськ для автономних та комплексних випробувань КА «EgyptSat-1».

Ключові слова: автоматизація випробувань, випробування складних технічних систем, проблемно-орієнтована мова, модель подання ТП випробувань, проблемно-орієнтована технологія

АННОТАЦИЯ

Лучшев П.А. Информационная технология автоматизации испытаний систем космических аппаратов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - информационные технологии. - Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», Харьков, 2009.

Диссертация посвящена решению актуальной научно-прикладной задачи создания проблемно-ориентированной информационной технологии автоматизации испытаний систем электроснабжения космических аппаратов, которая позволяет снизить трудоемкость испытаний за счет повышения качества программного обеспечения.

В работе проведен обзор существующих инструментальных средств и анализ современного состояния проблемы разработки программного обеспечения для испытаний систем КА. На основе анализа жизненного цикл КА и его систем, выявлены особенности организации испытаний.

Для адаптации под текущие характеристики системы электроснабжения космического аппарата предложена её имитационная математическая модель на основе использования искусственной нейронной сети прямого распространения, что обеспечивает возможность адаптации модели под текущие характеристики системы непосредственно пользователем программного обеспечения.

Для повышения точности модели системы электроснабжения космического аппарата разработан метод предварительной обработки данных, который в отличие от известных подходов основан на комплексном применении корреляционного анализа и метода главных компонент для снижения размерности данных, алгоритмов нормировки и нелинейного сжатия исходных данных, box-counting-метода для повышения их информативности и анализа нелинейных зависимостей, процедуры приведения сети к специальному "логически прозрачному" виду.

Обоснована разработка проблемно-ориентированного подхода, позволяющего учитывать специфику объекта испытаний и особенности организации технологических процессов испытаний в ходе экспериментальной отработки. Эффективность такого подхода обеспечивается специфицированием алгоритмов управления и проверок в терминах Заказчика на простом, хорошо формализованном языке, который поддерживает описание взаимодействия и динамики параллельно исполняемых процессов. При этом изоморфное представление технологического процесса испытаний в графическом и в текстовом виде обеспечивает наглядность и простоту понимания с возможностью внесения изменений и повторного использования спецификаций.

Для подготовки испытаний используется программа-редактор сценариев испытаний, базы данных, конфигурационные и справочные файлы. Сценарий технологического процесса испытаний представляется для пользователя в виде графической мнемосхемы, на которой содержится информация о режимах, проверках, переходах, реализуемых в процессе проведения испытаний. Сохраненный файл со сценарием испытаний в формате БД Microsoft Access в дальнейшем используется подсистемой реального времени для управления испытаниями в автоматическом режиме.

В результате практического применения созданного программного обеспечения в ходе лабораторно-отработочных и автономных стендовых испытаний подсистемы электроснабжения спутника, испытаниях в составе инженерной модели спутника доказано, что во всех режимах система электроснабжения, наземная контрольно-измерительная и проверочная аппаратура, ПО для автоматизации испытаний сохраняла работоспособность, в том числе при имитации рядя нештатных ситуаций.

На основании положительных результатов автономных испытаний инженерная модель подсистемы электроснабжения была допущена к комплексным испытаниям в составе инженерной модели спутника «EgyptSat-1». В процессе комплексных испытаний замечаний к функционированию СЭС и ее составных частей на всем интервале испытаний не зафиксировано

Оценка эффективности проблемно-ориентированной технологии разработки программного обеспечения для автоматизации испытаний систем КА на основе функциональных точек позволила сделать выводы о том, что в результате применения разработанной технологии увеличивается функциональность и сложность программного продукта, что компенсируется повышением производительности труда и в итоге снижается трудоемкость проекта, улучшается масштабируемость программного обеспечения.

Предложенные технологии нашли практическое применение при разработке программных решений, которые были внедрены в составе СПО в ГКБ «Южное», г. Днепропетровск для автономных и комплексных испытаний КА EgyptSat-1 и его инженерной модели. При этом разработчик ПО получил возможность сосредоточиться на вопросах архитектурного и детального проектирования, организации человеко-машинного интерфейса, верификации и валидации ПО, а технолог - на вопросах содержательного наполнения технологических процессов испытаний.

Ключевые слова: автоматизация испытаний, испытания сложных технических систем, проблемно-ориентированный язык, модель представления ТП испытаний, проблемно-ориентированная технология

ABSTRACT

Luchshev P.A. The information technology for automated test of satellite power supply systems. - Manuscript.

Dissertation for a candidate's degree by specialty 05.13.06 - information technologies. - National aerospace university «Kharkov Aviation Institute», Kharkov, 2009.

The dissertation is devoted to task which consists in creation the problem-oriented technology for automated test of satellite systems via dividing of software life cycle on two independent parts. This approach allows to eliminate software modification at testing, and to save flexibility and efficiency of modification of scenarios of technological processes of tests.

The estimation of efficiency of the problem-oriented technology of software engineering for automated test of satellite systems based on functional points demonstrate offered technology do increase functionality and complexity of software but compensated by productivity rise. As a result the overall complexity of the project decreased and scalability of the software improved.

The offered technologies have been used in program solutions as part of special software for standalone and complex tests of satellite "EgyptSat-1" systems and its engineering model in design office "Yuzhnoe".

Keywords: automated test, test of complex technical systems, the problem-oriented language (POL), models of representation of technological process of the testing, the problem-oriented technology.

Відповідальний за випуск М.О. Латкін

Підписано до друку 10.11.2009 р.

Умовн. друкованих аркушів. 1,2. Заказ 434

Тираж 100 шт. Безкоштовно.

Національний аерокосмічний університет ім. М.Е.Жуковського

«Харківський авіаційний інститут»

61070, Харьків-70, вул. Чкалова, 17

http://www.khai.edu

Видавничий центр «ХАІ»

61070, Харьків-70, вул. Чкалова, 17

izdat@khai.edu

Размещено на Allbest.ru

...