CC BY
97
№ 6 (48) 2013
В. М. Артюшенко, докт. техн. наук, профессор, зав. кафедрой Финансово-технологической академии,
г. Королев, [email protected] Б. А. Кучеров, аспирант Финансово-технологической академии, г. Королев, [email protected]
информатизация управления группировкой космических аппаратов
Рассматриваются вопросы эффективности управления космическими аппаратами в условиях ресурсных ограничений на основе разработанной автоматизированной информационной системы. Показана роль органа планирования в бесконфликтном использовании коллективных средств управления космическими аппаратами в условиях наращивания группировки и возрастания нагрузки . Проведен анализ взаимодействия органа планирования с абонентами, построена схема взаимодействия . На основании проведенного анализа предметной области сформулированы требования к разработанной автоматизированной информационной системе распределения средств управления космическими аппаратами . Предложены варианты организации информационного обмена органа планирования с абонентами, дано их описание и сравнительный анализ . Приведено краткое описание специального программного обеспечения разработанной автоматизированной информационной системы, в которой возможность возникновения конфликтных ситуаций полностью исключается
Ключевые слова: автоматизированная система, информационный обмен, база данных, XML, космический аппарат
Введение
В настоящее время в соответствии с Федеральной космической программой России на 2006-2015 гг. проводится большой объем работ по укреплению и развитию космического потенциала Российской Федерации. Целью этих работ является расширение и повышение эффективности использования космического пространства в интересах решения экономических, социальных, научных и других задач. Наращивание орбитальной группировки в период 2009-2015 гг., с одной стороны, и использование мало-пунктной (2-4 наземных пункта) технологии управления космическими аппаратами (КА), с другой стороны, предъявляет новые требования к процессу управления группировкой КА [1, 2].
наземный комплекс управления
Как известно, для оперативного управления полетом КА и контролем работы его бортовых систем используется наземный комплекс управления (НКУ), представляющий собой совокупность наземных радиотехнических и вычислительных средств с соответствующим методическим и математическим обеспечением. Структурная схема НКУ КА представлена на рис. 1 [2], где ЦУП — центры управления полетом КА, ССПД — система связи и передачи данных; КИП — командно-измерительные пункты.
Для осуществления управления космическим аппаратом ЦУП в зонах радиовидимости проводит сеансы связи с помощью системы связи и передачи данных. Перед каждым сеансом осуществляется подготовка к его проведению, во время которо-
№ 6 (48) 2013
КА
КА
КА
ЦУП КА
ЦУП КА
ЦУП КА
Рис. 1. Схема наземного комплекса управления космическими аппаратами
го устанавливается соединение между ЦУП КА и средством управления. Затем осуществляется передача на средство управления технологической и другой необходимой информации, после чего проводится расчет программы работы аппаратуры станции.
Во время проведения сеанса связи средством управления осуществляется передача командно-программной информации на КА, прием телеметрической информации с КА, измерение текущих навигационных параметров движения КА и т. д.
Процесс планирования загрузки средств управления
В условиях ресурсных ограничений возможно возникновение конфликтных ситуаций при планировании загрузки средств управления, когда возникает необходимость в одних и тех же средствах в одно и то же время для разных КА или выявляются противоречия между заявленными и доступными
ресурсами. При увеличении числа КА, находящихся на орбите, возрастает нагрузка на средства НКУ, что приводит к увеличению количества конфликтных ситуаций [2].
Для обеспечения бесконфликтного использования средств управления необходимо централизованное планирование их загрузки, реализуемое единым органом — органом планирования. Процесс планирования загрузки средств управления КА заключается в распределении ресурсов этих средств, а именно, их временно'го ресурса, распределение которого осуществляется на основании заявок на использование средств управления, поступающих от ЦУП КА. Каждая заявка сопровождается требованиями со стороны ЦУП КА с указанием уровня важности проведения той или иной операции на объекте, т. е. приоритетности. По мере увеличения числа КА, находящихся на орбите, возрастает и число заявок.
Анализ процесса распределения средств управления космическими аппаратами по-
0
1
на
I §
§
7
-ч ПРИКЛАДНАЯ ИНФОРМАТИКА
№ 6 (48) 2013 ' -
казал, что данный процесс не автоматизирован. Присутствуют лишь отдельные элементы автоматизации в виде возможности получения и передачи документов по электронной почте в неформализованном виде, не позволяющем проводить их автоматическую обработку. Отсутствие автоматизации существенно затрудняет работу органа планирования, так как специалистам приходится выполнять огромное количество рутинных операций вручную. Например, при выявлении конфликтных ситуаций специалисту необходимо свести все полученные заявки в единую таблицу или диаграмму, а затем в сводной таблице (диаграмме) визуально выявить конфликтные ситуации.
Во-первых, составление такой сводной таблицы (диаграммы) является достаточно трудоемкой задачей. Во-вторых, при визуальном просмотре существует вероятность пропустить конфликтную ситуацию. Процесс устранения конфликтных ситуаций в данных условиях является крайне трудоемким и длительным. Внесение оперативных изменений в план загрузки средств (ПЗС) также крайне затруднено. При этом оптимальности (рациональности) плана практически не уделяется внимание. Составление выписок и рас-
поряжении на основе плана также занимает достаточно много времени. При составлении этих документов могут быть допущены технические ошибки, которые могут повлечь за собоИ достаточно серьезные последствия. При увеличении количества КА нагрузка на орган планирования будет возрастать. В связи с этим будет наблюдаться замедление процесса распределения средств управления КА, сопровождаемое снижением качества составляемых планов. Использование автоматизированной системы (АС) распределения средств управления КА позволит значительно повысить оперативность как составления и коррекции ПЗС, так и распределения средств управления в целом [3].
Функциональная модель органа планирования
Для построения функциональной модели органа планирования была выбрана методология функционального моделирования и графической нотации на основе стандарта IDEF0 (Integrated DEFinition). Для построения модели потоков данных в органе планирования при распределении средств управления КА была применена методология DFD (Data
!
I <0
13 £
IE §
Si
со
i I
s
t §
I
I t
Рис. 2. Схема взаимодействия органа планирования с абонентами
№ 6 (48) 2013
Flow Diagrams). Схема взаимодействия органа планирования с абонентами представлена на рис. 2, где БА — бортовая аппаратура, ТО — техническое обслуживание.
По результатам анализа предметной области были сформулированы требования к АС распределения средств управления КА, основными из которых являются:
— просмотр, ввод и редактирование нормативно-справочной информации (сведения о КА, о средствах управления и т. д.);
— информационный обмен органа планирования с абонентами;
— формирование и коррекция ПЗС;
— статистическая обработка данных о работе средств управления КА;
— формирование отчетов о работе средств управления КА и сведений о текущем состоянии НКУ КА;
— наличие контекстной справочной системы, позволяющей пользователю в процессе работы получить необходимую помощь;
— защита от несанкционированного доступа при помощи системы прав пользователей и индивидуальных паролей;
— печать входных и выходных документов, а также их экспорт в Microsoft Word.
Исходя из данных, полученных на этапе анализа, был принят ряд проектных решений по разрабатываемой автоматизированной системе, касающихся информационного, технического и программного обеспечения.
Программное обеспечение автоматизированной системы
Так, в качестве системы управления базами данных (СУБД) была выбрана СУБД Oracle редакции Standard Edition с опцией Real Application Cluster (RAC), в качестве операционной системы серверов кластера — Oracle Enterprise Linux, в качестве операционной системы клиентских компьютеров — Windows 7. Создан кластер на основе технологии Oracle RAC, состоящий из двух узлов (двух серверов), хранилища данных и коммутатора, объединяющего сервера
во внутреннюю сеть, что позволяет сделать §. АС отказоустойчивой. JL.
Для решения поставленных задач бы- ^ ло разработано специальное программное обеспечение АС на базе интегрированной ^ среды Embarcadero С++ Builder XE2 из со- | става Embarcadero RAD Studio XE2, с ис- ^ пользованием Devart Oracle Data Access ^ Components (ODAC), Developer Express со VCL, FastReport. Для создания объектов базы данных (хранимых процедур, функций, представлений, триггеров и т. д.) использовался Oracle SQL Developer.
Программное обеспечение АС распределения средств управления КА построено по клиент-серверной двухуровневой архитектуре. Логика приложений распределена между клиентом и сервером. Максимально возможная часть бизнес-логики перенесена на сервер. Требования к серверу баз данных (БД) возрастают, однако резко понижаются требования к клиентским машинам за счет вынесения из них бизнес-логики и к пропускной способности сети (клиенту передаются только данные, необходимые пользователю). Подобная организация работы повышает скорость выполнения приложений за счет использования мощности сервера и разгружает сеть.
Клиентское программное обеспечение (ПО), разработанное в среде Embarcadero C++ Builder XE2, обращается к БД Oracle. Для обращения к БД используются компоненты Devart Oracle Data Access Components (ODAC). Обращение может осуществляться как в режиме клиента, как через ПО Oracle Client, так и в прямом режиме по протоколу TCP/IP. Использование прямого режима исключает необходимость установки на клиентский компьютер дополнительного программного обеспечения, обеспечивающего доступ к данным (такого как Oracle Client, ODBC-драйвер и т. п.). Выбор режима подключения определяется функциями, которые реализует клиентское ПО. Так, для клиентских программ, работающих с xml-докумен-тами, хранящимися в БД в полях специального типа XMLType, требуется подключение
№ 6 (48) 2013
в режиме клиента через ПО Oracle Client. Это связано с тем, что в прямом режиме невозможна работа с полями типа XMLType. При использовании механизма расширенной поддержки очередей Oracle (Oracle Advanced Queuing) также используется подключение в режиме клиента.
На структурной схеме, представленной на рис. 3, отражены программы и входящие в их состав модули, составляющие специальное программное обеспечение АС распределения средств управления КА. Логическая взаимосвязь программ показана пунктирными линиями, сплошными — взаимодействие между программами, осуществляемое через базу данных органа планирования.
Для решения задачи информационного обмена органа планирования с абонентами
было предложено использовать три варианта обмена.
Первый вариант — обмен через программу-клиента, устанавливаемую на стороне абонента. Программа подключается к БД органа планирования по протоколу TCP. К достоинствам такого варианта можно отнести простоту и оперативность организации информационного обмена (достаточно установить специальное программное обеспечение на существующий или новый компьютер в ЦУП КА), а также отсутствие необходимости доработки специального ПО ЦУП КА для реализации информационного обмена с органом планирования. Недостатком такого варианта является отсутствие интеграции информационного обмена в работу специального ПО ЦУП КА, что приводит к дополнительной нагрузке на оператора ЦУП КА,
!
I <0
13 £
13 13
Si
со
i 13 I
t §
I
I t
Рис. 3. Структурная схема программного обеспечения
10
№ 6 (48) 2013
Прямой доступ к Oracle БД
«Прозрачный» доступ к не-Oracle БД
Гетерогенный сервис ODBC
СУБД Oracle
БД абонента (Oracle)
БД органа планирования (Oracle)
БД абонента (MS SQL Server или Interbase)
Рис. 4. Схема информационного обмена органа планирования с внешними абонентами непосредственно между базами данных
вызванной необходимостью ввода данных в специальное ПО [4].
Второй вариант — обмен непосредственно между базами данных органа планирования и абонента (рис. 4).
Обращение из БД органа планирования в БД абонента осуществляется посредством ODSC-драйвера и гетерогенного сервиса СУБД Oracle. При этом в БД органа планирования для БД абонента создается связь базы данных (database link) — объект с описанием правил подключения к другому экземпляру БД. Заметим, что если внешний абонент использует СУБД Oracle, то использовать ODSC-драйвер не нужно.
К достоинствам такого варианта можно отнести возможность интеграции информационного обмена в работу специального ПО ЦУП КА. К недостаткам — необходимость доработки специального ПО, как со стороны ЦУП КА, так и со стороны органа планирования. Доработка специального ПО со стороны органа планирования под каждый ЦУП КА обусловлена тем, что БД каждого ЦУП КА является уникальной и унификация обмена между БД затруднительна по техническим и организационным причинам [4].
Третий вариант — передача xml-докумен-тов, которая осуществляется посредством файлового обмена через FTP-сервер или через стороннее ПО передачи файлов, работающее с локальными директориями. Обработка и формирование xml-документов осуществляется в БД. Запись файлов в обменные директории и их чтение осуществляется службами, работающими на компьютере обмена органа планирования.
Процесс передачи сведений абонентам посредством хт/-документов протекает следующим образом. При наступлении события, вызывающего необходимость передачи сведений внешнему абоненту, в БД органа планирования формируется текст хт/-доку-мента. Для сформированного хт/-докумен-та указывается директория, в которую он должен быть в дальнейшем выгружен. Директория определяется исходя из типа информации, содержащейся в хт/-документе, и получателя хт/-документа. Данный хт/-до-кумент считается исходящим (ожидающим отправления).
Служба выдачи хт/-документов, находящаяся на компьютере обмена органа планирования, периодически опрашивает БД на наличие исходящих хт/-документов. При обнаружении исходящего хт/-документа служба осуществляет формирование хт/-файла, содержащего заданный хт/-доку-мент, и запись его в локальную директорию компьютера или в директорию на ГГР-сер-вере. После этого хт/-документ перемещается в БД из исходящих в отправленные хт/-документы.
Если файл был записан в локальную директорию компьютера, то его передача абоненту осуществляется сторонним программным обеспечением, используемым для файлового обмена между абонентами НКУ КА.
В случае если файл был записан в директорию на ^Р-сервере, он будет прочитан программным обеспечением абонента, периодически опрашивающим директорию FTP-сервера. После прочтения файл удаляется.
11
0
1
Í
Э g
Si
№ 6 (48) 2013
Для получения сведений от абонентов служба приема хт/-документов, работающая на компьютере обмена органа планирования, периодически опрашивает директории приема хт/-файлов (как локальные директории, так и директории на FTP-сер-верах). При обнаружении хт/-файла служба передает его в БД. После этого файл перемещается в директорию принятых файлов, т. е. из директории приема файл удаляется.
В БД выполняется обработка принятого хт/-документа. Сведения из хт/-документа записываются в соответствующие таблицы БД.
После передачи хт/-документа в БД формируется квитанция о его получении, которая представляет собой хт/-документ, записываемый в таблицу исходящих документов.
Перед реализацией обмена абоненты разрабатывают и подписывают протокол информационного обмена. В нем указываются технические и программные средства, используемые при обмене, а также состав и структура передаваемой информации.
Для описания хт/-документов, которыми осуществляется обмен, используются со-| ответствующие хт/-схемы. Это позволяет <| сделать протоколы информационного обмета на более понятными и формализованными. | При просмотре журнала приема и передали чи хт/-документов через соответствующую Л программу осуществляется их преобразо-§ вание в Мт/-страницу с помощью хэ/^шаб-§ лона.
^ Таким образом, пользователь просматри-! вает хт/-документ в понятном ему табличном Е^ виде, поскольку большинство передаваемых | документов содержат табличные сведения. ^ Хранение хт/-документов в БД осущест-^ вляется в соответствующей таблице в поле ¡^ типа ХМИуре. Остальные поля таблицы соЦ держат сведения о приеме/передаче доку-¡З мента, в частности, времени и директории Л приема/передачи документа, компьютера, .Ц с которого был осуществлен прием/переча дача и т. д. Формирование и разбор хт/-до-
кументов в БД осуществляется с помощью хт/-функций XMLForest, XMLParse и т. п.
Данный вариант организации информационного обмена является наиболее приоритетным. Его главными достоинствами являются унификация обмена органа планирования с ЦУП КА и возможность интеграции информационного обмена в работу специального ПО ЦУП КА. К недостаткам следует отнести необходимость доработки специального ПО ЦУП КА для реализации информационного обмена с органом планирования, а также необходимость в средствах передачи хт/-документов, например, FTP-сервер. Возможна комбинация данного варианта организации информационного обмена с предыдущим, т. е. передача хт/-до-кументов через обменные таблицы БД [4].
При поступлении входных документов осуществляется запись содержащихся в них сведений в БД органа планирования и выполняется контроль их корректности. После записи входных данных в БД они становятся доступными для дальнейшего использования.
После получения и коррекции заявок от ЦУП КА на загрузку средств НКУ орган планирования приступает к разработке предложений в ПЗС НКУ с учетом ресурсных ограничений, при этом выявляются и разрешаются все конфликтные ситуации [4].
Разрешение конфликтных ситуаций
Для разрешения конфликтных ситуаций был выбран алгоритм автоматизированного разрешения конфликтных ситуаций [5] с использованием правил приоритетности. Несмотря на очевидные достоинства, данный алгоритм имеет и недостаток: он позволяет разрешить конфликтную ситуацию лишь путем исключения из ПЗС конфликтного сеанса связи. Однако исключаемый сеанс может быть перенесен оператором на резервную зону радиовидимости исходя из данных, представляемых АС распределения средств управления КА [2].
№ 6 (48) 2013
Алгоритм реализован в виде пакета на языке PL/SQL. Таким образом, вычисления по данному алгоритму осуществляются на сервере, что повышает скорость его выполнения.
После разрешения конфликтных ситуаций осуществляется утверждение ПЗС (коррекции ПЗС), затем происходит формирование и передача выписок (коррекций выписок) из ПЗС и распоряжений (дополнительных распоряжений) на загрузку средств управления внешними абонентами.
Функциональность пользовательского интерфейса
При разработке специального ПО АС было уделено существенное внимание удобству и функциональности пользовательского интерфейса. Так, при просмотре формируемого ПЗС осуществляется наглядная индикация конфликтных ситуаций. По каждому конфликтующему сеансу может быть получена подробная информация о конфликтной ситуации с указанием причин, вызвавших конфликт. Осуществляется выделение поступивших коррекций в ПЗС, еще не обработанных оператором. Просмотр ПЗС осуществляется по суткам. При наличии коррекций на другие сутки включается соответствующая индикация. Для ускорения распечатки ПЗС, выписок (коррекций выписок) и распоряжений (дополнительных распоряжений) реализована пакетная печать документов.
Пользователю предоставлены возможности гибкой фильтрации и группировки данных, что может повышать оперативность принятия решений оператором за счет исключения лишней на данный момент информации. Этот функционал реализован за счет использования возможностей компонента QuantumGrid из библиотеки DevExpress.
Немаловажным фактором является информативность и наглядность представления сведений оператору. Так, для оперативного принятия решений и быстрого реагирования на изменение ситуации специалист
органа планирования должен быть обеспе- §. чен всей необходимой информацией. Вме- JL. сте с тем выбор данных для отображения ^ должен осуществляться как можно быстрее. Учитывая вышесказанное, информа- ig ция специалисту должна быть представлена | в компактном виде. Другими словами, фор- ^ мы, отображающие сведения, должны быть ^ информативны. В то же время предпочти- со тельным является более наглядное представление информации, так как оно проще для восприятия. В частности, сжатое представление информации о текущем состоянии средств управления КА позволяет оператору быстро оценить ситуацию. При этом специалисту должна быть предоставлена возможность детализировать просматриваемые сведения.
Вопрос оповещения специалистов органа планирования о поступлении информации, требующей скорейшего реагирования, также является весьма важным. К такой информации относятся заявки на загрузку средств (и их коррекции), планы технического обслуживания средств и доклады о замечаниях к сеансам связи. Для решения данного вопроса разработана соответствующая программа. При поступлении указанной информации в БД на компьютере оператора отображается всплывающее сообщение оповещения и осуществляется звуковая индикация. После прочтения сообщения оператор делает соответствующую отметку, при этом фиксируются компьютер и время приема сообщения. Программа реализована с использованием механизма Oracle Advanced Queuing и триггеров уровня строк, реализующих постановку в очередь сообщения о поступлении информации.
Заключение
На основании проведенного анализа были сформулированы требования к автоматизированной системе распределения средств управления космическими аппаратами. Для реализации требований предложены варианты организации информацион-
№ 6 (48) 2013
ного обмена органа планирования с абонентами, проведен их сравнительный анализ и разработано специальное программное обеспечение автоматизированной системы. При этом полностью исключается возможность возникновения конфликтных ситуаций.
Список литературы
1. Артюшенко В. М., Видов М. И. Анализ систем управления космическим летательным аппаратом // Информационные технологии. Радиоэлектроника. Телекоммуникации (^Т — 2011): сб. статей II Международной заочной научно-технической конференции. Тольятти: изд-во ПВГУС, 2011. С. 18-29.
2. Артюшенко В. М., Кучеров Б. А. Повышение оперативности бесконфликтного управления группировкой космических аппаратов в условиях ресурсных ограничений // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2013. Т. 9. № 3. С. 59-66.
3. Артюшенко В. М., Кучеров Б. А. Оценка эффективности использования автоматизированной
системы распределения средств управления космическими аппаратами в условиях ресурсных ограничений // Вестник Поволжского государственного университета сервиса. Серия «Экономика». 2013. № 5 (31).
4. Артюшенко В. М., Кучеров Б. А. Повышение эффективности оперативного управления группировкой космических аппаратов в условиях ресурсных ограничений // Алгоритмические и программные средства в информационных технологиях, радиоэлектронике и телекоммуникациях: сб. ст. I Международной заочной научно-технической конференции. Ч. 1. Тольятти: изд-во ПВГУС, 2013. С. 244-249.
5. Кучеров Б. А. Автоматизация процесса оперативного планирования применения и координации использования средств НАКУ КА НСЭН и измерений // Будущее российской космонавтики в инновационных разработках молодых специалистов: сб. материалов научно-практической конференции молодых ученых и специалистов предприятий ракетно-космической промышленности. Ч. 1. Королев: изд-во НОУ «ИПК Машпри-бор», 2011. С. 48-53.
!
Ü
<0
13 _
U
g V. Artuschenko, Dr. of Eng. Sci., Professor, Head of information technology and management systems department
§ of Financial and Technological Academy, city of Korolev, [email protected]
§ B. Kucherov, post-graduate student of Financial and Technological Academy, city of Korolev, [email protected] 's
§ Informatization of control for spacecraft constellation
g In this article considers issues related to increasing efficiency of control for spacecrafts with
jí resource restrictions on the basis of the developed automated information system. Problem
§ domain of control for spacecrafts researched. The role of planning authority in conflict-free use of
<| shared control facilities for spacecrafts with increasing constellation and growing load on facilities shows. Analysis of interaction with subscribers planning authority performed, scheme of interaction
« §
s= constructed. The requirements for a developed automated information system of distribution of
§ control facilities for spacecrafts are formulated on the basis of the analysis of problem domain. The <o methods of an information exchange planning authority with subscribers are offered, their description £ and comparative analysis are given. Brief description of special software of developed automated § information system is resulted. When using this automated system possibility of occurrence conflict situations is completely eliminated.
§
S Keywords: automated system, information exchange, database, XML, spacecraft
14
