CC BY
16
УДК 519.688
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ МОБИЛЬНОГО ТРЕНАЖЕРА
© 2007 г. Д.В. Гринченков, С.А. Левшин
В настоящее время большое внимание уделяется разработке новых вычислительных систем с использованием современных информационных технологий и модернизации существующих средств подготовки операторов. Одной из тенденций при подготовке специалистов является применение средств обучения непосредственно в местах базирования объекта управления, но при этом возникает проблема размещения тренажного средства без потери заложенной в нем функциональности. Одним из вариантов решения является использование мобильных комплексных тренажеров, особенностью которых являются дополнительные требования, предъявляемые к специализированной вычислительной системе (ВС):
- размещение аппаратных средств многопроцессорной специализированной ВС в ограниченном пространстве (перевозимом контейнере);
- широкие температурные диапазоны режимов эксплуатации;
- возможность быстрого свертывания-развертывания для перевозки;
- обеспечение работы в составе экипажа.
Перечисленные ограничения исключают использование при построении специализированной ВС широкого спектра офисной вычислительной техники, как правило, объединенной в локальную сеть. Такой вариант ВС не имеет достаточной надежности при эксплуатации в жестких условиях и требует выбора других архитектурных решений.
На рис. 1 показана структура мобильного тренажера с полным набором задач моделирования. Тре-нажные средства (ТС) рассматриваемого класса описаны в [1]. Основными составными частями тренажера как единого программно-аппаратного комплекса (ПАК) являются:
- рабочее место оператора (РМО), имитирующее с требуемой достоверностью интерьер реальной рабочей обстановки. РМО оснащается органами управления и контроля, а также средствами представления визуальной и акустической обстановки;
- рабочее место руководителя занятия (РМРЗ), оснащенное средствами управления и контроля за ходом тренировки;
- система подвижности кабины (СПК), предназначенная для создания акселерационных ощущений в
процессе тренировки;
- система визуализации (СВ), состоящая из средств формирования видеоизображения, экранного комплекса и устройства коммутации каналов видеоизображения на РМРЗ;
- система имитации акустических шумов (СИАШ), предназначена для имитации шумов различных механизмов и возникающих в процессе тренировки неисправностей;
- система имитации органов управления (СИОУ) позволяет моделировать усилия на органах управления, работу индикаторов на РМО, а также включает устройства сопряжения с объектом (УСО);
- система моделирования объекта (СМО) предназначена для имитации параметров функционирования объекта путем решения математических уравнений, описывающих его работу. СМО должна обеспечивать возможность варьирования основных параметров, как во время настройки системы перед тренировкой, так и оперативно в процессе тренировки;
- система управления тренировкой (СУТ), позволяющая инструктору создавать различные ситуации и условия для действия оператора, а также объективного дистанционного контроля за действиями оператора в процессе тренировки;
- система контроля навыков (СКН), предназначенная для автоматизации оценки действий оператора в процессе тренировки;
- система связи и наблюдения (ТСНиС), обеспечивающая связь оператора и инструктора и средства наблюдения за состоянием оператора.
Для принятия наиболее рационального решения рассмотрим составные части задачи моделирования реального процесса, содержащие задачи моделирования объекта и внешней среды, приведенные на рис. 2 и 3 соответственно.
Задача моделирования объекта разбивается на задачи моделирования рабочей среды, систем и динамики объекта.
Задача моделирования рабочей среды реализуется методом физического, либо виртуального моделирования. Физическая рабочая среда оператора может быть максимально приближена к реальной в части комплекта имитаторов аппаратуры и органов управ-
ления, либо иметь упрощенное моделирование не существенных для обучения рабочих зон.
Перечисленные задачи физического моделирования решаются в результате проектирования системы имитации органов управления (СИОУ). При разработке СИОУ требуется решить следующие технические задачи:
- спроектировать имитаторы аппаратуры объекта,
как правило, в части блоков сопряжения со штатными приборами;
- разработать преобразователи не электрических величин в электрические при проектировании имитаторов органов управления объектом;
- в зависимости от эксплуатационных требований выполнить проектирование устройств сопряжения с объектом (УСО).
й а
о и
ю о
й &
& &
О
Я CU
Задача моделирования объекта
Задача моделирования рабочей среды объекта
Задача моделирования систем объекта
Задача моделирования динамики объекта
Задача физического моделирования
Ю чо
Задача виртуального моделирования
Задача полного моделирования
Задача содержащая, полный объем моделей
Задача содержащая ограниченный объем
Задача содержащая отдельные фазы процесса управления
Задача упрщенного моделирования
Задача полного моделирования
Задача упрщенного моделирования
Задача полного моделирования
Задача упрщенного моделирования
Задача полного моделирования
Задача полного моделирования
Задача упрщенного моделирования
Задача Задача
проектирования проектирования
СИОУ СИОУ
Задача проектирования имитаторов аппаратуры объект;
Задача проектирования
Задача проектирования распределенного УСО
Задача проектирования имитатров органов управления
Задача проектирования имитаторов аппаратуры объект;
Задача проектирования УСО
Задача проектирования сосредоточенного УСО
Задача проектирования комбинированного УСО
Задача проектирования распределенного УСО
Задача проектирования имитаторов органов управления
Задача проектирования сосредоточенного УСО
Задача проектирования комбинированного УСО
Рис. 2. Задачи моделирования объекта
и» 1ч>
1ч>
и»
§
Ьэ
§
I I
О
со
П
Й §
§ §
п
53 £
О О
XI
&
В зависимости от требований, предъявляемых к УСО в части быстродействия, температурных режимов эксплуатации, объема сигналов управления и физического размещения, в имитаторе целесообразна задача проектирования распределенного УСО на базе сети микроконтроллеров, сосредоточенного УСО на базе магистрально-модульных микропроцессорных систем (МММС) и комбинированного УСО, сочетающего в себе элементы первой и второй архитектуры.
Задача моделирования систем объекта включает моделирование работы входящего в состав объекта оборудования, алгоритмов работы системы управления и интерфейсов связи с человеком-оператором. Глубина и адекватность математических моделей определяет уровень подготовки и требуемой квалификации операторов.
Таким образом, если модель систем объекта представить в формализованном виде, тогда в части степени детализации данная задача может включать:
- полный объем моделей;
- ограниченный объем моделей;
- отдельные фазы процесса управления.
Объем моделирования зависит от типа проектируемого ТС и может содержать задачи полного и упрощенного моделирования.
Задача моделирования динамики объекта описывает процесс взаимодействия объекта как единого целого с внешней виртуальной средой. Также как и модели систем объекта, модель динамики объекта может иметь полный и упрощенный объем моделирования.
Задача моделирования внешней среды определяется наличием в окружающей среде источников световых и механических раздражений, что соответствует двум основным типам рецепции, используемым при построении ТС: фоторецепции (зрение) и механоре-цепции (слух, вестибулярный аппарат, мышечные усилия). Таким образом, в зависимости от наличия в ТС модели акселерационных ощущений тренажеры могут быть статические и динамические [2].
В общем случае возможны следующие модели внешней среды, включающие задачи моделирования визуальной и акустической обстановки, а также аксе-лерационных ощущений.
Задачи контроля и управления процессом тренировки содержат типовой набор подзадач, составленный в процессе длительного времени подготовки операторов в различных учебных центрах. Задача оперативного контроля и управления тренировкой предполагает:
- наличие средств отображения информации о состоянии внешней среды;
- возможности ввода начальных условий проведения тренировки и нештатных ситуаций в процессе обучения;
- возможности автоматизированного контроля действий оператора и психофизиологического контроля оператора;
- обработку оперативных данных, поступающих в процессе тренировки с целью предоставления возможности инструктору принятия правильного решения.
В рамках задач, обеспечивающих работу инструктора, существуют подзадачи анализа тренировки, обеспечивающие оценку выполнения упражнений, воспроизведение тренировки, формирование архивных файлов.
Процесс подготовки тренировки обеспечивается задачей планирования тренировки, которая включает в себя проектирование редакторов виртуальных миров системы визуализации, тактической обстановки и проектирование информационной системы.
Организация функционирования перечисленных выше задач осуществляется средствами ВС и специализированных программных системных средств (ССПС). ССПС представляют собой промежуточное программное обеспечение, которое является надстройкой над операционной системой и отвечает за управление прикладными процессами, протекающими в ВС тренажера.
Задачи управления ПАК тренажера, обеспечивающие полное и эффективное использование программных и аппаратных средств, включают следующие подзадачи [3]:
- управление режимами работы;
- конфигурирование и инициализация системы моделирования объекта (СМО);
- контроль реального времени;
- управление моделями СМО;
- обмен между процессорными блоками (ПБ) (узлами) ВС;
- организация обмена данными между модулями СМО;
- регистрация событий СМО;
- сохранение и восстановления контрольных точек;
- обработка ошибок;
- сбор статистики.
Обеспечение выполнения рассмотренных выше функциональных задач возлагается на специализированную ВС. Архитектура ВС и набор поддерживаемых ею функций в решающей мере определяет эффективность построения ТС, а опыт отечественного и зарубежного тренажеростроения показывает, что неизбежным следствием неудачного проектирования ВС являются дополнительные затраты на доработку всего ПАК тренажера [2]. Поэтому перечисленные выше основные функциональные и обеспечивающие задачи формируют, в свою очередь, требования к построению специализированной ВС.
При выборе архитектуры ВС необходимо определить объем информационных потоков, которые существенно возрастают при одновременном обучении операторов в составе экипажа и требуемую производительность.
Рис. 3. Задачи моделирования внешней среды
ВС на базе однопроцессорных структур используются, как правило, при построении компьютерных тренажеров. Модули УСО размещаются на шине PCI, либо подключаются через порты USB, RS-485. Все остальные классы ТС реализуются, как правило, на базе многопроцессорных ВС.
По принципу организации доступа к оперативной памяти (ОП) специализированные ВС могут иметь UMA-архитектуру (прямосвязанная ВС). В UMA-системах процессорные блоки (ПБ) объединяются с ОП и общими вычислительными ресурсами системной шиной, пропускная способность которой достаточна для поддержания быстрого доступа к ней. Время обращения к физическим модулям, размещенным на системной шине одинаково для всех ПБ, в отличие от других возможных вариантов построения ВС. Эта особенность широко используется в ПАК с жесткими требованиями к времени на доставку информации.
Альтернативным вариантом построения прямо-связанных ВС являются NUMA-структуры (слабосвязанные ВС). ВС с NUMA-архитектурой поддерживают неоднородный доступ к ОП, которая является физически распределенной и образуется как совокупность модулей памяти ПБ. Структурно такая ВС, как правило, состоит из множества однопроцессорных вычислительных узлов, объединенных коммуникационной средой. Для увеличения производительности ВС в качестве узлов можно использовать SMP-структуры.
К UMA -системам относятся симметричные многопроцессорные системы (SMP) и многопроцессорные ПЭВМ.
Особенностью SMP-структур является аппаратная поддержка механизма когерентности и использование более строгих моделей состоятельности ОП. На базе SMP-систем можно строить, как отдельные ВС, так и узлы более крупных ВС ТС.
В многопроцессорных ПЭВМ используются многокристальные микросборки, позволяющие создавать
ВС на одной материнской плате. К таким процессорам относится IBM Power 4, Power 5, AMD Opteron или Intel Core 2, позволяющие синтезировать ПЭВМ с SMP-архитектурой.
К NUMA-системам относятся архитектуры с массовым параллелизмом (МРР), их современные модификации СОМА -структуры, кластерные ВС, а также cc-NUMA -структуры. На практике, в тренажеростроении, для обеспечения решения функциональных задач моделирования наиболее часто используются однопроцессорные ПЭВМ или ВС с кластерной архитектурой с использованием метода случайного доступа к ЛВС [4, 5].
Как было отмечено, специализированные ВС могут иметь различную архитектуру в зависимости от класса ТС, но в любой из рассмотренных вычислительных структур узким местом является общий информационный канал. Так, в специализированных ВС на базе ЛВС сетевой протокол изначально не гарантирует доставки сообщения в жесткие сроки, что означает отсутствие когерентности данных в системе при увеличении, например, количества ПЭВМ до нескольких десятков, обеспечивающих передачу большого объема информации [6]. Проблема решается выбором более скоростной шины передачи данных и оптимизацией обмена между узлами ЛВС.
SMP-архитектура наиболее часто используется в специализированных системах, имеющих жесткие временные ограничения на доставку сообщений, но при увеличении количества ПБ и модулей ввода-вывода также могут возникать непроизводительные затраты времени. Данная проблема должна быть выявлена на начальных этапах проектирования с целью определения путей ее решения, например, наиболее известных, таких как выбор ПБ с локальной оперативной памятью, разделением обмена между локальной и системной шинами или использование оригинального арбитра системной шины, описанного в
[7-9], который позволяет частично компенсировать время на подключение ПБ к общим вычислительным ресурсам. Исследования, проведенные на базе имитационных и математических моделей, с применением описанного выше арбитра, показали снижение среднего времени подключения до 20 % в зависимости от количества ПБ в системе.
Литература
1. Воробьев А.В., Залесский С.Е., Мурашов Г.А. Опыт и
основные подходы к разработке комплекса учебных средств вертолетов МИ-8МТБ и КА-50 для подготовки летного и инженерно-технического состава //Тренажерные технологии и симуляторы-2002: Материалы науч.-техн. конф. / Под ред. Е.И. Юревича. СПб., 2002. С. 57-60.
2. Шукшунов В.Е. и др. Тренажерные комплексы и тренажеры: Технологии разработки и опыт эксплуатации. М., 2005.
3. Душенко А.Г. и др. Структура системного программного
обеспечения тренажера с распределенной системой моделирования // Компьютерные технологии в науке, производстве, социальных и экономических процессах: Материалы II междунар. науч.-практ. конф. (25 ноября 2001г., г. Новочеркасск, Ч. 5. С. 38-42).Новочеркасск, 2001.
4. Шукшунов В.Е. и др. Тренажер массового автомобиля. Тез. докл. отчетной конференции-выставки подпрограммы 205 «Транспорт» Науч.-техн. программы минобразования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники». (Москва - Звенигород, 11-13 февраля 2002 г.). М., 2002. С. 211-213.
5. Михайлов В.В. и др. Комплексный тренажер для под-
готовки водителей многоосных тягачей // Тренажерные технологии и симуляторы-2002: Материалы на-уч.-техн. конф. / Под ред. Е. И. Юревича. СПб., 2002. С. 88-89.
6. Гусева А.И. Технология межсетевых соединений. М.,
1997.
7. Евченко А.И., Мхитаров Ю.Н., Левшин С.А. Многопроцессорная вычислительная система. А.с. 1447142, СССР.
8. Евченко А.И., Мхитаров Ю.Н., Левшин С.А. Двухпроцессорная вычислительная система. А.с. 1480605, СССР.
9. Евченко А.И., Левшин С.А. Многопроцессорная вычислительная система. А.с. 1589287, СССР.
Южно-Российский государственный технический университет
(Новочеркасский политехнический институт) 4 сентября 2007 г.
