2015 год, №4

Содержание выпуска
КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ РАЗРАБОТКИ И СОЗДАНИЯ УЧЕБНО-ТРЕНАЖЕРНО-МОДЕЛИРУЮЩЕГО КОМПЛЕКСА НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
ЯНЮШКИН В.В., ШУКШУНОВ В.Е.
Стр. 5 — 15
В статье рассматриваются подходы к созданию учебно-тренажерно-моделирующего комплекса нового поколения в НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина на базе современных технических и программных решений. Приведены подходы к декомпозиции задач проектирования учебно-тренажерно-моделирующего комплекса нового поколения на основе нескольких взаимосвязанных этапов решения определенных задач. Дается краткий анализ создания и эксплуатации нескольких поколений тренажерных комплексов для подготовки космонавтов, в том числе с точки зрения использования в них интегрирующих принципов. Предлагается алгоритм интеграции существующих и эксплуатируемых технических средств подготовки космонавтов в единый тренажерный комплекс, при этом рассматриваются понятие «шлюз» и современные технологии вычислений, в том числе применение виртуализации и набора специализированных технических и программных средств. Приводится перспективная структура учебно-тренажерно-моделирующих комплексов, каждый из которых представляет собой отдельную составную часть, решающую определенный круг задач, особое внимание уделяется «сращиванию» образовательного и тренажерного процессов при подготовке специалистов. В заключение приводится состав экспериментального стенда, на базе которого апробировались все предлагаемые решения по созданию учебно-тренажерно-моделирующего комплекса. Описываются полученные результаты, которые отражают принципиально новые решения, в том числе применение централизованных расчетов единой вычислительной системы, применение на рабочих местах тонких клиентов. В процессе работы анализируется загрузка ресурсов, сетевых каналов передачи данных и других критических параметров. Отмечается высокая оценка многими экспертами в области информационных технологий результатов проведенных работ для создания экспериментального стенда.
ОСНОВЫ АНАЛИЗА IT-ИНФРАСТРУКТУРЫ ОТКРЫТОГО КОНТУРА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОДГОТОВКИ КОСМОНАВТОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИНТЕГРИРОВАННОГО ТРЕНАЖЕРНОГО КОМПЛЕКСА
ЯНЮШКИН В.В., КОВРИГИН С.Н.
Стр. 16 — 21
В работе описан предмет тестирования открытого контура автоматизированной системы информационного обеспечения подготовки космонавтов НИИ ЦПК имени Ю.А. Гагарина с учетом создания тестового стенда платформ виртуализации VMware и Citrix с дальнейшим размещением набора тонких клиентов в рамках разветвленной сетевой структуры. Кратко описываются структура стенда и используемые технические решения, в том числе графический сервер, оснащенный платами NVIDIA GRID K2, тонкие клиенты системы виртуализации двух типов и ПО системы виртуализации. В качестве объектов тестирования выбирается специализированное ПО двух компонент технических средств подготовки космонавтов: рабочие места виртуальной Международной космической станции и рабочие места обучаемых автономного тренажера «Телеоператор», оснащенного ручками управления движением и навигацией. Работа данных средств проверяется в рамках систем VMware и Citrix. Эксперименты должны подтвердить возможность развертывания систем виртуализации тренажеров и функционально-моделирующих стендов в рамках описываемой автоматизированной системы. В работе приводятся основные технические и концептуальные решения, подвергающиеся проверке, а также предложения для разработки программно-аппаратной инфраструктуры закрытого контура на основе современных технологий. Четко определены основные требования, которым должны отвечать массивы серверов, системы хранения, коммутационное оборудование и конечные устройства. Особенностью работы является то, что все тестирование проводится на базе потенциального заказчика, на его сетевой инфраструктуре и существующих рабочих местах. Целью выполнения работы является определение возможности создания набора интегрированных решений для консолидации ПО тренажеров функционально-моделирующих стендов в рамках корпоративного центра обработки данных.
ОСОБЕННОСТИ МОДЕРНИЗАЦИИ ЦЕНТРА ОБРАБОТКИ ДАННЫХ И КОСМОЦЕНТРА
СНЫТКО А.С., ТЕРНИКОВ А.А.
Стр. 22 — 27
В статье рассматриваются использование возможностей современных технологий виртуализации для решения задач консолидации вычислительных ресурсов предприятия в пределах корпоративного центра обработки данных и последующее создание на основе его вычислительных средств единого учебно-тренажерно-моделирующего комплекса в рамках проекта модернизации космоцентра «Астрон» имени космонавта Г.С. Шонина. Описаны развитие, текущее состояние технологий и ключевые преимущества перехода от традиционной модели сетевой инфраструктуры к использованию возможностей серверной виртуализации и виртуализации рабочих станций. Технология виртуализации рабочих станций предоставляет недоступные ранее возможности динамического распределения ресурсов вычислительного комплекса, обеспечивает отказоустойчивость информационной системы и самое важное для реализации концепции единого интегрированного учебного комплекса – мобильность пользователей за счет виртуализации графических адаптеров и прогрессивных протоколов удаленного подключения к виртуальным рабочим станциям. В проекте использованы решения ведущих мировых производителей программного и аппаратного обеспечения, отвечающие всем требованиям к высокой производительности и надежности. В результате получена единая среда, отличающаяся высокой степенью автоматизации и упрощенным администрированием. Описаны состав и назначение основных используемых аппаратных компонентов программно-аппаратного комплекса. Приведена структурная схема центра обработки данных Центра тренажеростроения. Рассмотрены задачи, требовавшие решения при модернизации космоцентра «Астрон» и его компонентов, описан процесс модернизации. Приведена структурная схема модернизированного космоцентра. Описаны типовые решения для организации виртуальной среды и особенности применения технологий виртуализации рабочих станций при модернизации космоцентра. Описаны опыт реализации проекта и его результаты для Центра тренажеростроения.
СТЕНД ЭРГОНОМИЧЕСКОЙ ОТРАБОТКИ ПИЛОТИРУЕМОГО ТРАНСПОРТНОГО КОРАБЛЯ КАК СРЕДСТВО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ОТРАБОТКИ ИНТЕРФЕЙСОВ ЭКИПАЖА
ЯНЮШКИН В.В., CЕРОВ М.В., КУКИН О.Н., РАДЧЕНКО В.М., ХАРАГОЗЯН Р.К.
Стр. 28 — 33
В статье представлены основные технические и программные решения для стенда эргономической отработки пилотируемого транспортного корабля нового поколения, предназначенного для эргономического проектирования и экспериментальной отработки интерфейсов экипажа с кораблем: варианты дисплейных форматов для информационного обеспечения экипажа, новая ручка управления ориентацией и движением. Инновационная составляющая стенда заключается в возможности итеративного создания и экспериментальной проверки вариантов информационного обеспечения экипажа, а также отработки эргономических характеристик перспективных органов управления, таких как ручка управления ориентацией и движением с полноразмерного макета рабочих мест экипажа. Все работы проводятся параллельно с проектированием и созданием пилотируемого корабля нового поколения. Приводятся функциональный состав стенда и два основных режима работы по подготовке экспериментальных данных и по их апробации на программно-технических средствах. Рассмотрены особенности конструкции стенда, построенной по модульному принципу, что способствует его легкой сборке и разборке, транспортировке, доработке и модернизации с учетом появляющихся новых требований по результатам отработки. Приведены особенности разработки и применения специализированного ПО, позволяющего выполнять ряд задач по удаленному мониторингу и управлению режимами моделирования с места руководителя, используя в том числе беспроводную голосовую связь. Все компоненты объединены во взаимосвязанную систему, обмен данными осуществляется посредством локальной вычислительной сети. В макете применены общепромышленные изделия, доработанные с учетом специфики использования в составе стенда эргономической отработки.
ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ ПРИ ПОДГОТОВКЕ ПЕРСОНАЛА К БОРЬБЕ ЗА ЖИВУЧЕСТЬ
ЧУЛАНОВ А.О., БОНДАРЬ Е.М., РАДЧЕНКО В.М., ФЕДОРОВ Н.А., ЛЕЩИНА А.Е.
Стр. 34 — 38
В статье рассматривается проблема подготовки специалистов для обеспечения безопасности жизнедеятельности и осуществления успешной борьбы за живучесть на объектах с повышенной опасностью. Описаны современные тренажерные средства, используемые для подготовки персонала: натурные макеты отраслевых учебных центров, комплексные и специализированные тренажеры. Рассматриваются способы организации рабочего места обучаемого на основе реальных макетов или компьютерной имитации оборудования, а также применение систем виртуальной реальности в современных средствах подготовки и предлагается использование системы виртуальной реальности в подготовке специалистов к борьбе за живучесть. Приводится описание автоматизированного процесса обучения операциям по борьбе за живучесть на основе систем виртуальной реальности и широкого имитационного моделирования процессов возникновения и развития аварий. Также описываются виртуальная среда, взаимосвязь с имитационной моделью оборудования, способы взаимодействия обучаемого с виртуальной средой при отработке навыков локализации и ликвидации аварийных ситуаций.
АКТИВНОЕ ИНФОРМАЦИОННОЕ СОПРОВОЖДЕНИЕ ДЕЙСТВИЙ ЭКИПАЖА
ДУШЕНКО А.Г., КОТОВ А.Г., КРАВЧЕНКО С.И., АНДРЕЕВ Д.А.
Стр. 39 — 44
В статье отмечается, что задачи информационной поддержки деятельности экипажей космических кораблей и станций непрерывно расширяются за счет насыщенности бортовых планов, увеличения доли научной деятельности в бортовом расписании; возрастают требования к оперативности и наглядности бортовой документации, большое значение приобретают мультимедийный иллюстративный материал, дополнительная справочная информация, звуковое сопровождение. Приводятся результаты экспериментальной эксплуатации на борту Международной космической станции прототипа многофункциональной информационной системы, в ходе которой были определены первоочередные интерактивные объекты и функции, необходимые для обеспечения полноценной и эффективной работы экипажа: возможность сенсорного воздействия на модель окружающей среды, изменение вида, позиций и внутренних параметров виртуальных объектов, ввод данных в интерактивные области документов, установка отметок о выполнении предписанных действий, исполнение предписанных временных интервалов, работа с системой авторизованных закладок, участие оператора в анкетировании по результатам завершенной рабочей сессии, протоколирование поведения космонавта в информационной среде и передача протоколов на Землю. Формулируются проблемы развития бортовых информационных систем и обеспечивающих их наземных комплексов. Затрагивается тема расширения возможностей интерактивного взаимодействия оператора и информационной среды. Предлагаются ключевые решения, описываются новые средства подготовки документации. Приводятся примеры внедрения в среду активных элементов. Уделяется внимание ситуационному поведению оператора, работе с виртуальными органами управления, протоколированию результатов и оценке деятельности экипажа. Дается описание специального редактора управляющего слоя электронного документа. Предлагаются решения для преодоления неопределенности выбора операционной системы и технической платформы персональных планшетов.
БОРТОВОЙ КОМПЛЕКС МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ (РОССИЙСКИЙ СЕГМЕНТ)
ГОРБАЧЕВ Е.Б., КРАВЧЕНКО С.И., АНДРЕЕВ Д.А., БРУНЬКО Д.В.
Стр. 45 — 48
В статье приведено описание нового бортового комплекса для представления членам экипажа Российского сегмента Международной космической станции электронной бортовой документации. Отмечается, что для обеспечения информационных систем пилотируемых космических кораблей и станций электронной бортовой документацией на Земле должна заранее выполняться разработка документов в специфических, совместимых с бортовым интерфейсом форматах. Выделяется наиболее ответственный этап технологического процесса подготовки – преобразование информации в бортовых условиях. Формулируются основные задачи бортового комплекса: прием и распаковка пакетов обновления, серверная конверсия документов в совместимый формат, сборка композиций по файлам наземной разметки, рассылка авторизованных обновлений на планшетные компьютеры экипажа, воспроизведение информации на планшетах и обеспечение индивидуальной поддержки космонавта в соответствии с его ролью, протоколирование работы персонала. Приводятся схема и состав утилит специального ПО бортового комплекса. Подробно описываются алгоритм работы элементов схемы и методология обновления ресурсов, состоящие в конверсии полученного описания страницы в графическую форму, позиционировании файлов на бортовом файл-сервере в индексированных папках, реконструкции документов при наличии в обновлении соответствующих файлов разметки, сборке документов в том виде, в каком они были сформированы на Земле. Особое внимание уделяется процессу обновления персональной базы документов на планшете пользователя, который может выполняться автоматически или по согласованию с оператором; при этом оператор инициирует обновление после получения извещения о готовности канала и нажимает на кнопку обновления функциональной панели персонального интерфейса. Подчеркивается, что все остальные сервисные операции с доставляемыми пакетами обновления выполняются автоматически, без участия экипажа.
НАЗЕМНАЯ ПОДСИСТЕМА ПОДГОТОВКИ ЭЛЕКТРОННОЙ БОРТОВОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ
КОЛЕСНИКОВ А.В., КРАВЧЕНКО С.И., АНДРЕЕВ Д.А., ДОЛГОВ А.А.
Стр. 49 — 54
Описан технологический процесс переработки информации при подготовке электронной бортовой документации для многофункциональной информационной системы поддержки деятельности экипажей транспортных космических кораблей и орбитальных станций. Подчеркивается необходимость генерации электронных документов на этапе бортового обновления контента из совместимого доставляемого архива. Отмечается концептуальная особенность наземной подсистемы, заключающаяся в разделении элементов электронного документа на две категории: консервативную визуальную основу и интерактивный слой, состоящий из виртуальных органов управления разделами документа и внутренними приложениями. Формулируются преимущества раздельной обработки слоев документа, состоящие в наземной разметке инструкции и доставке на борт только файла разметки, по которому на этапе обновления автоматически реконструируется разработанная на Земле инструкция; таким образом достигается идентичность наземной и бортовой версий, существенно снижается нагрузка на канал передачи данных Земля–борт. В статье также приводится структура средств наземного комплекса, раскрывается последовательность выполняемых операций; дается детальное описание взаимодействия участвующих в процессе утилит и основных разделов общей методологии: архивирование разработок в классической библиотеке бортовой документации, генерация визуальной основы, редактирование управляющего слоя, формирование новых документов из массива страниц классической библиотеки. Особое внимание уделяется специальным инструментам – редактору-компоновщику разметок и формирователю пакетов обновления. На основании экспериментов делается заключение о готовности разработанного комплекса наземных средств подготовки электронной бортовой документации к полноценному обеспечению формирования пакетов обновления для многофункциональной информационной системы поддержки деятельности экипажей космических кораблей и станций.
ИНФОРМАЦИОННАЯ ПОДДЕРЖКА КОСМИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
ОБЫДЕНОВ С.С., АНДРЕЕВ Д.А., СТЕПАНОВ В.В.
Стр. 55 — 57
В статье приводятся результаты апробации комплекса виртуальных руководств космическими экспериментами на борту Российского сегмента Международной космической станции. На основе полученного опыта ставится задача перевода научной документации на планшетные компьютеры экипажа. Дается описание нового бортового модуля интерфейса с расширенными функциональными возможностями: версионностью сценария с несколькими уровнями сложности и переключением версий во время работы; расширенным аппаратом настройки начальных условий для более наглядного и точного воспроизведения планируемой работы; доступностью выбора последовательности действий и оперативного ввода начальных условий непосредственно на борту. При этом варьируются сценарии работы и цепочки предписанных действий, состав иллюстративного материала и используемого оборудования, виртуальные модели окружающей среды и показания приборов, значения даты и времени. Отмечается специфическая особенность информационной поддержки космических экспериментов, состоящая в необходимости параллельного сопровождения действий экипажа двумя сюжетными линиями – заранее подготовленной сценарной последовательностью, моделирующей виртуальную среду эксперимента, и произвольным доступом к классическому массиву бортовой документации; при этом ключевые точки виртуального процесса должны быть однозначно увязаны с пунктами документации. Описаны также системные решения и методология интерактивного управления информационным пространством. Уделяется внимание ситуационному поведению оператора, работе с виртуальными органами управления, протоколированию результатов и оценке деятельности экипажа. Подчеркивается, что работа космонавта полностью авторизована на уровне персональных сценариев, которые передаются ему в соответствии с индивидуальной ролью в коллективных экспериментах. Прогнозируются дальнейшее расширение функциональных возможностей программно-аппаратного комплекса информационной поддержки космических экспериментов и существенное повышение удобства, наглядности, оперативности действий операторов, получение высокой скорости доступа к материалам бортовой документации.
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЗАДАЧ ПО ОПТИМАЛЬНОМУ РАСПОЛОЖЕНИЮ ГРУЗОВ В ОГРАНИЧЕННОМ ПРОСТРАНСТВЕ
ПОГОРЕЛОВ А.С., ПАНФИЛОВ А.Н., АНДРЕЕВ Д.А.
Стр. 58 — 61
Работа посвящена проблеме оптимального размещения объектов в ограниченном пространстве. Данная задача относится к классу задач раскроя и упаковки. Дается общая постановка задачи раскроя и упаковки. Описаны подход к классификации задач и критерии, на основе которых строится типология и выделяются основные категории задач. Обзор научных исследований по данной проблеме показывает, что в различных предметных областях возникают похожие задачи, каждая из которых имеет свои особенности, обусловленные спецификой конкретной предметной области. Рассматривается несколько задач по оптимальному расположению грузов, сходных с задачей размещения грузов на борту транспортного грузового корабля. Делается сравнение по основным характеристикам рассмотренных задач с задачей размещения грузов на борту транспортного грузового корабля. Кроме этого, для каждой задачи выявляется класс в рамках рассмотренной типологии, к которому ее можно отнести. В результате сравнительного анализа делается вывод о том, что универсального метода решения задачи оптимального размещения не существует, каждая конкретная практическая задача имеет свои особенности и ограничения, которые необходимо учитывать. Ставится задача разработки нового метода поиска оптимального расположения грузов, учитывающего специфические особенности предметной области, связанной с космическими кораблями.
ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
БОБКОВ С.Г.
Стр. 62 — 69
В статье рассматриваются проблемы создания высокотемпературных электронных компонент для нефтяной, газовой, авиационной и космической отраслей. Рассмотрены пути развития систем Умных скважин. Создание отечественных систем Умных скважин, помимо решения задачи импортозамещения, позволит существенно снизить стоимость оборудования. Так, стоимость электронно-управляемых задвижек вблизи перфорационных отверстий Умной скважины могла бы быть снижена с нескольких сотен тысяч долларов до десятков. Аналогичные проблемы существуют и в космической отрасли: стоимость западного вычислителя космического применения может достигать полумиллиона евро, аналогичный отечественный вычислитель до 10 раз дешевле. Полеты в дальний космос потребуют, помимо высокой радиационной стойкости, функционирования в широком диапазоне температур. В статье представлены технические данные базовых микросхем разработки НИИСИ РАН с температурой функционирования до +125 ºС и пути повышения температуры их функционирования. Показана принципиальная возможность создания высокотемпературных микросхем на их основе.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ В ИМИТАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ
РЕШЕТНИКОВ В.Н., МАМРОСЕНКО К.А.
Стр. 70 — 74
В работе приводятся методы визуализации земной поверхности и наземных объектов с описанием применения в авиационно-космической отрасли. Показаны особенности моделирования подстилающей поверхности с использованием спутниковых снимков, данных SRTM. Рассмотрена организация хранения исходных данных в форматах Tile Map Service и Keyhole Markup Language. С развитием систем дистанционного зондирования Земли, а также систем обработки полученных данных стали применяться методы визуализации земной поверхности с использованием спутниковых снимков. Например, со спутника GeoEye-1 можно получить снимки с разрешением 0,5 метра на пиксель. В целях оптимизации производительности такие снимки хранят в виде тайлов – небольших изображений одинакового размера, которые являются фрагментами большого изображения. Описан способ повышения производительности подсистемы визуализации при отображении множественных однотипных объектов, при котором выполняется последовательный обход всех узлов модели для клонирования и на основе данных собирается новая модель, содержащая необходимое количество экземпляров исходной модели. Массив вершин исходной модели изменяется с целью помещения экземпляра модели в необходимое пространственное положение. Массивы нормалей и текстурных координат копируются без изменений. Однако возможны ситуации, при которых число вершин в модели больше числа текстурных координат, в этом случае для объединения геометрий на место недостающих текстурных координат записываются значения из следующего экземпляра модели, что может привести к неправильному наложению текстуры. Во избежание подобной ситуации в недостающие текстурные координаты записываются нулевые значения.
ЭРГОНОМИЧНЫЙ ГОЛОСОВОЙ ИНТЕРФЕЙС УПРАВЛЕНИЯ АНТРОПОМОРФНЫМ РОБОТОМ
МИХАЙЛЮК М.В., ТОРГАШЕВ М.А., ОМЕЛЬЧЕНКО Д.В.
Стр. 75 — 78
Антропоморфные роботы (роботы, по своему строению похожие на человека) находят широкое применение в различных областях научной и хозяйственной деятельности. Это объясняется не только психологическими моментами, но и тем, что многие объекты, созданные человеком, приспособлены для манипулирования именно его руками. Однако эргономичное управление такими роботами является серьезной и актуальной проблемой. Стандартные компьютерные интерфейсные устройства (клавиатура, мышь, джойстик и т.д.) не обеспечивают достаточный уровень эргономики. Использование пультов управления тоже затруднительно, так как каждый управляющий элемент пульта обычно воздействует на один шарнир робота. В качестве альтернативы для управления часто используют экзоскелеты, представляющие собой жесткие шарнирные конструкции, надеваемые оператором и соответствующие строению человеческого тела. С помощью экзоскелета можно реализовать так называемый копирующий режим управления, при котором робот будет в точности повторять движения оператора. Тем не менее, использование экзоскелета часто затруднительно в силу либо его большого веса, либо невозможности работы с ним в скафандре. В данной работе предлагается голосовой интерфейс управления роботом. Идея заключается в том, что при произнесении оператором команды производится ее распознавание и в случае успеха запускается на выполнение заранее подготовленный скрипт, в соответствии с которым робот выполняет заданное действие. Апробация предложенных методов и алгоритмов показала возможность их успешного использования в качестве эргономичного интерфейса голосового управления антропоморфными роботами.
КОНЦЕПЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО И КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ
МАДЕРА А.Г.
Стр. 79 — 86
В статье излагаются концепции теплового проектирования электронных систем, а также требования к математическому и компьютерному моделированию тепловых процессов в электронных системах. Сформулированы требования к математическим моделям, обеспечивающим адекватное моделирование тепловых процессов при тепловом проектировании электронных систем. Согласно им, математические модели должны быть динамическими, нелинейными, интервально стохастическими, учитывать влияние эффекта тепловой обратной связи (взаимодействие между тепловыми и электрическими режимами в электронной системе), а также статистический технологический разброс электрических и тепловых определяющих параметров элементов в электронной системе. Полученные уравнения математической модели тепловых процессов в электронной системе удовлетворяют сформулированным требованиям и представляют собой систему нестационарных, нелинейных, интервально стохастических дифференциальных уравнений в обыкновенных производных первого порядка. Разработанные концепции и математические модели могут быть положены в основу создаваемого многофункционального программного комплекса теплового проектирования электронных систем.
ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫЙ БЛОК ИНТЕРФЕЙСА RAPIDIO ДЛЯ СОЗДАНИЯ МНОГОЯДЕРНЫХ МИКРОПРОЦЕССОРОВ С ВИРТУАЛЬНЫМИ КАНАЛАМИ RAPIDIO
БОБКОВ С.Г., КОЗЛОВ Н.А.
Стр. 87 — 92
Одним из основных направлений повышения производительности вычислительных систем является создание многоядерных и многопроцессорных систем. Современные многопроцессорные системы, как правило, строятся на базе коммуникационных сред. К наиболее распространенным высокопроизводительным средам относятся сети HyperTransport, PCIExpress, ASI, RapidIO, VXS, StarFabric, Ethernet 10 Gb, InfiniBand, Myrinet. Коммуникационные среды создаются на внутрикристальном, модульном, межмодульном и межмашинном уровнях. Стандарт RapidIO ориентирован на создание трех последних сред и, таким образом, позволяет значительно унифицировать многопроцессорные системы. Для дальнейшей унификации с целью повышения надежности и снижения трудозатрат на разработку необходима унификация модуля обмена между ядром микропроцессора и внешней средой. В статье рассматривается унифицированный блок (блок RIO-AXI) перехода с внутрипроцессорной шины AXI на внешнюю шину RapidIO, позволяющий создавать как многоядерные процессоры, так и коммутаторы с коммуникационной средой RapidIO.
ПОДДЕРЖКА ПРОТОКОЛА MPI В ЯДРЕ ОС LINUX ДЛЯ МНОГОПРОЦЕССОРНЫХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ НА БАЗЕ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ КАНАЛОВ RAPIDIO
КУЛЕШОВ А.С.
Стр. 93 — 98
Решение вычислительных задач на многопроцессорных вычислительных комплексах в конечном итоге опирается на определенный программный интерфейс передачи данных. Таким наиболее распространенным интерфейсом является интерфейс передачи сообщений MPI, который определяет стандарт передачи данных для конечных пользовательских программ. В статье показана реализация протокола MPI для разработанной в НИИСИ РАН микросхемы 1890ВМ6Я, являющейся основой для многопроцессорных вычислительных комплексов различного назначения, узлы которого могут быть связаны через высокоскоростные каналы RapidIO. Для реализации были взяты наиболее распространенная библиотека MPI – MPICH и хорошо зарекомендовавшее себя в суперкомпьютерных вычислениях ядро ОС Linux. MPICH в базовой поставке предоставляет различные сетевые модули, реализующие связку интерфейса библиотеки с определенными транспортными драйверами: tcp (Ethernet TCP/IP), ib (Infiniband), mx (Myrinet eXpress) и другими. Задействование наиболее подходящего под архитектуру RapidIO сетевого модуля mx позволило сосредоточиться только на разработке Linux-драйвера для контроллера RapidIO. Особенности контроллера RapidIO микросхемы 1890ВМ6Я, интерфейса MPI и идея использования канала RapidIO для других, отличных от MPI целей позволили создать достаточно универсальный стек передачи сообщений через канал RapidIO без избыточных копирований данных. В конце статьи приведены результаты работы тестовых MPI-программ, таких как NAS Parallel Benchmarks и OSU Micro-Benchmarks, на 4 узлах через канал RapidIO, дано заключение о проделанной работе и подведен итог использования контроллера RapidIO микросхемы 1890ВМ6Я в качестве транспортной среды для протокола MPI.
Ключевые слова
RAPIDIO MPI MPICH LINUX
СИСТЕМА ВИЗУАЛИЗАЦИИ ТЕКСТУРИРОВАННЫХ МОДЕЛЕЙ ПЛАНЕТ ДЛЯ ТРЕНИРОВОК ПРОВЕДЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
ТИМОХИН П.Ю.
Стр. 99 — 104
Современным инструментом для проведения тренировок космических экспериментов, связанных с наблюдением планеты с околопланетной орбиты, является визуализация в масштабе реального времени виртуальной трехмерной модели планеты с детализированными текстурами, созданными на основе спутниковых снимков. Исследования показывают, что размеры и объем необходимых текстур существенно превышают аппаратно допустимые значения современных графических ускорителей (сверхбольшие текстуры), что не позволяет загружать их целиком в видеопамять и аппаратно обрабатывать. В статье описываются технология и программная реализация, позволяющие визуализировать в масштабе реального времени сверхбольшие текстуры планет, разбитые на небольшие участки одинакового размера (страницы). Ключевая идея предложенной технологии состоит в сокращении временных затрат на отбор видимых страниц сверхбольшой текстуры путем распараллеливания вычислений на графическом процессоре (GPU) с помощью ряда разработанных шейдерных программ. Технология обеспечивает текстурную детализацию для моделируемой поверхности планеты, наиболее близкую к разрешению экрана, а также позволяет визуализировать на виртуальной поверхности планеты в масштабе реального времени сверхбольшие текстуры, имеющие различное исходное разрешение. Предложенная технология реализована в программном комплексе визуализации детализированных текстур планет, который интегрируется во внешнее приложение. Созданный программный комплекс также снабжен модулем расчета орбитального положения наблюдателя и пользовательским интерфейсом для управления полетом наблюдателя. В работе выполнена апробация реализованного программного комплекса в составе системы визуализации трехмерных виртуальных сцен, которая показала его адекватность поставленным задачам. Разработанный программный комплекс может быть использован как для улучшения характеристик существующих тренажерных систем по проведению космических экспериментов, так и для построения новых перспективных тренажеров.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЛЛИЗИЙ АППРОКСИМИРУЮЩИХ СФЕР И ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ПАРАЛЛЕЛЕПИПЕДОВ В СИСТЕМАХ ТРЕХМЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
ТРУШИН А.М.
Стр. 105 — 109
В системах трехмерного моделирования виртуальные объекты могут сталкиваться друг с другом. Определение таких столкновений (коллизий) является неотъемлемой частью любого физического движка. Для физических движков важнейшую роль играет скорость их расчетов. Для поддержки режима реального времени расчеты одного кадра моделирования не должны превышать 40 мс для обеспечения визуализации не менее 25 кадров в секунду, поэтому к системе расчета динамики в целом и к определениям коллизий в частности предъявляется требование разработки быстрых и эффективных алгоритмов. Определение коллизий объектов произвольной формы – трудная задача, имеющая высокую вычислительную сложность, поэтому широко применяется метод определения коллизий при помощи аппроксимирующих контейнеров. В этом случае формы виртуальных объектов описываются (аппроксимируются) различными геометрическими примитивами и задача определения коллизий самих объектов сводится к определению коллизий их аппроксимирующих контейнеров. Широкое распространение получили такие примитивы, как прямоугольные параллелепипеды и сферы. Алгоритмы определения коллизий бывают априорными и апостериорными. Априорные алгоритмы предсказывают коллизии тел, а апостериорные определяют коллизии уже по факту пересечения самих объектов. При этом априорные алгоритмы в общем случае обладают значительно большей вычислительной сложностью ввиду большего объема входных данных. В связи с этим в физических движках, ориентированных на моделирование динамики в режиме реального времени, в основном используются апостериорные алгоритмы определения коллизий. Настоящая работа посвящена разработке быстрых и эффективных апостериорных алгоритмов определения коллизий сфер между собой и сфер с прямоугольными параллелепипедами.
МАРШРУТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ САМОСИНХРОННЫХ КОНВЕЙЕРНЫХ СХЕМ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВОЗМОЖНОСТЕЙ САПР
СУРКОВ А.В., ВЛАСОВ А.О.
Стр. 110 — 115
Самосинхронная логика не использует сигнал тактирования и работает при любых вариациях параметров внешней среды, достаточных для переключения транзисторов. Но у самосинхронной логики есть ряд недостатков, из-за которых она не применяется наравне с традиционными синхронными схемами. Самосинхронные схемы проектируются двумя способами: на основе графовой спецификации и с использованием перекрестного преобразования. Первый способ дает наиболее быстрые и компактные схемы, но ввиду сложности работы с графами размер схемы ограничен несколькими десятками элементов. Метод перекрестного преобразования удобен при проектировании больших операционных блоков, однако в работе использует двухфазную дисциплину передачи данных и парафазное кодирование проводов, вследствие чего результирующая схема получает удвоенное число логических элементов. Как следствие, самосинхронные операционные блоки имеют как минимум вдвое меньшую скорость и в разы большую площадь схемы. Тем не менее, самосинхронная логика может использоваться там, где применение традиционных синхронных схем невозможно – прежде всего в расширенных диапазонах температур и вариации напряжения питания. Главным недостатком самосинхронных схем является отсутствие автоматизированного маршрута проектирования (САПР), в результате чего самосинхронные схемы, как правило, проектируются вручную. В целях сокращения времени разработки в НИИСИ РАН выработан маршрут проектирования самосинхронных конвейерных схем с использованием созданных ранее синхронных прототипов, включающий в себя синтез, разработку топологии и функциональное моделирование.
ФИЛЬТР КАЛМАНА КАК МЕТОД ВТОРИЧНОЙ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ С СИСТЕМЫ ГЛОНАСС
РЕШЕТНИКОВ В.Н., БОЛОДУРИНА И.П., НУГУМАНОВА А.А.
Стр. 116 — 120
В работе рассмотрены методы местоопределения наземного транспортного средства на основе вторичной обработки информации, поступающей со спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС. Точность позиционирования транспортного средства, зависящая от многих факторов, в том числе и от метода нахождения координат, является одним из показателей эффективного управления транспортным средством, что позволяет оперативно контролировать передвижение транспортных средств, фактическое время работы транспортного средства и точность определения расхода топлива. В публикациях, посвященных проблеме местоопределения динамических объектов, как правило, не описываются математические модели и алгоритмы, а приводятся лишь конечные результаты. При этом практически отсутствуют источники, в которых была бы описана четкая алгоритмическая схема, пригодная для написания ПО. Во многом это связано с тем, что данное ПО является либо коммерческой тайной, либо интеллектуальной собственностью. В отличие от имеющихся методов контроля и мониторинга мобильных объектов авторами разработан пошаговый алгоритм фильтра Калмана, позволяющий увеличить точность позиционирования наземного транспортного средства. На основе предложенного алгоритма создано прикладное ПО, обеспечивающее в реальном масштабе времени и в режиме постобработки определение местоположения наземного объекта. Исследованы случаи подвижного и неподвижного состояний наземного транспортного средства, для каждого из которых применены алгоритм фильтра Калмана и метод наименьших квадратов, способствующие увеличению точности позиционирования. Приведена сравнительная характеристика указанных методов на основе выбранных статистических критериев и установлен наиболее точный метод местоопределения подвижного и неподвижного объектов.
ИНЪЕКТОР СБОЕВ ДЛЯ ТЕСТИРОВАНИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ ТИПА СИСТЕМА НА КРИСТАЛЛЕ К ОДИНОЧНЫМ СБОЯМ
ЧЕКМАРЁВ С.А.
Стр. 121 — 125
Для тестирования механизмов обнаружения и коррекции сбоев используют иъектирование ошибок в памяти микропроцессора. Инъектирование имитирует результат воздействия космических тяжелых заряженных частиц. В работе рассмотрен IP-блок инъектора сбоев. IP-блок вносит одиночные сбои в память микропроцессора типа система на кристалле. Приведены схема инъектора сбоев, состав модулей, машина состояний, кратко описана работа во всех режимах инъектирования. Инъектор позволяет вносить сбои в регистровый файл, кэш-память и внешнюю память в различных режимах. Доступны следующие режимы: режим с остановкой и без остановки процессора со случайным или предопределенным покрытиями сбоем. IP-блок инъектора сбоев был применен в СнК-процессоре LEON3. В статье описаны процедуры инъектирования сбоев в память LEON3. Доступ к внутрикристальной памяти осуществляется через DSU-интерфейс. DSU является ведомым устройством на AMBA AHB-шине. Через его регистры инъектор сбоев может остановить работу процессора, модифицировать содержимое внутренней памяти, возобновить работу ПО. Для доступа к внешней памяти процессора LEON3 используется контроллер памяти. Во время эксперимента инъектор собирает статистическую информацию о внесенных и обнаруженных сбоях. Анализ результатов позволяет сделать вывод о чувствительности микропроцессора к одиночным сбоям в памяти. По завершении тестирования инъектор сбоев может быть исключен из состава микропроцессора типа система на кристалле, не оставив в нем никаких «следов».
ПОДХОД К РАЗВИТИЮ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТЕСТИРОВАНИЕМ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ
КОРНЮШКО В.Ф., КОСТРОВ А.В., ПОРОДНИКОВА П.А.
Стр. 126 — 132
В статье поставлена задача формирования подхода к управлению уровнем развития системы управления тестированием (СУТ) в составе системы управления бизнес-процессами разработки ПО в условиях проектного предприятия. Предложено выделить в составе бизнес-процессов разработки ПО бизнес-процесс тестирования, а в составе системы управления разработкой – подсистему управления тестированием как самостоятельные. Рассмотрены особенности организации тестирования в типовых моделях разработки ПО, для различных моделей разработки построены варианты организации выполнения по этапам основных процессов: рецензирование, Review (R); разработка тестов, Test Design (D); выполнение тестов, Test Execution (E); отчетность о тестировании, Test Report (O). Показана роль оценки уровня развития СУТ в процессах управления развитием, предложен подход к определению оценки уровня развития СУТ. Подход основан на определении оценки уровня развития СУТ в условиях различных моделей разработки ПО, прежде всего с использованием экспертной оценки. В качестве методической основы использована классификация стадий зрелости проектного управления. Рассмотрены особенности и возможности применения как прямой, так и многокритериальной экспертной оценки. Предложено отображать вербальное описание стадий зрелости СУТ множеством частных количественных критериев, часть из которых может определяться инструментальными методами; для оценки значений других предлагается проводить многокритериальную экспертизу с участием узких специалистов по профилю каждого из критериев. Рассмотрены варианты алгоритмов одноуровневого определения глобального критерия уровня развития на основе множества оценок частных критериев: вычисление длины вектора в эвклидовом пространстве и определение суммы взвешенных оценок частных критериев. Предложены двухуровневый вариант упорядочения частных критериев и соответствующие алгоритмы обработки множества их оценок, а также наглядная визуализация результатов оценки уровня развития СУТ. Разработанный на основе многокритериальной экспертной оценки подход позволяет определять степень зрелости СУТ ПО и целенаправленно управлять ее развитием.
ЗАДАЧИ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ
ЕСИКОВ Д.О.
Стр. 133 — 141
Предложены способы обеспечения устойчивости функционирования распределенных информационных систем. Формализованы задачи обеспечения устойчивости функционирования распределенных информационных систем в составе: математическая модель оптимизации распределения элементов ПО функциональных задач по узлам сети, математическая модель оптимизации распределения информационных ресурсов по центрам хранения и обработки данных, математическая модель определения рационального уровня расходов на формирование комплекса средств хранения данных в центрах хранения и обработки информации, математическая модель оптимизации состава технических средств системы хранения и обработки данных, математическая модель оптимизации распределения резерва информационных ресурсов по центрам хранения и обработки данных. Показано, что они относятся к классу задач дискретной оптимизации, дана их характеристика. Предложен порядок применения комплекса математических моделей обеспечения устойчивости функционирования распределенных информационных систем с указанием входных и выходных данных для каждой модели. Для решения разработанных задач предложено использовать программный комплекс, реализующий метод ветвей и границ по решению задач дискретной оптимизации с булевыми переменными с применением алгоритма предварительного определения порядка ветвления переменных на основе использования теории двойственности. Применение теории двойственности в методе ветвей и границ позволяет существенно усилить отсев бесперспективных вариантов и сократить время решения задач по сравнению с традиционным методом в среднем в 8 раз. Приведены особенности практического использования разработанного комплекса математических моделей на стадиях проектирования, эксплуатации и совершенствования жизненного цикла распределенных информационных систем.
РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ПОИСКА РЕШЕНИЯ ПО МОДИФИЦИРОВАННОМУ АЛГОРИТМУ RETE ДЛЯ НЕЧЕТКИХ ЭКСПЕРТНЫХ СИСТЕМ
МИХАЙЛОВ И.С., ЗО МИН ТАЙК
Стр. 142 — 147
В работе рассматриваются основные понятия теории нечетких продукционных экспертных систем. Нечеткие продукционные экспертные системы базируются на наборе правил, представленном в терминах лингвистических переменных. В качестве механизма нечеткого вывода предлагается разработанная модификация алгоритма Rete для нечеткой базы правил. Разработанная модификация обеспечивает ускорение процесса работы системы за счет однократного вычисления одинаковых условий в правилах, а также позволяет формулировать правила и заключения на ограниченном естественном языке. Разработанная формальная модель дерева решений модифицированного алгоритма Rete для нечеткой продукционной базы знаний состоит из множеств вершин-условий, вершин-следствий, отношений между вершинами и отношений для описания правил нечеткой экспертной системы. Созданный алгоритм обрабатывает правила нечеткой базы правил и преобразует их в формат формальной модели дерева решений модифицированного алгоритма Rete. На каждом этапе работы алгоритма выполняется построение нечетких оценок истинности вершин дерева решений с помощью нечетких операторов, что позволяет формулировать условия и следствия в базе правил, а также результаты работы алгоритма поиска решения на ограниченном естественном языке. Также одинаковые условия объединяются при построении дерева решений, что обеспечивает ускорение обработки дерева решений по сравнению с последовательным просмотром правил экспертной системы. Рассмотрен пример работы нечеткой продукционной экспертной системы, функционирующей на основе предложенной модификации алгоритма Rete, показана эффективность предложенного метода.
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО АЛГОРИТМА МУРАВЬИНЫХ КОЛОНИЙ ДЛЯ КРИПТОАНАЛИЗА БЛОЧНЫХ КРИПТОСИСТЕМ
ЧЕРНЫШЕВ Ю.О., СЕРГЕЕВ А.С., РЯЗАНОВ A.H., КАПУСТИН C.А.
Стр. 148 — 157
В статье рассматривается возможность параллельной реализации алгоритмов муравьиных колоний для криптоанализа блочных криптосистем. Отмечена актуальность нового научного направления «природные вычисления», приведена структурная схема криптоанализа стандарта DES с использованием метода муравьиных колоний. Приводится описание параллельной версии алгоритма криптоанализа на основе информационно-логической граф-схемы, матриц следования, логической несовместимости и независимости. На основе методики определения числа процессоров, сущность которой заключается в нахождении максимального множества взаимно независимых операторов в матрице независимости, последовательном проведении фиктивных связей в информационно-логическом графе, не увеличивающих длину критического пути, определено минимальное число процессоров, необходимых для реализации алгоритма криптоанализа. Отмечается, что отличительной особенностью применения биоинспирированных методов криптоанализа является возможность использования самого алгоритма шифрования (или расшифрования) в качестве целевой функции для оценки пригодности ключа, определенного с помощью генетических операций. Вследствие этого при использовании биоинспирированных методов криптоанализа процесс определения секретного ключа (например, при криптоанализе 2-го типа) зависит не столько от сложности шифрующих преобразований, сколько от самого биоинспирированного метода, который должен обеспечивать достаточное разнообразие генерации ключей, что свидетельствует об актуальности задачи исследования возможности применения биоинспирированных алгоритмов (в частности, методов генетического поиска) для криптоанализа блочных криптосистем.
ОЦЕНКА НАДЕЖНОСТИ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МЕТОДАМИ ДИСКРЕТНО-СОБЫТИЙНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
ЧЕРНОВ А.В., ГУДА А.Н., ЧУБЕЙКО С.В., БУТАКОВА М.А.
Стр. 158 — 165
В статье рассматривается дискретно-событийное моделирование и представлены его отличительные особенности от других видов моделирования. Основное отличие – отсутствие привязки ко времени: достаточно соблюдать последовательность наступления событий, при этом не важно, какой временной промежуток будет между событиями. Дано определение модели дискретно-событийной системы с дополнением ее модельными часами, которые воспроизводят хронологию событий. Решается важная задача генерации списка событий различными способами: объектно-ориентированное и процессно-ориентированное исполнение событий. Подробно рассматриваются оба способа: приводятся иллюстрация, алгоритм и элемент программной реализации. События могут объединяться в группы, которые называются процессами. Процессно-ориентированное моделирование сложнее объектно-ориентированного, так как имеется планировщик процессов. Также в статье рассматривается оценка надежности ПО, базирующаяся на дискретно-событийном подходе. Данный подход основан на идее роста надежности ПО. Поиск ошибок моделируется случайным точечным процессом. При обнаружении ошибки она устраняется, тем самым ПО становится более надежным. Моделирование делится на две части: генерация процессов, имитирующих появление ошибок в ПО, и оценка системной надежности компонентного ПО. В статье рассматриваются варианты расчета вероятности возникновения ошибки в зависимости от структуры программ: последовательная, разветвляющаяся, циклическая и параллельная структура программного компонента. Для каждого варианта представлен иллюстрирующий рисунок и приведена вычислительная схема. Для циклической схемы программного компонента используется вычислительная схема последовательного компонента, так как это своего рода однотипные повторы последовательной структуры программного компонента.
МЕТОДИЧЕСКИЙ АППАРАТ АНАЛИЗА И СИНТЕЗА КОМПЛЕКСА МЕР РАЗРАБОТКИ БЕЗОПАСНОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ
МАРКОВ А.С., ЦИРЛОВ В.Л., БАРАБАНОВ А.В.
Стр. 166 — 174
Рассмотрены актуальные вопросы стандартизации серийного производства безопасных программных изделий. Исследованы организационно-технические меры по снижению количества уязвимостей при разработке и сопровождении ПО функционирования автоматизированных систем в защищенном исполнении. Проведена систематизация стандартов и рекомендаций в области разработки безопасного ПО. Выполнен анализ применимости существующих методических подходов к разработке безопасного ПО при проведении оценки соответствия требованиям безопасности информации, в том числе при сертификации программных средств. Показана целесообразность гармонизации разрабатываемых нормативных требований и практических мер с методологиями международных стандартов по линии ISO 15408 и ISO 12207. Введено понятие безопасного ПО. Разработан базовый набор требований, позволяющий проводить и оценку соответствия процессов разработки ПО требованиям к безопасному ПО. При этом обосновано, что набор требований должен опираться прежде всего на принятые политики безопасности и актуальные угрозы. Приведен пример разрабатываемых требований. Разработана оригинальная концептуальная модель анализа и синтеза комплекса мер разработки безопасного ПО, опирающаяся на набор формируемых требований. Показано, что концептуальная модель предоставляет разработчикам ПО возможность научно обоснованного выбора мер разработки ПО. Разработана общая методика выбора комплекса мер безопасной разработки ПО. Представлены косвенные подтверждения эффективности предлагаемого подхода. Отмечено, что предложенный подход лег в основу разработки национального стандарта в области разработки и производства безопасного ПО.
ЭКВАЦИОНАЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ФОРМУЛ LTL
КОРАБЛИН Ю.П., ШИПОВ А.А.
Стр. 175 — 179
Программные системы с каждым днем становятся все более сложными и комплексными, поэтому требуются такие инструменты, которые позволяли бы относительно легко выполнять проверку их работы на соответствие заданным спецификациям, особенно, когда речь идет о больших и распределенных программных системах. Для описания проверяемых условий верифицируемых моделей сегодня используются такие механизмы, как логика линейного времени LTL и логика ветвящегося времени CTL. Однако, как показывает практика, с помощью данных механизмов можно сформулировать лишь относительно небольшое множество однотипных условий, что может существенно усложнить процесс верификации или же сделать его вовсе неэффективным для модели конкретной системы. Проблема корректной формулировки проверяемых на модели свойств является одной из ключевых, так как от этого будет зависеть весь процесс верификации. Таким образом, наличие мощных инструментов и методов, позволяющих однозначно формулировать широкий класс проверяемых свойств, является необходимым требованием для достижения наилучших результатов. В статье предложен механизм, использование которого позволяет существенно расширить группу условий, формулируемых по отношению к проверяемым моделям. Данный эффект достигается путем расширения выразительности логики линейного времени LTL с помощью предлагаемого в статье метода, что в итоге позволяет увеличить эффективность процесса верификации. Теоретический материал статьи подкреплен рядом наглядных примеров работы данного метода, демонстрирующих его практичность. Также приведен пример верификации свойств, сформулированных на основе предложенного метода, для конкретной модели.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ФОРМАЛЬНОЙ МОДЕЛИ СЕМАНТИЧЕСКИХ БИБЛИОТЕК И ФОРМАЛИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ИНТЕГРАЦИИ В НЕЙ
СЕРЕБРЯКОВ В.А.1 , АТАЕВА О.М.
Стр. 180 — 187
Развитие современных технологий подталкивает к переопределению понятия контента библиотеки, в качестве которого могут выступать и традиционные описания печатных изданий, и любые другие типы объектов. При этом контент цифровых библиотек и физические объекты могут быть связаны различными способами. В работе рассматриваются библиотеки как хранилища структурированных разнообразных данных с возможностью их интеграции с другими источниками данных. Приведены структура тезауруса для возможности определения их тематической направленности и основные понятия, необходимые для описания таких библиотек. Определяя такие понятия, как информационные ресурсы, наборы атрибутов, информационные объекты и другие, связанные с ними, формируют понятийную основу для некоторой предметной области создаваемой семантической библиотеки. Тезаурус же, в свою очередь, обеспечивает терминологическую поддержку этих понятий, облегчая навигацию по информационным объектам системы, поддерживает процесс уточнения и расширения запросов пользователей к системе. Также в статье описаны понятия, необходимые для детализации работ по интеграции данных, основной упор делается на понятия, используемые в процессе приведения данных. Важной характеристикой любого набора данных независимо от его структуры является понятие качества данных. Опираясь на оценку качества данных, можно давать объективную оценку эффективности процессов, происходящих в семантической библиотеке, важнейшим из которых является интеграция данных с другими источниками. Формальная модель понятий, описанная в данной части работы, используется в дальнейшем для описания онтологии такой библиотеки.
ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ АНАЛИЗА ДАННЫХ ИЗ СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЕЙ
МУРЗИН Ф.А., БАТУРА Т.В., ПРОСКУРЯКОВ А.В.
Стр. 188 — 197
Статья посвящена проблемам извлечения и обработки данных из социальных сетей. Рассмотрены различные количественные характеристики, отношения и множества, вычислимые на основе получаемых данных. Важно, что эти характеристики являются конструктивными и могут быть эффективно вычислены или построены при помощи соответствующих алгоритмов. Количество информации, находящейся в социальных сетях, очень велико. При использовании распределенной системы извлечения и обработки данных объем увеличивается еще больше. Поэтому наиболее важной и трудной задачей является выделение той части данных, которую можно было бы достаточно эффективно обработать и которая представляла бы интерес в соответствии с поставленными целями. Для решения этой задачи предлагается применить метод определения количества влияния аудитории на отдельного пользователя. Метод основан на теории динамического социального влияния, предложенной Б. Латане. Данный подход является полезным также при решении задачи определения источника распространения информации. Задача определения количества влияния на пользователя со стороны других пользователей непосредственно связана с задачей обнаружения лидеров мнений – сравнительно популярных пользователей, которые формируют мнение остального большинства. В работе предложен один из возможных методов определения лидеров мнений. Приведено довольно подробное описание разработанного программного комплекса, позволяющего работать с информацией из социальных сетей ВКонтакте и Twitter. Он состоит из шести модулей: извлечения, обработки данных, отслеживания изменений пользовательских данных, анализа данных, построения графовых структур и модуля визуализации данных.
РЕПРЕЗЕНТАТИВНОСТЬ МЕТРИК НА ОСНОВЕ СОБЫТИЙ ПРОЦЕССОРА INTEL SANDY BRIDGE ПРИ АНАЛИЗЕ ВРЕМЕНИ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ В ПАМЯТИ
ИВАНОВ Е.Ю., КОСЯКОВ М.С.
Стр. 198 — 202
В данной работе выполнена оценка репрезентативности метрик на основе событий процессора Intel Sandy Bridge при анализе времени обработки данных в памяти. Приведены детальный обзор и анализ наиболее часто используемых при профилировании метрик, рекомендованных в документации Intel. Разработан синтетический тест, позволяющий измерить временные задержки при последовательном, случайном и постраничном доступах к памяти, различных размерах всего рабочего множества и отдельных его элементов, обрабатываемых тестовым приложением. Описан способ профилирования и получения числа событий процессора, основанный на использовании утилиты perf ОС Linux. С помощью теста получены временные характеристики работы с оперативной памятью и рассчитаны метрики на основе событий процессора. Экспериментально установлено, что при последовательном доступе к данным зависимость рекомендованных компанией Intel метрик CPI, SCPI, PSRC и частоты кэш-промахов от измеренных временных задержек имеет линейный характер. Кроме того, изменение данных метрик пропорционально изменению времени с коэффициентом, близким к единице. На основе полученных результатов для случайного доступа к памяти показано, что наиболее эффективной метрикой является число тактов, затраченных на ожидание шины данных, так как данная метрика хорошо описывает временные задержки в работе приложений, выполняющих обработку данных вне зависимости от их расположения в памяти. По мнению авторов, указанная метрика наиболее удобна для оценки эффективности оптимизации работы приложения с оперативной памятью. На основе полученных результатов показано, что рассматриваемые в работе метрики являются репрезентативными и могут быть использованы при анализе временных характеристик приложений, обрабатывающих данные в оперативной памяти компьютера.
РЕПЛИКАЦИЯ ДАННЫХ В ИЕРАРХИЧЕСКИХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ С НЕПОСТОЯННОЙ СВЯЗНОСТЬЮ УЗЛОВ
СОРОКИН В.Е.
Стр. 203 — 209
Особенность многих иерархических информационных систем, ядром которых являются размещенные в их узлах реляционные БД, заключается в непостоянстве связи между узлами. Она препятствует классическому использованию централизованной или распределенной БД, возлагая на специальное ПО, решающее функциональные задачи системы, дополнительные функции обмена специализированными сообщениями и консолидации данных, в том числе от внешних для информационных систем источников. Репликация в локальной БД необходимых фрагментов БД других узлов информационных систем, консолидируемая с информацией из внешних источников, позволяет значительно упростить и повысить унификацию специального ПО различных узлов информационных систем. В статье предлагается подход к преобразованию исходной структуры БД, основанный на создании отдельных для различных источников данных таблиц, наследованных от исходных, адаптированный к особенностям асинхронной master/slave-репликации иерархически связанных БД. Показана возможность использования управляемых триггерами флагов и процедур для реализации различных стратегий консолидации данных и простой адаптации исходного специального ПО для решения функциональных задач информационных систем на преобразованной БД. Приводится пример реализации описанного подхода для широко распространенной и используемой во многих отечественных сертифицированных программных средствах объектно-реляционной СУБД PostgreSQL с системой асинхронной master/slave-репликации Slony-I. Отмечается возможность преодоления известных ограничений использования данной системы асинхронной master/slaveрепликации применением модулей dblink поддержки сессионного соединения с другими БД и postgres_fdw обертки внешних данных, а также совместного использования системы репликации с этими модулями на преобразованной БД.
МОДЕЛИ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ДАННЫХ СЛОЖНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПРОЕКТОВ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
СТОЯНОВА О.В., ДЛИ М.И., БЕЛОЗЕРСКИЙ А.Ю.
Стр. 210 — 218
В процессе управления сложными производственными проектами на промышленных предприятиях используется множество разнообразных информационных систем, каждая из которых решает отдельные задачи обработки проектных данных. Так, для проектов по организации производства новых образцов продукции сведения об изделии распределены между САПР и АСУ производством, информация о необходимых производству ресурсах – между АСУ производством, АСУ предприятием, АСУ проектами и т.д. Обмен проектными данными между указанными системами осложняется отличиями используемых ими программно-аппаратных платформ, форматов данных, моделей представления этих данных. В статье рассмотрены два вида моделей представления данных сложных производственных проектов: объектная и реляционная. Модель первого вида используется в качестве основы обработки данных с помощью объектных языков программирования, реляционная модель необходима для организации хранения данных в БД промышленных предприятий. Данный выбор обусловлен современными тенденциями развития информационных технологий в сфере автоматизации промышленных предприятий: использование объектного программирования для реализации приложений по обработке данных и доминирование реляционных СУБД. Использование различных моделей данных в отдельных компонентах информационной системы требует разработки решений по обеспечению преобразования данных из одного представления в другое. Указанная задача не имеет на сегодняшний день универсального решения. В статье рассмотрен пример такого преобразования для объектной модели, реализованной в Java, и реляционной модели для СУБД Oracle.
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЬСКОГО СПРОСА И ОПТИМИЗАЦИИ ТОВАРНЫХ ЗАПАСОВ
ГРИЦАЙ А.А.
Стр. 219 — 230
В статье представлена автоматизированная система управления и оптимизации товарных запасов торговых предприятий. Система ориентирована на малые и средние торговые предприятия. Она позволяет высвобождать денежные средства в размере 20–30 % от объема запасов и увеличивать уровень удовлетворенного спроса на 5–7 %. Это достигается за счет точного прогнозирования товарного запаса исходя из оптимального уровня сервиса для каждой товарной позиции. В статье описаны основные возможности системы: предобработка данных, прогнозирование спроса, расчет оптимального уровня сервиса, расчет оптимального товарного запаса, расчет заказа поставщику. Предобработка данных производится для очистки данных от резких выбросов, воздействия маркетинговых акций, влияния праздников и отсутствия товара на складе. Прогнозирование спроса осуществляется на основе временного ряда, прошедшего предобработку. Для каждого товара вычисляются характеристики его временного ряда истории продаж. В зависимости от характеристик выбирается алгоритм прогнозирования. Страховой запас определяется с заданным уровнем сервиса. Оптимальный уровень сервиса рассчитывается исходя из стратегии максимизации рентабельности вложений торгового предприятия. На основании рассчитанного уровня сервиса и выбранного метода прогнозирования производится расчет оптимального товарного запаса. С учетом имеющегося товара на складе предприятия, товара в пути, а также резервов под конкретных покупателей вычисляется оптимальный размер заказа по данной товарной позиции. После этого применяются попозиционные ограничения на заказ (например кратность упаковки), а затем ограничения на заказ поставщику в целом (например весогабаритные). В работе приведен пример использования системы и сделан вывод об экономическом эффекте от ее внедрения на реальном торговом предприятии.
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИОННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ НЕИСПРАВНОСТЕЙ ВАГОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ
ИВАНОВА Е.И.
Стр. 231 — 236
Повышение уровня безопасности функционирования железнодорожного транспорта представлено в «Стратегии развития железнодорожного машиностроения до 2030 года» как одна из важнейших проблем, актуальных для научных исследований. В числе первостепенных задач, поставленных ОАО «РЖД» в данной стратегии, – создание комплексных систем диагностики и прогнозирования технического состояния инфраструктуры подвижного состава. Анализ публикаций на данную тему показывает, что в них нет информации об использовании подобных систем и средств на подвижных железнодорожных составах, представленных на российском рынке вагоностроения. В статье описан один из подходов к решению упомянутой проблемы – применение интеллектуальной информационной системы, ориентированной на решение задач прогнозирования неисправностей вагонного оборудования на железнодорожном транспорте. Отражены основные научные результаты разработки данной системы, описаны архитектура системы и ее особенности, используемые в процессе реализации алгоритмы и средства реализации, результаты и анализ применения системы на реальных данных парка подвижного состава Федеральной пассажирской компании. Описанная система во многих смыслах является адаптируемой и универсальной. Она ориентирована на применение в качестве системы прогнозирования неисправностей пассажирских вагонов, но в дальнейшем может быть адаптирована и применена к другим элементам железнодорожного транспорта (к грузовым вагонам, локомотивам, электропоездам и так далее). Ее подсистемы не зависят друг от друга и дают возможность экспериментировать с применением различных алгоритмов в рамках ее подсистем, не затрагивая работу системы в целом. Данная система реализована при финансовой поддержке РФФИ в рамках конкурса ориентированных фундаментальных исследований по актуальным междисциплинарным темам в интересах РЖД 2013 года. Работа описанной системы проверена на ресурсах вагонов производства Тверского вагоностроительного завода, оснащенных новейшей системой контроля, диагностики и управления парка подвижного состава Федеральной пассажирской компании.
АЛГОРИТМЫ И МОДЕЛИ АСУ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ
БУРДО Г.Б., ФЕДОТОВА А.В.
Стр. 237 — 243
Основные проблемы, возникающие при использовании АСУ технологическими процессами (ТП) в многономенклатурных производствах, к которым зачастую относятся производственные системы предприятий, выпускающих наукоемкую продукцию, обусловлены высокой динамичностью ситуации в фирмах. Это вызвано постоянным появлением новых контрактов в течение календарного года, что приводит к корректировке производственных планов предприятий, приближенностью технического нормирования из-за дефицита времени на технологическую подготовку, приводящую к неточности оперативного планирования. На взгляд авторов, предлагаемая АСУТП (на примере технического обслуживания авиатехники) лишена указанных недостатков. Это достигается за счет следующих факторов. Иерархическая структура АСУТП отражает иерархию производственных планов предприятия и представлена подсистемами объемного, календарного, оперативного планирования и диспетчирования. АСУТП как система в целом информационно связана с системой управления организации и является ее подсистемой. Для обеспечения диспетчирования информационное взаимодействие осуществляется и с производственными подразделениями. Все подсистемы АСУТП информационно связаны, что позволяет оперативно выполнять корректировку всех видов планов. Планирование происходит путем использования итерационных процедур, обеспечивающих «тонкое» наполнение производственных планов, при этом за счет обратных связей существует возможность корректировки производственных планов высших уровней, что обеспечивает их выполнимость. При производственном планировании предусматриваются локальные резервы мощностей и фондов времени работы, предлагаются мероприятия по их использованию. Работа подсистемы оперативного планирования, заканчивающаяся составлением расписания работы производственных подразделений, основана на аналитико-приоритетном методе. Показана уточненная постановка задачи составления расписания работы производственного подразделения, особенности связаны с выполнением работ бригадами рабочих и применением приоритетных схем обслуживания. Выявлены и показаны способы формирования приоритетных схем обслуживания объектов, обеспечивающие вариативность расчетов и возможность выбора оптимального решения в соответствии с установленным критерием. При доработке АСУТП может быть реализована в качестве системы поддержки принятия решений на различных предприятиях многономенклатурного машиностроения, занимающихся обслуживанием, ремонтом и сборкой наукоемких изделий.
ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОБОГРЕВА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ ТЕПЛОВЫМИ СПУТНИКАМИ ДЛЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ГАРТМАН Т.Н., КОРЕЛЬШТЕЙН Л.Б., КОХОВ Т.А.
Стр. 244 — 248
В промышленных установках используются следующие виды обогрева технологических трубопроводов: обогрев трубопроводов обогревающими спутниками (теплоспутниками), обогрев трубопроводов в паровой рубашке, электрообогрев трубопроводов. В зависимости от технических требований или от климатических условий в проекте может преобладать один из этих видов обогрева. Порядка 10–15 % работы проектировщика (в сфере монтажного проектирования) приходится на проектирование обогрева технологических трубопроводов. В некоторых случаях практически 40 % трубопроводов в проекте должны обогреваться теплоспутниками, а иногда этот показатель может достигать порядка 50 %. При этом примерно 80 % трудозатрат на проектирование обогрева приходится именно на проработку трасс обогревающих спутников в 3D-модели. С целью ускорения проектирования обогрева технологических трубопроводов тепловыми спутниками был разработан программный комплекс проектирования обогрева технологических трубопроводов для систем автоматизированного проектирования, реализованный в среде 3D-проектирования AVEVA PDMS. Отличительная особенность созданного программного комплекса проектирования обогрева технологических трубопроводов в сравнении с имеющимися системами в том, что она интегрирована в систему автоматизированного проектирования AVEVA PDMS. Это позволяет выполнять моделирование обогревающих спутников технологических трубопроводов в 3D-модели и выпускать необходимые конечные документы – изометрические чертежи трубопроводов. Функциональные возможности программного комплекса проверены при разработке водяного обогрева технологических трубопроводов тепловыми спутниками установки производства серы.
ПОДХОД К МОДЕЛИРОВАНИЮ, МАСШТАБИРОВАНИЮ И ОПТИМИЗАЦИИ РАБОТЫ БИОРЕАКТОРОВ НА ОСНОВАНИИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ГИДРОДИНАМИКИ
МЕНЬШУТИНА Н.В., ГУСЕВА Е.В., САФАРОВ Р.Р., БУДРАН Ж.
Стр. 249 — 255
За последние 20 лет вычислительная гидродинамика зарекомендовала себя как инструмент для решения задач, включающих одно или более из следующих явлений: движение потоков жидкости, теплопередача, массоперенос, химическая реакция. В данной работе CFD был использован для реализации предложенного обобщенного подхода к моделированию, масштабированию и оптимизации биореакторов, один из этапов которого заключается в использовании современного метода цифровой трассерной визуализации PIV, позволяющего определять скорости частиц по их изображениям. В качестве примера рассмотрен процесс моделирования, расчета и оптимизации получения молочной кислоты бактериями Lactobacillus casei в реакторе смешения периодического действия. При расчете учитывалось влияние одного из аспектов механического стресса, перемешивания, на жизнедеятельность и продуктивность бактерий. Максимальная скорость диссипации энергии выбрана в качестве характеристики механического стресса. Были определены размеры турбулентных характеристических вихрей в биореакторе, негативно влияющих на жизнедеятельность клеток/бактерий. Введено понятие удельного объема стрессовой зоны. На его основании была определена предельная скорость перемешивания в данном биореакторе смешения, превышение которой ведет к значительному воздействию механического стресса на бактерии. Данный подход может быть использован для перехода к большим реакторам и поиску оптимальных условий работы.
ПРОГРАММА ПО ОЦЕНКЕ КАЧЕСТВА АКАДЕМИЧЕСКИХ ПРОГРАММНЫХ ПРОДУКТОВ НА ОСНОВЕ МЕТОДИКИ ХОЛСТЕДА
АФАНАСОВА А.И.
Стр. 256 — 260
Оценивание академических программных продуктов заметно сказывается на уровне усвоения сложных дисциплин информационных и вычислительных технологий. Однако в литературе по программометрии практически не делается различий между академическими и профессиональными программными продуктами. Проекты академических программных продуктов в отличие от профессиональных не имеют непосредственной обратной связи по качеству с конкурентной рыночной средой. Учитывая большой объем документации, фронтальное оценивание академических программных продуктов становится трудоемким делом, часто не дающим нужного эффекта – быстрого и/или заметного прироста компетенций студента ввиду неизбежной субъективности – опоры на личный опыт, знания и представления преподавателя. Решение видится в создании специальных методик, отличных от методик оценивания профессиональных программных продуктов, и в разработке инструментария преподавателя – специализированных программ оценивания академических программных продуктов. Ожидается, что эти инструменты, благодаря создаваемой ими объективной обратной связи, будут содействовать модификации поведения студентов, что выразится в повышении качества не только самих академических программных продуктов, но и всего проектно-ориентированного образовательного процесса. В статье представлены результаты разработки необходимого инструмента оценивания академических программных продуктов. С использованием методики Холстеда построен вычислительный алгоритм формирования количественных показателей качества таких продуктов, создаваемых студентами на языке программирования C++. На языке С# разработана оригинальная программа оценки качества академических программных продуктов на основе методики Холстеда. Опытной эксплуатацией разработанной программы подтверждены ожидаемые результаты.