Использование унифицированных имитационных комплексов при создании информационно-управляющих систем в судостроении

НПФ «Меридиан» является одним из основных приборостроительных предприятий российского судостроения. Фирма производит информационно-управляющие системы, системы безопасности и пожарной автоматики. Для обеспечения комплексной отладки, испытаний систем на предприятии, сопровождения систем в течение всего жизненного цикла, а также для обучения экипажей кораблей возникла необходимость создания соответствующего стендового оборудования. С этой целью были разработаны унифицированные имитационные комплексы.

Назначение имитационных комплексов

Назначение имитационных комплексов заключается в отработке взаимодействия создаваемых систем с окружающей средой, представленной источ­никами информации и исполнительными устройствами, то есть с внешними изделиями. Количество внешних изделий (систем сопряжения) может меняться от одной, как в системе компенсации магнитного поля, до более чем двух десятков, как в боевой информационно-управляющей системе (БИУС) «Требование-М», поставляемой на корабли ВМФ Индии. Все внешние изделия функционируют в условиях общей внешней тактической обстановки. При их моделировании, таким образом, требуется создание единой модели среды, состоящей из модели тактической обстановки и совокупности моделей изделий, которые взаимодействуют с тактической обстановкой и с разрабатываемой системой. Модель среды должна обеспечивать:

• отражение окружающей среды в пределах видимости (целесообразно моделировать только то, что может отражаться на входной информации);
• полноту спектра событий с возможностью проверки всех вариантов сценариев обстановки;
• детерминированность процесса (развитие сценария должно позволять производить сверку полученного и ожидаемого результатов эксперимента);
• возможность отладки программного обеспечения (ПО) системы за счёт использования дополнительных средств отладки, расширяющих возможности модели среды.

Использование натурных моделей позволяет обеспечить высокую достоверность модели, но усложняет и делает более дорогим комплексное моделирование окружающей среды.

Математическое моделирование с имитацией алгоритма поведения изделий, сопрягаемых с испытываемой системой, под воздействием модели тактической обстановки не только значительно уменьшает стоимость моделей, но и является незаменимым инструментом отладки за счёт возможности отработки самых различных сценариев тактической обстановки, некоторые из них практически невозможно создать или воспроизвести повторно при натурном эксперименте.

Аппаратный состав имитационных комплексов

Унифицированный имитационный комплекс представляет собой вычислительную сеть, состоящую из нескольких индустриальных компьютеров, связанных между собой через Ethernet. В сеть может быть добавлен компьютер в офисном исполнении для увеличения общей вычислительной мощности.

В индустриальные компьютеры встроены интерфейсные модули, обеспечивающие имитацию интерфейсов сопрягаемых изделий. Количество компьютеров определяется количеством интерфейсных модулей, которые необходимо использовать для имитации всех внешних изделий, а также мощностью компьютеров. Типы интерфейсных модулей определяются интерфейсами, по которым информационно-управляющие системы сопрягаются с внешни­ми изделиями. Наиболее распространённые интерфейсы: MIL-STD-1553, асинхронные RS-232 и RS-422, потенциальных сигналов, Ethernet, синхронный RS-422/HDLC.

В имитационном комплексе БИУС «Требование-М» использованы один компьютер в офисном исполнении и пять индустриальных компьютеров IPC-510 000009, собранных компанией ПРОСОФТ на базе корпуса IPC-510 фирмы Advantech и процессорной платы этой же фирмы PCA-6186E2 (процессор Pentium IV, частота 3,06 ГГц). Кросс-плата индустриального компьютера содержит 7 слотов шины ISA, в которые устанавливаются интерфейсные модули:

• плата интерфейсная TX1-PC фирмы «Элкус» (интерфейс MIL-STD-1553);
• плата интерфейсная 5554 (Quad Serial Card) фирмы Octagon Systems формата MicroPC (четыре канала RS-232 или два канала RS-232 и два канала RS-422);
• плата ИР ЯЕИФ.468354.006 фирмы «НПФ «Меридиан» (прямое и обратное параметрическое преобразование сигналов интерфейсов RS-232 ↔ RS-422);
• устройство HDLC ЯЕИФ.468172.026 фирмы «НПФ «Меридиан» (синхронный интерфейс RS-422 с реализацией протокола HDLC);
• модули БМ-1 ЯЕИФ.468172.009 и ИМ-7 ЯЕИФ.468172.019 фирмы «НПФ «Меридиан» (имитация первичной радиолокационной информации).

Количество имитаторов систем на одном компьютере ограничено количеством электронных модулей, которые могут быть в него установлены.

­­­В компьютер IPC-510 000009 может быть встроено до 7 интерфейсных модулей.

На рис. 1 представлена структурная схема имитационного комплекса БИУС «Требование-М». 

Каждому из имитируемых изделий соответствует интерфейсный модуль или канал интерфейс­ного модуля. Например, в IPC-510 № 1 встроены:

• два устройства HDLC, которые обеспечивают имитацию интерфейсов сонаров ATAS SNN-137 и HUMSA;
• модуль 5554 с платой ИР, обеспечивающий имитацию комплекса «Пурга», а также изделий MT-102 и НЭЛ-20К.

Аналогичным образом в IPC-510 № 2–5 имитируются интерфейсы других изделий, взаимодействующих с БИУС «Требование-М».

Устройство HDLC состоит из модулей БМ-1 и ИМ-1 ЯЕИФ.468172.012.

Модули БМ-1 (базовый модуль), ИМ-1 и ИМ-7 (интерфейсные модули) входят в ряд унифицированных электронных модулей, разработанных в НПФ «Меридиан» и используемых в различных изделиях. 

Модуль БМ-1 (рис. 2) – это процессорный модуль на базе микропроцессора ATmega128 фирмы Atmel. 

Модуль ИМ-1 (рис. 3) обеспечивает сопряжение модуля БМ-1 с двумя интерфейсами RS-422: одним асинхронным (до 2 Мбод) и одним синхронным (до 38400 бит/с) – и используется для реализации протокола HDLC. 

Модуль ИМ-7 (рис. 4) обеспечивает параметрическое преобразование по­тенциальных сигналов, поступающих из модуля БМ-1, с целью имитации первичной радиолокационной информации. Модуль БМ-1 конструктивно и электрически объединяется с интерфейсными модулями с помощью разъёмов по принципу мезонинного соединения. 

На рис. 5 показан имитатор первичной информации (вид сбоку), состоящий из модулей БМ-1 и ИМ-7.

Структура и функционирование имитационного программного обеспечения

Имитация систем, сопрягаемых с БИУС «Требование-М», производится под управлением программы имитации систем сопряжения и тактической обстановки.

Программа состоит из группы исполняемых файлов (программных модулей), ко­торые устанавливаются на компьютеры и функционируют в среде ОС РВ QNX.

Программные модули мож­но разделить на пять категорий:

• модули имитации сис­тем сопряжения;
• модуль начальной установки;
• модуль имитации тактической обстановки;
• модули межпроцессных связей;
• драйверы.

Программный модуль IOST

Программный модуль IOST (модуль имитации систем сопряжения) – основной модуль, который обеспечивает имитацию систем сопряжения. При запуске этого модуля открывается его исходное окно, показанное на рис. 6.

Кнопкой «Уста­новка» вызывается программный мо­дуль начальной уста­новки iost_setup. Кнопкой «Сис­те­мы» запускается ра­бота имитаторов из­де­лий. Под кнопками расположено текстовое поле, в которое может быть выведено сообщение по результатам запуска программы, например, со­об­щение «The module 5554 is absent» вы­водится, если программа не обнаружила интерфейсный модуль 5554.

При нажатии кнопки «Системы» осуществляется чтение системного конфигурационного файла, созданного ранее модулем iost_setup, конфигурационных файлов имитаторов систем сопряжения, затем открывается окно «Работа систем» (рис. 7) и запускается имитация всех систем, которые имеются в списке. 

Работа имитаторов систем сопряжения происходит в автоматическом режиме, в соответствии с алгоритмом работы систем. Для проведения работ, связанных с отладкой ин­формационного обмена, проверки вза­имодействия в различных режимах ра­боты системы сопряжения и БИУС, а также для формирования конфигурационных файлов используются окна систем, а также основное рабочее окно «Работа систем». На рис. 7 запечатлено состояние окна «Работа систем», соответствующее конфигурации, установленной в компьютере IPC-510 № 1.

Для открытия окна имитируемой системы необходимо нажать кнопку с одноимённой надписью, расположенную в колонках «Система». Например, если нажать кнопку «Буран», то будет открыто окно, представленное на рис. 8. 

Окно позволяет контролировать автоматический процесс имитации изделия «Буран», а также производить отладку ПО БИУС, используя расположенные на окне элементы управления и индикации.

Поля окна «Работа систем» служат для управления общими для большинства систем параметрами состояния и их отображения; в полях систем размещены параметры, специфические для конкретных систем. Остальные поля окна «Работа систем», а также поля окон имитаторов систем служат для управления режимами работы, текущими состояниями систем и для отображения процесса изменения их состояния и информационного обмена. В данной статье приведено изображение только окна имитатора системы «Буран», окна имитаторов других систем открываются аналогично ему. Программы содержат большое количество инструментов для отладки и испытаний БИУС в различных режимах. Из окна «Работа систем» и окон систем могут быть открыты дополнительные окна, облегчающие анализ результатов отработки сложных сценариев. В правом верхнем углу всех окон имеются кнопки «?» для вызова справочной информации.

Программный модуль начальной установки iost_setup

Программный модуль начальной установки iost_setup предназначен:

• для установки параметров функционирования интерфейсных модулей;
• для формирования файлов сценариев тактической обстановки;
• для формирования режимов работы модулей межпроцессных связей и драйверов.

Модуль iost_setup загружен на каждый компьютер и запускается из меню исходного окна программы IOST или программы TOT (модуль имитации тактической обстановки). При запус­ке модуля открывается окно основного меню – «Установки ТО и ИОС» (рис. 9).

На рис. 10 показано окно «Систем­ный интерфейс», которое открывается нажатием одноимённой кнопки основного меню. Через это окно выполняется начальная установка интерфейсов имитируемых систем.

В окне «Системный интерфейс» устанавливаются соответствия модулей имитируемым системам сопряжения, сетевые номера узлов (компьютеров) в нумерации QNX, коэффициенты погрешностей параметров движения объектов, выдаваемых системами, но­мер узла, из которого будет приниматься информация о тактической обстановке, и другие атрибуты.

Программный модуль имитации тактической обстановки TOT

Программный модуль имитации тактической обстановки TOT предназначен для формирования и передачи в модули имитации систем сопряжения информации о тактической обстановке. Модуль может быть размещён на любом из индустриальных компьютеров комплекса или на специально выделенном для него офисном компьютере. Программный модуль ТОТ имеет средства:

• формирования файлов сценариев тактической обстановки;
• воспроизведения сценариев;
• отображения процесса развития сценариев;
• выполнения дополнительных сервисных функций.

Модуль обеспечивает имитацию сценариев тактической обстановки, которые содержат координаты и параметры движения собственного корабля, а также координаты и параметры движения до 600 внешних объектов, в том числе до 31 корабля соединения. Объекты могут иметь маршруты сложных траекторий, объекты могут быть производными от других объектов, то есть появиться в заранее заданной по различным признакам точке (по времени, расстоянию, в координатах, на участке маршрута основного объекта).

Координаты и параметры движения объектов в цифровом или графическом виде отображаются в группе рабочих окон модуля TOT или в рабочих окнах вспомогательных программных модулей, которые вызываются из модуля ТОТ. На рис. 11 представлено рабочее окно одного из вспомогательных модулей – showsts2.

Модуль showsts2 может быть также открыт из программы IOST для индикации параметров движения всех объектов тактической обстановки, переданных на данный узел, а также объектов, информация о которых принимается какой-либо системой из БИУС или передаётся в БИУС.

Программные модули межпроцессных связей

Все запущенные модули программы имитации рассматриваются в операционной системе QNX как процессы. Взаимодействие между процессами осуществляется различными способами:

• через разделяемые объекты памяти (shared memory);
• с использованием функций Send/Receive/Replay;
• с помощью сигналов proxy.

Модули имитации взаимодействуют между собой непосредственно или че­рез буферные модули. Например, взаимодействие модуля имитации тактической обстановки TOT с модулями IOST, запущенными на нескольких компьютерах, осуществляется через два программных модуля TOTswitch и IOSTto следующим образом:

• модуль ТОТ передаёт информацию через механизм shared memory модулю TOTswitch;
• модуль TOTswitch создаёт виртуальные каналы с модулями IOSTto и рассылает им информацию о тактической обстановке;
• каждый модуль IOSTto передаёт ин­формацию через механизм shared memory смежному модулю IOST.

Информация от IOST к TOT передаёт­ся по обратному каналу.

Драйверы

Драйверы обеспечивают управление интерфейсными модулями при обмене информацией в соответствии с протоколами взаимодействия имитируемых систем и БИУС.

Задачи и методы унификации имитационных комплексов

Унификация является одним из условий успешного выполнения задачи создания информационно-управляющих систем. При создании систем имитации в НПФ «Меридиан» использовались следующие методы унификации:

• единый подход к созданию аппаратных средств и программных модулей для имитаторов различных устройств;
• разбиение ПО на модули с учётом обеспечения платформонезависи­мости;
• сохранение преемственности в аппаратно-программной реализации при создании имитационных систем для новых разработок;
• обеспечение максимальной гибкости при изменении конфигурации сис­тем;
• единый подход при создании справочной информации, вызываемой средствами диалогового обмена программных модулей;
• возможность использования в различных условиях, в том числе на корабле;
• учёт при текущих разработках требований по обеспечению возможности использования имитационных сис­тем в перспективных разработках.

При этом унификация осуществлялась не в ущерб обеспечению требуемого быстродействия работы программ, компактности, стоимости сис­тем, а также удобства использования программ операторами.

ПО имитационного комплекса позволяет менять его конфигурацию в произвольном порядке, создавать усечённый вариант или наращивать количество моделей сопрягаемых систем. Например, при создании имитатора для отладки пульта судовождения достаточно одного компьютера с установленными в нём четырьмя модулями 5554 фирмы Octagon Systems; в качестве имитационного ПО был использован адаптированный пакет программного обеспечения стенда БИУС «Тре­бо­ва­ние-М» с удалением программных модулей лишних имитаторов внешних систем и добавлением имитатора сис­темы AIS.

Для отладки системы компенсации магнитного поля потребовался один компьютер с модулем TX1-PC, обеспе­чивающий имитацию систем «Чар­даш» или «Ладога»; при этом использовалось ПО стенда БИУС «Требование-М», в ко­тором были задействованы модули имитации тактической обстановки и ими­тации систем «Чардаш» или «Ла­до­га».

Перспективы развития имитационных комплексов

В созданных на предприятии имитационных комплексах заложено достаточно ресурсов для развития и адаптации к перспективным информационно-управляющим системам или тренажёрным комплексам, которые будут создаваться в НПФ «Меридиан».

До настоящего времени компьютеры типа IPC-510 000009 сборки компании ПРОСОФТ, которые используются на предприятии с 2004 года в качестве основы аппаратной части имитационных комплексов, обеспечивали по­требности в производительности для решения задач имитации тактической обстановки и сопрягаемых изделий.

Вместе с тем при изготовлении новых имитационных комплексов потребуются замена имеющихся компьютеров из-за прекращения их выпуска и переход на другую элементную базу. Такая замена не представляет проблемы ввиду аппаратной независимости имитационного программного обеспечения, за исключением части драйверов. Фирма ПРОСОФТ, являющаяся традиционным партнёром НПФ «Меридиан», предлагает достаточно широкий спектр оборудования, а также предоставляет услуги по обеспечению совместимости поставляемого оборудования с ОС РВ QNX. ●

E-mail: ushvic@mail.ru