RU2716827C2

RU2716827C2 - Control method of ship communication system control system

Info

Publication number: RU2716827C2
Application number: RU2018123645A
Authority: RU
Inventors: Александр Вадимович Карпов; Андрей Андреевич Катанович; Александр Алексеевич Потехин; Андрей Михайлович Рочев
Priority date: 2018-06-28
Filing date: 2018-06-28
Publication date: 2020-03-17
Also published as: RU2018123645A; RU2018123645A3

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to radio engineering and communication and can be used to develop a control system for automated communication systems. To this end, during control, changes are made to the code of the executed algorithm by the main control devices owing to feedback from the backup channel, using resources of external control device, thus unloading functions of main control devices, wherein external control device is connected to common computer network, where each device is controlled by own operator, wherein sufficient reserve of resources is obtained with non-linear flow of the technical process without the need for multiple readjustment of the main control devices and the code of the executed algorithm.

EFFECT: technical result consists in the function of full access to the control system from the side of the external control device and the procedure for making changes to the basic control protocol.

1 cl, 6 dwg

Description

Настоящее изобретение относиться к области радиотехники и связи и может быть использовано для разработки системы управления автоматизированных комплексов связи и других сложных объектов.The present invention relates to the field of radio engineering and communications and can be used to develop a control system for automated communication systems and other complex objects.

Эффективное функционирование автоматизированных систем связи может быть обеспечено лишь путем автоматизированного управления системой связи в целом и ее отдельными элементами - комплексами и средствами связи кораблей и летательных аппаратов. Основой корабельного автоматизированного комплекс связи (АКС), объединяющей средства связи корабля в единое целое, является его управляющая система (УС), которая представляет собой совокупность технических средств, вырабатывающих управляющие воздействия для организации каналов связи и управления прохождением информации по каналам АКС. [Катанович А.А., Муравченко В.Л. Автоматизация управления корабельными комплексами связи ВМФ. СПб., Судостроение, 2014].The effective functioning of automated communication systems can only be ensured by automated control of the communication system as a whole and its individual elements - communication systems and means of ships and aircraft. The basis of the shipboard automated communications complex (ACS), combining the vehicle’s communications equipment into a single whole, is its control system (CSS), which is a set of technical tools that generate control actions for organizing communication channels and controlling the passage of information through the ACS channels. [Katanovich A.A., Muravchenko V.L. Automation of control of naval communications systems of the Navy. SPb., Shipbuilding, 2014].

Известны корабельные комплексы связи. Патент РФ №2520371 от 27.06.2014 г. Кл. Н04В 13/00. Бюл. №18. Корабельный унифицированный комплекс связи. Патент РФ №2548023 от 20.01.2015 г. Кл. Н04В 7/00. Бюл. №2. Интегрированный комплекс связи надводного корабля и др.Known ship communication systems. RF patent No. 2520371 dated 06/27/2014 Cl. HB04 13/00. Bull. Number 18. Ship unified communications complex. RF patent No. 2548023 from 01.20.2015, Cl. HB04 7/00. Bull. No. 2. Integrated communications complex surface ship, etc.

Одной из причин, вызывающих затруднение в организации алгоритма управления управляющей системой АКС является высокая сложность формального описания происходящих изменений в технологическом процессе (ТП). Для широкого комплекса ТП выделяют ряд общих свойств, затрудняющих в настоящее время их изучение и дальнейшее применение: нелинейность протеканий реакций; сложность непосредственного влияния на управляемые факторы; зачатую быстрые необратимые изменения состояния технологической среды [Найденов Е.В., Якименко И.В. Классификация схем управления сложными техническими системами // Сборник трудов V Международной научно-технической конференции 2015 г. Универсум, филиал НИУ МЭИ Т. 1. С. 370-374]. Попытка разработчиков комплексно автоматизировать УС без подробного изучения особенностей организации ТП, учета факторов влияющих на него во временном интервале и последующем построения матриц зависимостей приводит к выходу из строя дорогостоящего оборудования и утрате исследуемых материалов и веществ. Кроме того, особенностью новых перспективных ТП является невозможность их предварительного компьютерного моделирования, а все регистрируемые факторы изменений могут быть выявлены только в реальных испытаниях. В связи с этим разработка гибкого способа управления сложной УС, предназначенной для обеспечения стационарного протекания ТП с нелинейно изменяющимися факторами протекания реакции, является весьма актуальной технической задачей.One of the reasons for the difficulty in organizing the control algorithm for the ACS control system is the high complexity of the formal description of the changes in the technological process (TP). For a wide TP complex, a number of common properties are distinguished, which currently impede their study and further application: non-linearity of the reactions; the difficulty of directly influencing controlled factors; conceived rapid irreversible changes in the state of the technological environment [Naydenov EV, Yakimenko IV Classification of control schemes for complex technical systems // Proceedings of the V International Scientific and Technical Conference 2015 Universum, a branch of NRU MPEI T. 1. P. 370-374]. The developers' attempt to comprehensively automate the CSS without a detailed study of the TP organization features, taking into account the factors influencing it in the time interval and the subsequent construction of dependency matrices leads to the failure of expensive equipment and the loss of the studied materials and substances. In addition, a feature of new promising TPs is the impossibility of their preliminary computer simulation, and all registered factors of changes can be identified only in real trials. In this regard, the development of a flexible method for controlling a complex CSS designed to ensure the stationary flow of TP with non-linearly varying reaction factors is a very urgent technical task.

Прототипом заявляемого способа является способ с внешним управлением, основанный на разделении функций основного канала управления УС.[Иванов А.А., Торохов С.Л. Управление в технических системах. М.: Форум. 2012]. Способ управления технической системой с внешним управлением (с дублирующим внутренним каналом). См. фиг. 1.The prototype of the proposed method is a method with external control, based on the separation of functions of the main control channel US. [Ivanov A.A., Torokhov S.L. Management in technical systems. M .: Forum. 2012]. A method of controlling a technical system with external control (with a redundant internal channel). See FIG. 1.

Недостатком данного способа является то, что резервный канал не позволяет проводить калибровку основных устройств управления (УУ).The disadvantage of this method is that the backup channel does not allow calibration of the main control devices (UE).

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют в известных источниках информации, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности «новизна».The analysis of the prior art made it possible to establish that analogues, characterized by a combination of features that are identical to all the features of the claimed technical solution, are absent in known sources of information, which indicates the compliance of the claimed method with the condition of patentability “novelty”.

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Следовательно, соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень»Search results for known solutions in this and related fields of technology in order to identify features that match the distinctive features of the claimed object from the prototype showed that they do not follow explicitly from the prior art. Therefore, meets the condition of patentability "inventive step"

Целью изобретения является реализация функции проведения калибровки основных устройств управления со стороны внешнего управляющего устройства.The aim of the invention is the implementation of the calibration function of the main control devices from the external control device.

Поставленная цель достигается тем, что в способ управления управляющей системой АКС, основанный на разделении функций основного канала управления системой и его обработкой, введена обратная связь основного канала управления с резервным каналом.This goal is achieved by the fact that in the control method of the ACS control system, based on the separation of functions of the main control channel of the system and its processing, the feedback of the main control channel with the backup channel is introduced.

Техническая реализация предлагаемого способа осуществляется следующим образом.The technical implementation of the proposed method is as follows.

В ходе управления вносятся изменения в код выполняемого алгоритма основными устройствами управления благодаря обратной связи с резервного канала, при этом используют ресурсы внешнего управляющего устройства, разгружая тем самым функции основных устройств управления, при этом внешнее устройство управления подключают к общей компьютерной сети, где каждое устройство управляется собственным оператором, причем получают достаточный запас ресурсов при нелинейном протекании технического процесса без необходимости множественной перенастройки основных устройств управления и кода выполняемого алгоритма.During control, changes are made to the code of the algorithm performed by the main control devices due to feedback from the backup channel, while using the resources of the external control device, thereby unloading the functions of the main control devices, while the external control device is connected to a common computer network, where each device is controlled own operator, and get a sufficient supply of resources in the non-linear course of the technical process without the need for multiple tuning of the main control devices and the code of the executed algorithm.

Предлагаемый способ с внешним резервным каналом, фиг. 2. создает разделенные каналы управления узлами УС, которые могут быть активны одновременно. При этом оператор вносит изменения в код выполняемого алгоритма основными УУ и использует ресурсы внешнего управляющего устройства, разгружая тем самым функции основных УУ. Кроме того, внешнее УУ подключено к общей компьютерной сети, где каждое устройство управляется собственным оператором. Таким образом, реально получить достаточный запас ресурсов при нелинейном протекании УС без необходимости множественной перестройки основных УУ и кода выполняемого алгоритма.The proposed method with an external backup channel, FIG. 2. creates separate control channels for the DC nodes, which can be active at the same time. In this case, the operator makes changes to the code of the algorithm performed by the main control units and uses the resources of an external control device, thereby unloading the functions of the main control units. In addition, the external control unit is connected to a common computer network, where each device is controlled by its own operator. Thus, it is realistic to obtain a sufficient supply of resources in the case of a nonlinear flow of CSS without the need for multiple restructuring of the main control centers and the code of the algorithm being performed.

Сложность обработки данных в УС с нелинейно протекающими реакциями создает определенную нагрузку на устройства управления КС. Такой способ может быть применен для УС, имеющих в основе СУ несколько параллельно включенных УУ. Причем внешнее УУ также может выступать как элемент общей обработки совместных результатов. Соответственно УС может организовать программные процедуры по перераспределению вычислительной мощности между всеми УУ (основными и внешними), а при условии значительно различающихся технических характеристик между этими устройствами - организовать программную процедуру балансировки вычислительной нагрузки между более быстрым и медленным УУ. Изучение сложного УС может быть организовано целой сетью взаимосвязанных УУ, каждый из которых способен формировать команды воздействия на алгоритм управления УС. При подобной организации СУ возможно, получить схемы постоянного контроля УС с облачной или серверной средой внешней обработки данных.The complexity of data processing in a DC with nonlinear reactions creates a certain load on the control devices of the compressor station. Such a method can be applied to a control unit having several parallel connected control units based on the control system. Moreover, the external UE can also act as an element of the overall processing of joint results. Accordingly, the control unit can organize program procedures for the redistribution of computing power between all control units (main and external), and, subject to significantly different technical characteristics between these devices, organize a program procedure for balancing the computing load between a faster and slower control unit. The study of a complex CSS can be organized by a whole network of interconnected CMs, each of which is able to form commands for influencing the CSS control algorithm. With such an organization of the control system, it is possible to obtain schemes of constant control of the control system with a cloud or server environment for external data processing.

Разработана схема управления УС представлена на фиг. 3 и включает в себя набор внешних УУ, включенных по локальной сетевой схеме «звезда». В основе аппаратной части УС находится два основных УУ, каждый из которых имеет независимо управляемые узлы и подсистемы. Обмен данными, а также разделение каналов управления между основными УУ происходит через устройство согласования, под которым понимается сетевой концентратор или специализированные схемы включения, рекомендуемые производителем при использовании схожих устройств. Основной протокол работы УС загружен в УУ, конструктивно входящие в состав УС, резервный протокол работы и инструменты воздействия на узлы загружены в локальной сети. При этом каждое внешнее УУ или группа устройств может являться основным управляющим в УС.The control circuit of the DC is developed; FIG. 3 and includes a set of external UEs connected according to the local star network. At the heart of the hardware part of the DC there are two main control units, each of which has independently controlled nodes and subsystems. Data exchange, as well as the separation of control channels between the main control units, occurs through a matching device, which is understood as a network hub or specialized switching circuits recommended by the manufacturer when using similar devices. The main protocol of operation of the control unit is loaded into the control unit, structurally included in the structure of the control unit, the backup operation protocol and tools for influencing nodes are loaded on the local network. In addition, each external control unit or group of devices can be the main manager in the control system.

При описании способа применен термин - запас вычислительной мощности УУ. Под вычислительной мощностью УУ (производительность устройства) понимается количественная характеристика скорости выполнения вычислительных операций ЦП. Прежде всего она основана на расчете количества используемых ресурсов в УУ (буфера и частоты работ ЦП и объема ОЗУ) на одну подсистему. Вычисление потребления ресурсов проводится последовательным тестированием всех подсистем, при котором остальные узлы УС не используются. Если каждая из подсистем способна в обычном режиме работы задействовать все доступные ресурсы УУ, то запускается программная процедура балансировки вычислительной мощности. Она выполняется путем равного разделения доступных ресурсов УУ между всеми узлами. Значение производительности УУ принято оценивать в Гигафлопсах (GELOPS). На фиг. 3 для всех УУ задан индекс, где Р - базовое значение производительности основного устройства управления. Значения коэффициентов перед индексом у остальных УУ показывают доступный (в число раз) запас производительности. В качестве основного УУ применялся миниатюрный одноплатный компьютер Raspberry Pi 2В (1 ГГц, 1 Гб ОЗУ) с модулем расширения Gertboard для подключения всех узлов, входящих в УС.When describing the method, the term is applied - the reserve of computing power UU. Under the computing power UU (device performance) refers to the quantitative characteristic of the speed of computing operations of the CPU. First of all, it is based on calculating the amount of resources used in the control unit (buffers and CPU frequencies and RAM volume) per subsystem. The calculation of resource consumption is carried out by sequential testing of all subsystems, in which the remaining nodes of the DC are not used. If each of the subsystems is capable of using all available resources of the control unit in the normal operation mode, the program procedure for balancing the computing power is launched. It is performed by equal sharing of available UE resources between all nodes. The value of UU productivity is usually evaluated in Gigaflops (GELOPS). In FIG. 3, for all CIs, an index is specified, where P is the basic value of the performance of the main control device. The values of the coefficients before the index for the rest of the UEs show the available (in the number of times) performance margin. A miniature single-board Raspberry Pi 2V computer (1 GHz, 1 GB RAM) with a Gertboard expansion module for connecting all nodes included in the USB was used as the main control unit.

Программное обеспечение, загруженное в локальную сеть позволяет выполнять процедуры балансировки вычислительной мощности, в том числе между основными УУ, а в случае резкого роста потребления ресурсов - выделить отдельные задачи на каждое УУ. При нестационарном протекании УС основные УУ не отключаются, а перенастраиваются внешним УУ для дальнейшего выполнения основных функций работы базового протокола управления (в который также вносятся коррективы). Таким образом, резервный канал управления служит для отладки УС для дальнейшей калибровки основных УУ, предотвращая остановку работы УС в случае нестационарного протекания реакций.The software downloaded to the local network allows balancing the processing power, including between the main control centers, and in case of a sharp increase in resource consumption, separate tasks for each control center. In the unsteady flow of the control system, the main control centers are not switched off, but are reconfigured by an external control system for the further fulfillment of the basic functions of the basic control protocol (which also includes adjustments). Thus, the backup control channel serves for debugging the control unit for further calibration of the main control units, preventing the control unit from stopping in case of unsteady reactions.

На фиг. 4 представлены варианты применения резервного канала управления для двух вариантов ситуаций: возникновение нестационарной ситуации в ТП при запуске основных УУ (1 вариант); калибровки основных УУ при первоначальном запуске УС по резервному каналу управления (2 вариант). Использование внешнего УУ или локально объединенных устройств позволяет реализовать функции удаленного управления УС, в том числе облачных вычислений и защищенных сетевых каналов передачи данных, а также предотвращает выход из строя одного из внешних УУ. Блок-схема алгоритма управления технической системой с внешним воздействием представлена на фиг. 5.In FIG. Figure 4 shows the options for using the backup control channel for two situations: the occurrence of an unsteady situation in the TP when starting the main UI (1 option); calibration of the main control units at the initial start-up of the control unit via the backup control channel (option 2). Using an external management system or locally connected devices allows you to implement the remote control functions of the control system, including cloud computing and secure network data channels, and also prevents the failure of one of the external control centers. The block diagram of the control algorithm of a technical system with external influence is presented in FIG. 5.

Проведены натурные испытания работы УС с учетом внесенных технических изменений, соответствующих реализации предложенного способа.Full-scale tests of the operation of the CSS were carried out taking into account the introduced technical changes corresponding to the implementation of the proposed method.

Проведена проверка работоспособности алгоритма функционирования СУ в режиме ввода новых факторов воздействия на УС. Накопленные данные позволили построить графики фиг. 6, в которых отражены особенности работы УС для различных ситуаций протекания УС.A check was made of the operability of the SU functioning algorithm in the mode of introducing new factors of influence on the CSS. The accumulated data made it possible to construct graphs of FIG. 6, which reflects the features of the CSS for various situations of the flow of CSS.

Графическое представление результатов испытаний технической системы: 1 - запуск УС с ранее изученным УС; 2 - запуск УС с не исследованным ТП; 3 - включение резервного канала при перегрузке УС в работе с не исследованным ТП; 4 - повторный запуск УС с учетом изменений в протоколе работы, внесенных после стадии 3; 5 - запуск УС с не исследованным ТП по резервному каналу с последующим переключение на работу основных УУ; 6 - запуск УС с не исследованным ТП по резервному каналу без использования основных УУ.A graphical representation of the test results of the technical system: 1 - launch of the CSS with the previously studied CSS; 2 - launch of a control unit with an unexplored TP; 3 - the inclusion of a backup channel when overloading the DC in work with not studied TP; 4 - re-launch of the CSS with the changes in the protocol of work made after stage 3; 5 - start-up of a DC with an unexplored TP along the backup channel with subsequent switching to the operation of the main CC; 6 - launch of the control unit with an unexplored TP along the backup channel without using the main control units.

Испытание каждого режима работы УС проводились в течение 12 - часового временного диапазона, включающего стадии: подготовки активных подсистем и узлов к работе, последовательного запуска всех подсистем и выхода на основной режим работы, наблюдению и оценки протекания технологического процесса. Каждый тип запуска выполнялся 20 раз, выборка ограниченна сложностью протекания УС и стоимостью используемых материалов. Испытания подтвердили работоспособность способа управления, отладки программных функций. Как видно из графика, в случае протекания ранее не воспроизводимого УС с нелинейно меняющимися параметрами среды (линия 2), СУ потребляет все доступные вычислительные ресурсы, приводя к перегрузке основных УУ. Использование резервного канала (линия 3) позволяет распределить вычислительную мощность между основными УУ и внешними УУ, либо же полностью перевести дальнейший процесс управления на внешнее устройство, которое может обладать лучшими техническими характеристиками. Изучение нового ТП позволяет подготовить СУ к повторному воспроизведению подобного процесс и внести коррективы в основной протокол работы и УУ (линия 4). Использование резервного канала в качестве основного (линия 5) позволяет проанализировать готовность основных УУ и базового протокола работы к активному ТП, ведется расчет параметров потребления вычислительных ресурсов. Если же запас мощности основного УУ недостаточен (линия 6), то дальнейшие запуски могут быть выполнены только по резервному каналу управления, где основные УУ выполняют лишь отдельные функции в рамках организации СУ.Testing of each operating mode of the DC was carried out over a 12-hour time range, including the stages of: preparing active subsystems and nodes for operation, sequentially launching all subsystems and entering the main operating mode, monitoring and evaluating the process flow. Each type of launch was carried out 20 times, the selection is limited by the complexity of the flow of CSS and the cost of the materials used. Tests have confirmed the efficiency of the control method, debugging software functions. As can be seen from the graph, in the case of a previously not reproduced CSS with non-linearly changing environmental parameters (line 2), the control system consumes all available computing resources, leading to an overload of the main control devices. Using a backup channel (line 3) allows you to distribute computing power between the main control units and external control units, or completely transfer the further control process to an external device, which may have the best technical characteristics. Studying the new TP allows you to prepare the control system for the repeated reproduction of such a process and make adjustments to the main protocol of work and the control system (line 4). Using the backup channel as the main one (line 5) allows us to analyze the readiness of the main UE and the basic protocol of work for an active TP, the calculation of the parameters of consumption of computing resources is being carried out. If the power reserve of the main control unit is insufficient (line 6), then further launches can be performed only through the backup control channel, where the main control unit performs only certain functions within the organization of the control system.

Результаты испытаний показали, что предложенный способ позволяет в среднем на 50% повысить срок службы УС, а также на 80% снизить число отказов УУ при высокой нагрузке ЦП.The test results showed that the proposed method allows on average to increase by 50% the service life of the CSS, as well as 80% to reduce the number of failures of the CC at high CPU load.

Таким образом, возможным решением по конструированию систем управления корабельных автоматизированных комплексов связи, с сохранением тенденции по миниатюризации и комплектности габаритов, может являться использование предлагаемого способа, имеющего достаточный уровень надежности и запас вычислительной мощности внешних УУ.Thus, a possible solution for the design of control systems for shipboard automated communication systems, while maintaining the trend towards miniaturization and completeness of dimensions, may be to use the proposed method, which has a sufficient level of reliability and a supply of computing power of external control devices.

Claims

The method of controlling the control system of the shipboard communications complex, designed to organize communication channels and ensure the passage of information through communication channels, based on the separation of functions and available resources between the main and backup control channels of the system and its processing connected to a common computer network, characterized in that During the control, changes are made to the code of the executed algorithm by the main control devices due to feedback from the backup channel, while using the resources control channel, thereby unloading the functions of the main control devices.