DESIGNING THE PROBLEM-ORIENTED INFRASTRUCTURE FOR SIMULATION MODELING OF SPACECRAFT ONBOARD EQUIPMENT

Full Text

Введение. Координация исследований в области космического приборостроения требует создания унифицированных технологий имитационного моде- лирования бортовой аппаратуры космических аппара- тов. Такие технологии должны основываться на при- менении международных стандартов, обеспечиваю- щих переносимость и интегрируемость имитацион- ных моделей бортовых устройств. В мировой практи- ке для этих целей успешно используется стандарт Европейского космического агентства Simulation Model Portability (SMP2) [1; 2]. Для крупных имита- ционных проектов сложных программно-технических комплексов мировые лидеры космической отрасли развивают собственные инфраструктуры имитацион- ного моделирования, основанные на SMP2. Инфра- структура имитационного моделирования представ- ляет собой инструментальную среду, позволяющую создавать и интегрировать имитационные модели технических устройств. Стандарт SMP2 задает уни- версальные подходы к организации систем моделиро- вания, обеспечению совместимости и переносимости имитационных моделей между различными имитаци- онными окружениями. Однако за рамками стандарта остаются технологические аспекты построения инфраструктур. В то время как за рубежом ведутся интенсивные исследования в этом направлении, в нашей стране наблюдается значительное отставание. Научная значимость проведенного авторами исследо- вания состоит в том, что полученные результаты позволяют существенно восполнить этот пробел. Разработанная технология построения архитектуры инфраструктуры имитационного моделирования, с одной стороны, удовлетворяет требованиям унифи- кации, изложенным в стандарте SMP2, с другой сто- роны, расширяет возможности построения моделей за счет средств информационно-графического и интел- лектуального моделирования. К наиболее известным в мире инфраструктурам имитационного моделирования относятся SimTG - Astrium Satellites [3], SimSAT - European Space Agency [4], симулятор Европейского центра управле- ния полетами SWARMSIM [5]. Инфраструктуры ими- тационного моделирования используются в крупных технических проектах, для которых существенную роль играет возможность интеграции и совместного использования имитационных моделей различного назначения. Применение стандарта SMP2 открывает широкие возможности для построения и использова- ния сложных, многокомпонентных имитационных моделей [6; 7]. Интересный пример использования стандарта SMP был реализован в крупном научно- исследовательском проекте MERLIN [8], заключаю- щемся в разработке спутников дистанционного зондирования для мониторинга парникового газа. Уникальность проекта заключается в интеграции имитационных моделей, разрабатываемых исследова- телями на четырех различных SMP-платформах ими- тационного моделирования. Применение SMP позволи- ло объединить имитационные модели от Airbus, CNES и Thales Alenia Space, выполнив стандартизацию всех компонентов пространственной системы, сделать их более надежными, снизить затраты и оптимизировать график разработки. Положительный опыт мировых исследований пока- зывает актуальность развития технологий имитацион- ного моделирования на основе стандарта SMP2. Для поддержки импортонезависимости российских кос- мических разработок требуется проводить всесторон- ние исследования, направленные на создание отечест- венных технологий и инструментальных сред, поддерживающих методы переносимости и интегри- руемости моделей. Такие исследования позволят раз- вивать принципы организации комплексных космиче- ских проектов и их интеграцию в международные исследования. В статье предложена технология создания ориги- нальной инфраструктуры имитационного моделиро- вания, позволяющей выполнять имитационное моде- лирование функционирования бортовой аппаратуры космического аппарата [9]. Стандарт задает общие принципы описания интерфейсов моделей и регла- ментирует функциональность программных модулей, составляющих ядро инфраструктуры моделирования, однако он оставляет нерешенным ряд вопросов построения, моделирования, обеспечения интеграции и взаимодействия моделей, которые решаются разра- ботчиками программных систем самостоятельно. Предложены технологические принципы реализации заложенных в SMP2 архитектурных требований к ин- струментальной среде, дополненные оригинальными элементами информационно-графического и интел- лектуального моделирования [10]. Собственные тех- нологические подходы [11; 12] позволили авторам обеспечить возможность использования моделей в различных проектах и на различных имитаторах с учетом специфики задач моделирования бортовых систем космических аппаратов. Предложенная архи- тектура инфраструктуры имитационного моделирова- ния содержит совокупность важнейших решений по организации программной среды, определяет выбор структурных элементов, способных обеспечить по- строение, функционирование и интеграцию моделей технических устройств. Технология построения ин- фраструктуры содержит расширение унифицирован- ных подходов к представлению SMP2-моделей сред- ствами построения и использования семантических конструкций предметной области и баз знаний, опи- сывающих логику работы моделей. Предложенная технология позволяет создать проблемно-ориентиро- ванную среду, предоставляющую удобные инструменты информационно-графического и интеллектуального моделирования и в то же время поддерживающую совместимость имитационных моделей и их перено- симость между различными инфраструктурами. Назначение и функции инфраструктуры имита- ционного моделирования. Инфраструктура имитацион- ного моделирования предназначена для поддержки работы конструкторов бортовой аппаратуры космиче- ских систем. Ее функции определяются основными задачами конструирования: поддержка проектирова- ния бортовой аппаратуры, формирование и анализ конструкторских решений на различных этапах жиз- ненного цикла производства космической техники. Программные инструменты, необходимые для реше- ния этих задач, должны быть предметно ориентиро- ваны, визуальны и удобны для работы специалистов предметной области без применения специальных навыков программирования. Конструктор бортовой аппаратуры должен иметь возможность строить модели функционирования космических систем, при- меняя готовые модели оборудования различных про- изводителей или создавая собственные, выполнять интеграцию и задание методов взаимодействия моделей, подготавливать сценарии, проводить имитационные эксперименты, выполнять анализ и просматривать результаты моделирования. Для наглядного построения моделей, задания их структуры и определения связей между элементами авторы разработали методы и программное обеспече- ние информационно-графического моделирования. Инструменты позволяют конструктору оперировать привычными семантическими конструкциями для построения моделей функционирования бортовой аппаратуры. Методы функционирования моделей задаются в виде правил (condition-action rules) [13]. Специализированные инструменты формирования баз знаний [14], разработанные авторами, позволяют опи- сать различные варианты поведения моделируемых объектов. Разработанные оригинальные инструменты прошли апробацию и позволили построить модели функционирования бортовой аппаратуры командно- измерительной системы космического аппарата [15]. Внедрение их в инфраструктуру имитационного моделирования расширит возможности построения моделей и обеспечит их переносимость и интегри- руемость в комплексные решения. Инфраструктура должна содержать как программные компоненты, спецификации, имитационные модели и результаты экспериментов, так и базы знаний, консолидирующие знания и опыт экспертов по созданию бортовой аппа- ратуры космических систем. Для реализации технологии построения комплексной модели бортовой аппаратуры требуется выполнить проектирование комплексной модели, реализацию моделей на основе правил, импорт готовых SMP- моделей сторонних производителей, интеграцию моделей в комплексную модель, подготовку к прове- дению моделирования, проведение имитационных экспериментов, анализ и визуализацию результатов моделирования (рис. 1). Выделение функциональных задач технологии по- строения комплексной модели бортовой аппаратуры позволило определить основные программные моду- ли, необходимые для их решения: инструменты информационно-графического моделирования, подсис- тема интеграции, редактор правил, редактор модели и редактор сценариев, имитационное ядро, включающее подсистемы управления временем, менеджер собы- тий, подсистема логирования, механизмы имитацион- ного моделирования анализа и выполнения правил, обозреватель результатов. Каждая из указанных подсистем представляет собой специализированный инструмент, предоставляющий расширенные возмож- ности для решения задач. Высокий уровень проблем- ной ориентации обеспечивается за счет инструментов графического моделирования и редактора правил. Проблемная ориентация упростит использование готового программного обеспечения и построенных моделей конструкторами бортовой аппаратуры. Реа- лизация отдельных программных подсистем в виде единого решения представляет сквозную технологию моделирования и анализа функционирования борто- вой аппаратуры космического аппарата. Архитектура инфраструктуры моделирования бортовой аппаратуры. Разработана архитектура программного обеспечения, предназначенного для имитационного моделирования бортовой аппаратуры космического аппарата (рис. 2). Требования к функ- ционалу и дизайну определены, исходя из назначения системы, особенностей объекта моделирования и ква- лификации специалистов проблемной области. Опре- делены программные подсистемы, необходимые для построения моделей, их интеграции и проведения имитационных экспериментов. Ядро имитационного моделирования обеспечивает как функциональность, заложенную в стандарте SMP2, так и оригинальные программные инструменты. Центральным элементом инфраструктуры имита- ционного моделирования является банк моделей и сценариев. Он обеспечивает единое информацион- ное пространство для построения и использования моделей, целостность и контроль версий и служит инструментом коллективной разработки крупных моделей сложных технических объектов. Для поддержки централизованной работы с бан- ком моделей программное обеспечение инфраструк- туры имитационного моделирования разделено на серверную и клиентскую части. Серверная часть инфраструктуры обеспечивает доступ к централизованному хранилищу данных: бан- ку моделей, сценариев и результатов имитационных экспериментов. В состав серверной части входят под- системы доступа к данным и логирования, которые обеспечивают взаимодействие с базой данных и фай- ловым хранилищем. Механизмы контроля версий и синхронизации позволят конструкторам бортовой аппаратуры на рабочих местах дорабатывать и допол- нять имитационные модели. Это особенно актуально в масштабах большого предприятия, где разработкой отдельных подсистем и их моделей занимаются раз- личные структурные подразделения. Клиентская часть программного обеспечения предназначена для функционирования на рабочих местах конструкторов бортовой аппаратуры. Она позволяет конструктору решать все возникающие при моделировании задачи. Конструктор может использо- вать редактор моделей, подсистему построения пра- вил и подсистему интеграции моделей в стандарте SMP2. Рис. 1. Технология построения комплексной модели бортовой аппаратуры Fig. 1. Technology of building a complex model of on-board equipment Рис. 2. Архитектура программного обеспечения инфраструктуры Fig. 2. Architecture of software infrastructure Ядро инфраструктуры имитационного моделиро- вания содержит все необходимые модули, заданные в стандарте SMP2. На рис. 2 наименования модулей приведены в соответствии со стандартом: Time Keeper, Scheduler, Logger, Event Manager, Link Registry, Resolver. Time Keeper (хронометр) управляет временем моделирования. Этот модуль поддерживает абсолютное и проектное время моделирования. Все модели синхронизируются и выполняются, запрашивая время и изменяя время. Наличие хронометра позволяет обеспечивать различные режимы моделирования: режим реального времени, ускоренный, максимально быстрый, пошаговый. Scheduler (планировщик) управляет выполнением событий, запускает входные точки модели, добавляет или удаляет события, кон- тролирует счетчик повторений и время между повто- рениями для событий. Logger (модуль протоколиро- вания) обеспечивает отправку сообщений в имитаци- онный протокол для всех объектов в имитаторе. Event Manager (менеджер событий) обеспечивает глобаль- ный механизм уведомлений в соответствии с входны- ми точками, связанными с глобальными событиями. Link Registry (регистрирование связей) поддерживает список связей между компонентами, возвращает коллекцию всех компонентов, которые имеют связь с целевым компонентом. Модуль регистрирования связей используется для удаления объектов из моде- ли. Resolver поддерживает ссылки на компоненты по имени либо по полному или относительному пути. Редактор моделей включает подсистему информа- ционно-графического моделирования и редактор пра- вил. Редактор предоставляет инструменты графиче- ского моделирования для визуального отображения структуры моделируемой системы, моделей подсис- тем и связей между ними. В редактор моделей входит подсистема построения сборки, являющаяся обязатель- ной в стандарте SMP2. Подсистема сборки позволяет создавать комплексные модели, определяя основные и резервные реализации моделей оборудования, вхо- дов, выходов и связей между моделями. Дополни- тельно в нашей реализации подсистема сборки обес- печивает интеграцию моделей в формате SMP2 с мо- делями, основанными на правилах [16]. Подсистема построения правил содержит инструменты для описа- ния поведения элементов модели и их реакций на входные воздействия. Подсистема правил пред- ставляет собой интеллектуальный конструктор, кото- рый предлагает пользователю выбирать допустимые действия или операции в зависимости от структуры и элементов правила. Наличие в инфраструктуре графического редакто- ра моделей и подсистемы правил выгодно отличает разрабатываемую инфраструктуру от существующих. Графические и интеллектуальные инструменты позволяют инженеру-конструктору строить модели космических систем, оперируя терминами и понятиями предметной области, обеспечивают удобство работы и минимизируют возможность ошибки. Такой подход способствует формированию и накоплению знаний о методах функционирования бортовой аппаратуры космических систем. В стандарте SMP2 модель описывается на языке Simulation Model Definition Language (SMDL) [17]. Это формальный язык представления моделей, который понимается всеми инфраструктурами имитационного моделирования. В нашей инфраструктуре подсистема интеграции выполняет автоматическую интерпрета- цию моделей в SMDL-описании, дополняя ее струк- турами и механизмами, поддерживаемыми в инфра- структуре имитационного моделирования. При экс- порте модели подсистема формирует выходные фай- лы, включающие метамодель, библиотеки моделиро- вания, конфигурационные файлы. В отличие от суще- ствующих инфраструктур, для импорта и экспорта моделей в формат SMP2 пользователю не потребуется знание не только специализированного языка модели- рования SMDL, но и дополнительных навыков про- граммирования. Подсистема включает в себя инстру- менты, позволяющие через графический интерфейс настраивать параметры импорта и экспорта моделей. Для подготовки имитационных экспериментов предназначена подсистема построения сценариев. Эксперименты могут отражать различные условия работы моделируемой системы. Для каждой модели может быть построено произвольное число сценариев имитационного моделирования. В инфраструктуре поддерживается принцип отделения знаний о методах функционирования моделей от их использования. Реализуется данный принцип как на уровне методов логического вывода в базах знаний, так и на уровне формирования и выполнения сценариев моделирова- ния. Модель и построенные для ее испытаний сцена- рии могут редактироваться независимо. Поддержива- ется версионность моделей и сценариев. Система кон- троля версий отслеживает совместимость моделей, используемых в сценарии, и при существенном изме- нении сохраняет актуальные варианты моделей. Такой подход расширяет возможности проведения имитационных экспериментов и предоставляет гибкие механизмы отладки моделей. Ядро программного обеспечение спроектировано так, что позволяет выполнять модели на основе стан- дарта SMP, а также модели, построенные на основе базы правил. Ядро имитационного моделирования позволяет управлять скоростью и ходом проведения имитационных экспериментов. В его задачи входят сбор информации о функционировании модели в про- цессе выполнения имитационного эксперимента, контроль очередности передачи сообщений между блоками модели и изменения их внутреннего состоя- ния. Заложенные в функции ядра механизмы следят за изменением всех параметров модели и сохраняют их на сервере. Сохраненные данные позволяют выполнять ретроспективный анализ имитационных экспериментов. Реализация описанных в архитектуре программного обеспечения функциональных подсистем в инфра- структуре имитационного моделирования позволит создавать, переносить, интегрировать и совместно использовать имитационные модели различного назначения, в том числе разных производителей. Заключение. Предложена технология построения инфраструктуры имитационного моделирования, по- зволяющая создавать инструментальные средства для построения, выполнения и интеграции имитационных моделей функционирования бортовой аппаратуры космических аппаратов. Технология задает общие принципы создания имитационных инфраструктур на основе стандарта SMP2 и может быть использована для различных научных проектов. Разработана архитектура инфраструктуры имита- ционного моделирования бортовой аппаратуры кос- мического аппарата, которая содержит компоненты для обеспечения интегрируемости и переносимости имитационных моделей между системами имитаци- онного моделирования. Дополнение унифицирован- ных моделей базами знаний и семантическими конст- рукциями предметной области обеспечивает форми- рование, сохранение и тиражирование уникального опыта и знаний специалистов-конструкторов борто- вой аппаратуры космических систем. Построенная на основе предложенной технологии предметно-ориентированная инфраструктура способ- на поддерживать совместимость и переносимость имитационных моделей между различными инфра- структурами, предоставляя удобные инструменты информационно-графического и интеллектуального моделирования. Применение инфраструктуры имита- ционного моделирования обеспечит возможность создания моделей бортовых систем космических аппаратов, разработки сценариев моделирования, проведения имитационных экспериментов и анализа их результатов.

About the authors

L. F. Nozhenkova

Institute of Computational Modelling SB RAS

Email: expert@icm.krasn.ru
50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation

O. S. Isaeva

Institute of Computational Modelling SB RAS

50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation

References

Supplementary files