DESIGNING THE PROBLEM-ORIENTED INFRASTRUCTURE FOR SIMULATION MODELING OF SPACECRAFT ONBOARD EQUIPMENT
- Authors: Nozhenkova L.F.1, Isaeva O.S.1
-
Affiliations:
- Institute of Computational Modelling SB RAS
- Issue: Vol 18, No 3 (2017)
- Pages: 538-544
- Section: Articles
- URL: https://journals.eco-vector.com/2712-8970/article/view/503333
- ID: 503333
Cite item
Full Text
Abstract
The authors develop a subject-oriented environment of the spacecraft onboard equipment simulation modeling. This environment is basing on the Simulation Model Portability standard (SMP), which determines the technology for com- patibility and transferability of simulation models within big simulation projects of software-and-hardware complexes. There is a number of simulation infrastructures in the world space industry. They are used in big technical projects where it is important to integrate simulation models of different purpose, including those of different manufacturers, and to use them together. The support for the import-independence of Russian space developments should include the creation of domestic software products based on the standards of the European Space Agency. Such studies will make it possible to understand the principles of organization of complex projects and their integration into international research. We have designed a software architecture, proposed a division in software subsystems and described the main princi- ples of their interaction. Simulation infrastructure is aimed to support the work of the space systems’ onboard equip- ment designers. Its functions are determined by the basic tasks of the constructing: onboard equipment design support, generation and analysis of designer solutions at different stages of the space equipment production lifecycle. The architecture contains all the necessary components to provide transferability and workability of simulation models in the simulation modeling systems built on the basis of the SMP Standard. Our software extends the ap- proaches provided by the standard with the original methods of information-graphic and intellectual modeling. The authors have developed the methods and software of information-and-graphic modeling for visual building of the models, setting their structure and determining the links between their elements. To specify the methods of func- tioning of models, the authors suggest using condition-action rules. Our special instruments of knowledge base creation allow describing different variants of the modeled object behavior. The publication of the developed approaches and the software architecture opens up the possibilities of using SMP by other researchers in their own development, and also shows the main technological moments which are necessary to meet the requirements of the standard.
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 RAS50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation
References
- ECSS E-40-07. Simulation modelling platform. ESA Requirements and Standards Division ESTEC. Nether- lands, 2011. 49 p.
- SMP 2.0 Handbook, EGOS-SIM-GEN-TN-0099. Darmstadt, Germany, 2005. Iss. 1.2. 134 р.
- Cazenave C., Arrouy W. Implementing SMP2 Standard within SimTG Simulation Infrastructure // Simulation and EGSE for Space Programmes. 2012. 14 p.
- Simsat 3.0: Esoc’s New Simulation Infrastructure / J. Eggleston [et al.] // 6th International Symposium on Reducing the Costs of Spacecraft Ground Systems and Operations. 2005. 29 p.
- Fritzen P., Segneri D., Pignède M. SWARMSIM - The first fully SMP2 based Simulator for ESOC. The role of computational steering in space engineering activities assisted by modelling and simulation. São José dos Cam- pos : INPE, 2014. P. 217-221.
- Connecting MATLAB to the SMP2 Standard. Har- monizing new and traditional approaches for automatic model transfer / W. F. Lammen [et al.] ; Netherlands Aerospace Centre. ESTEC Noordwij, 2016. 20 p.
- Lammen W. F. MOSAIC 11.0: User Manual, NLR- CR 2015-524 / Netherlands Aerospace Centre. Amster- dam, 2016. 22 p.
- A training, operations and maintenance simulator made to serve the MERLIN mission / A. Strzepek [et al.] // 14th Intern. Conf. on Space Operations. 2016. P. 11. doi: 10.2514/6.2016-2410.
- Моделирование и анализ функционирования бортовой аппаратуры командно-измерительной сис- темы космического аппарата / О. С. Исаева [и др.] // Информатизация и связь. 2015. № 1. С. 58-64.
- Unified description of the onboard equipment model on the basis of the Simulation Model Portability standard / L. F. Nozhenkova [и др.] // Advances in Intel- ligent Systems Research. 2016. Vol. 133. P. 481-484. doi: 10.2991/aiie-16.2016.111.
- Integration technology of the onboard equipment simulation models in simulation modeling infrastructure / L. F. Nozhenkova [et al.] // Proceedings of the 2016 Intern. Conf. on Electrical Engineering and Automation (ICEEA2016). 2016. P. 618-622. doi: 10.12783/dtetr/ iceea2016/6728.
- Ноженкова Л. Ф., Исаева О. С., Грузенко Е. А. Проектирование и разработка программно-математи- ческой модели бортовой аппаратуры командно- измерительной системы космического аппарата // Вестник СибГАУ. 2014. Вып. 2(54). С. 114-119.
- Luger G. F. Artificial Intelligence: Structures and Strategies for Complex Problem Solving. 6th Ed. Boston : Pearson Education, 2009. 754 p.
- Исаева О. С., Грузенко Е. А. Эвристический метод построения модели функционирования командно- измерительной системы космического аппарата // Информационные и математические технологии в науке и управлении. 2016. № 4-2. С. 28-37.
- Ноженкова Л. Ф., Исаева О. С., Грузенко Е. А. Метод системного моделирования бортовой аппара- туры космического аппарата // Вычислительные технологии. 2015. Т. 20, № 3. C. 33-44.
- Компоненты унификации модели бортовой аппаратуры космического аппарата / Л. Ф. Ноженкова [и др.] // Современные наукоемкие технологии. 2016. № 11-2. С. 284-288.
- Simulation modelling platform - Volume 2a: Metamodel. ECSS E-40-07 // ESA Requirements and Standards Division ESTEC. Netherlands, 2011. 169 p.
Supplementary files
![](/img/style/loading.gif)