Анотація до роботи:

Ушаков А. О. Моделі, методи та програмно-технічні засоби створення відмовостійких цифрових систем керування з програмованою логікою. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.03 «Системи і процеси керування». – Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «Харківський авіаційний інститут», Харків, 2005.

Дисертацію присвячено розробці моделей, методів та програмно-технічних засобів створення відмовостійких цифрових систем керування з програмованою логікою (ЦСКПЛ).

Науковими результатами є: аналітичні залежності для розрахунку ймовірності збереження працездатності ЦСКПЛ, які дозволяють оцінити різні резервовані структури з функціональними областями фіксованої конфігурації; імітаційна модель відмовостійких ЦСКПЛ, яка дозволяє оцінити різні резервовані структури з випадковою конфігурацією відмови; структурно-просторова модель відмовостійких ЦСКПЛ, яка дозволяє пов'язати фізичний рівень уявлення з логічним; метод адаптації ЦСКПЛ до відмов, який дозволяє за допомогою зміни резервованої структури і конфігурації отримати структуру з найкращим рівнем відмовостійкості; метод розробки ЦСКПЛ, який дозволяє за допомогою процедур вибору варіанта елементної бази, рівня резервування, і типу адаптації, на основі інформації про відмови і обмеження на структуру створити систему, що відповідає вимогам до відмовостійкості.

Запропоновані моделі, методи та інструментальні засоби дозволяють забезпечити необхідний рівень відмовостійкості системи, а також скоротити часові та вартісні витрати на створення ЦСКПЛ за рахунок наявності типових варіантів архітектур програмованої логіки та відсутності необхідності додаткового фізичного моделювання відмов, і забезпечити зниження частки ручних операцій у процесі їхнього створення й оцінки.

Задача забезпечення необхідного рівня надійності цифрових систем керування летальних комплексів, що функціонують в умовах впливу агресивного середовища, може бути вирішена різними методами ослаблення відмов. По-перше, це вибір високонадійної елементної бази та використання екранів. По-друге, це активні методики, засновані на можливості системи змінювати структуру для збереження працездатності. Адаптивність є однією з найпривабливіших властивостей, що притаманні реконфігурованим розподіленим системам за рахунок надмірності логічних і трасировочних ресурсів. Такі системи забезпечують можливість багатопараметричної структурно-просторової адаптації, що потребує розробки відповідних методів моделювання. З метою вибору доцільних параметрів адаптації існуючі методи розробки і відповідні системи підтримки прийняття рішень мають бути доповнені процедурами вибору варіантів за рівнем надійності, вартістю, масовими, енергетичними та іншими експлуатаційними характеристиками. У зв’язку з цим у дисертації наведено теоретичне обґрунтування та нове рішення актуальної наукової задачі розробки методів і програмно-технічних засобів моделювання й створення відмовостіких ЦСКПЛ, що забезпечують динамічну реконфігурацію при кратних відмовах їх елементів.

1. У дисертації отримано аналітичні залежності для розрахунку ймовірності збереження працездатності ЦСКПЛ, що базуються, на відміну від відомих, на аналізі взаємного просторового розташування функціональних областей і елементів, що відмовили, та дозволяють оцінити стійкість системи до відмов різної конфігурації.

2. Розроблено імітаційну модель відмовостійких ЦСКПЛ, засновану, на відміну від відомих, на операціях задання просторово-часових параметрів кратних кластерних відмов і резервування структур, що дає можливість підвищити точність оцінки надійності систем, які функціонують в умовах агресивного середовища.

3. Розроблено структурно-просторову модель відмовостійких ЦСКПЛ, що базується на її описі з урахуванням геометричної конфігурації, реального розміщення функціональних областей і фізико-логічному уявленні відмов елементів та дозволяє максимально використовувати ресурси СОК для забезпечення стійкості системи до кратних кластерних відмов.

4. Запропоновано метод адаптації ЦСКПЛ до відмов, який базується на оперативному виборі й імплементації структури з найкращим показником імовірності збереження працездатності при заданих геометрії функціональних областей і законі їх конфігурування, що дозволяє підвищити стійкість системи до кратних кластерних відмов.

5. Розвинуто метод розробки ЦСКПЛ, що базується на операціях двоетапного вибору функціонально-надійністних структур СОК і дозволяє створювати системи із заданим рівнем відмовостійкості та обмеженнями на габаритно-масові й енергетичні показники.

6. Запропоновані моделі, методи й програмно-технічні засоби, що базуються на структурно-просторовому представленні ЦСКПЛ, формалізованих процедурах аналізу і вибору варіантів та прийняття рішень про їх створення, розвивають науково-методичні основи аналізу і розробки відмовостійких систем керування з програмованою логікою.

7. Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що на основі проведених досліджень і запропонованих методів розроблено:

розрахункові формули оцінки відмовостійкості ЦСКПЛ для різних типів кратних кластерних відмов;

методики та програмно-технічні засоби оцінки стійкості ЦСКПЛ до кратних кластерних відмов;

програмно-технічні засоби створення відмовостійких архітектур ЦСКПЛ і підтримки прийняття рішення про їх вибір з урахуванням вимог до надійності й обмежень на габаритно-масові характеристики.

1. Результати роботи дали можливість підвищити адекватність моделювання ЦСКПЛ при кратних відмовах, відмовостійкість систем та скоротити час і витрати на їх створення:

концептуальної структурно-просторової моделі представлення систем і кратних кластерних відмов, що враховують внутрішню структуру і просторові параметри програмованої логіки;

методик і програмно-технічних засобів підтримки процесу моделювання, оцінки та вибору одноканальних і резервованих структур систем з урахуванням умов експлуатації та вимог до них.

9. З урахуванням результатів впровадження наукових положень і висновків при розробці цифрових систем керування авіаційної техніки та процесами гідрометалургійного виробництва, можна говорити про 15…35–відсоткове підвищення відмовостійкості системи для відмов різної кратності.

10. Запропоновані методи і програмно-технічні засоби дозволяють автоматизувати процес прийняття рішення про доцільну реалізацію, структуру і конфігурацію ЦСКПЛ з урахуванням можливих обмежень на часові й матеріальні ресурси.

11. Достовірність нових наукових положень і висновків дисертаційної роботи підтверджується:

результатами їх практичного впровадження в програмно-технічних засобах створення відмовостійких ЦСКПЛ авіаційних систем;

результатами практичного використання моделей і методів при розробці варіантів побудови відмовостійкої системи регулювання температури повітря за первинним теплообмінником літака Ан-70 і автоматизованої системи керування технологічними процесами гідрометалургійного виробництва;

збігом результатів оцінки стійкості ЦСКПЛ до кратних кластерних відмов з використанням розроблених аналітичних й імітаційних моделей.

12. Подальші дослідження доцільно проводити в напрямках розробки моделей і методів:

• оцінювання цифрових систем керування, реалізованих на розширеній множині розподілених реконфігуруємих архітектур з різною розрядністю обчислювача;

• оцінювання цифрових систем керування при різних класах дефектів проектування, що породжують закономірні кластерні відмови;

• резервування цифрових систем керування із програмованою логікою, що реалізують принцип діверсності та забезпечують стійкість до проектних дефектів;

• вибору щільності упакування проекту ЦСКПЛ в кристалі при гарантованому рівні надійності й обмеженнях щодо реконфігурації.

Публікації автора:

1. Методика моделирования и выбора отказоустойчивых структур встроенных систем управления на программируемых логических интегральных схемах / А. А. Ушаков, В. С. Харченко, В. В. Тарасенко, И. А. Фурман // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства «Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України». – 2001. – № 6. – С. 30–34.

2. Ушаков А. О., Харченко В. С. Моделювання ПЛІС-проектів бортових систем з урахуванням факторів радіаційного середовища // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства «Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України». – 2002. – № 10. – С. 401–405.

3. Ushakov A. A. The Analysis of Realization Variants of a Built-in Control System on Microcontrollers LSIC and PLDs // Вестник НТУ «ХПИ». – 2002. – №8. – С. 62–65.

4. Ushakov A. A., Kharchenko V. S. Fault-tolerant on-board PLD-systems: a space-structural simulation and methods of adaptation // Radioelectronics & informatics. Proceedings of East-West Design & Test Conference (EWDTC-2003). – Yalta, Alushta, Crimea, Ukraine. – 2003. – № 3. – P. 100–106.

5. Якимец Н. В., Ушаков А. А. Анализ типов отказов и разработка настраиваемого генератора отказов ПЛИС // Вестник НТУ «ХПИ». – 2003. – №6. – C. 149–152.

6. Ушаков А. А., Харченко В. С. Исследование встроенных систем управления с программируемой логикой и структурно-пространственной адаптации с использованием имитационных моделей // Системы обработки информации. – Х.: ХВУ. – 2004. – Вып. 4. – С. 201–206.

7. Ушаков А. А. Метод выбора отказоустойчивых архитектур встроенных систем управления с программируемой логикой // Вісник Технологічного університету Поділля. – 2004. – № 2, Ч. 1, Т. 2. – С. 150–154.

8. Ушаков А. А., Харченко В. С. Имитационное моделирование отказоустойчивых бортовых систем управления с программируемой логикой с учетом факторов среды // Авиационно-космическая техника и технология. Харьков, Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т». – 2004. – № 4. – С. 74–89.

9. Ushakov A. A., Kharchenko V. S., Tarasenko V. V. Fault-tolerant embedded PLD-systems: structures, simulation, design technologies // Proceedings of the 10^th International Conference “Mixed design of integrated circuits and systems” (MIXDES-2003). – Lodz, Poland. – 2003. – P. 546–551.

10. Ushakov A. A., Kharchenko V. S. Methods of Modeling and Error-Tolerant Design of Dependable Embedded SOPC/FPGA-Decisions by Use of Multiversion Technology // Proceedings of East-West Design and Test Workshop (EWDTW’04). – Yalta, Alushta, Crimea, Ukraine. – 2004. – P. 172–178.

11. Тарасенко В. В., Ушаков А. А., Харченко В. С. Методика и система моделирования и выбора резервированных структур отказоустойчивых цифровых устройств на программируемых логических интегральных схемах // Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. – 2001. – № 4. – С. 120.

12. Ушаков А. А., Харченко В. С. Принципы построения системы имитационного моделирования отказоустойчивых структур на программируемых логических интегральных схемах // Тр. IV Междунар. конф. «Современные информационные и электронные технологии». – Одесса. – 2003. – С. 167.

13. Волковая А. В., Ушаков А. А. Разработка программно-аппаратного комплекса моделирования отказоустойчивых устройств на ПЛИС // Материалы Междунар. науч.-техн. конф. «Интегрированные компьютерные технологии в машиностроении». – Харьков, Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т». – 2003. – С. 196.

14. Якимец Н. В., Ушаков А. А. Разработка методики и инструментальных средств программного моделирования отказоустойчивых устройств на ПЛИС // Материалы Междунар. науч.-техн. конф. «Интегрированные компьютерные технологии в машиностроении». – Харьков, Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т». – 2003. – С. 237.

15. Харченко В. С., Тарасенко В. В., Ушаков А. А. Отказоустойчивые встроенные цифровые системы на программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС): Учеб. пособие. – Х.: Нац. аэрокосм. ун-т «Харьк. авиац. ин-т», 2004. – 210 с.

16. Свідоцтво № 10393 про реєстрацію авторського права на комп’ютерну програму «Настраиваемый генератор кластерных отказов логических ячеек программируемых логических интегральных схем»/ Ушаков А. О., Якимець Н. В. Видано Держ. департаментом інтелектуальної власності 24.06.2004.

17. Свідоцтво № 11145 про реєстрацію авторського права на комп’ютерну програму «Инструментальное средство поддержки имитационного моделирования устойчивости цифровых устройств на программируемых логических интегральных схемах к отказам различных конфигураций»/ Ушаков А. О., Якимець Н. В. Видано Держ. департаментом інтелектуальної власності 23.09.2004.