Разработка и применение банка данных КАМАК для построения систем автоматизации физических экспериментов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

Г Л А В А I. АВТОМАТИЗАЦИЯ НАУЧНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА ОСНОВЕ

ПРОГРАММИРУЕМЫХ МОДУЛЬНЫХ СТРУКТУР. II

1.1. Автоматизация научных экспериментов как объект исследования. II

1.2. Анализ исследований, проводимых общефизическими методами.*.

1.3. Программируемые модульные структуры и стандартные интерфейсы.

1.4. Выбор стандартного интерфейса для автоматизации большого числа экспериментов

1.5. Экономическая эффективность использования стандартных интерфейсов.

Выводы.

Г Л А В А 2. МЕТОДИКА СОЗДАНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ

ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА БАЗЕ АППАРАТУРЫ КАМАК

2.1. Процесс создания АСНИ.

2.2. Анализ преемственности разработок

2.3. Базовый набор модулей КАМАК.

2.4. Библиотека модулей КАМАК.

2.5. Необходимость информационной модели технических средств КАМАК для автоматизации экспериментов определенного класса.

2.6. Классификация технических средств КАМАК.

Выводы.

Г Л А В А 3. БАНК ДАННЫХ КАМАК КАК ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ОПРЕДЕЛЕННОГО КЛАССА.

3.1 • Назначение банка данных КАМАК.

3.2. Математическая модель банка данных КАМАК.

3.3. Информационное обеспечение

3.4. Технические и программные средства.

3.5. Структура банка данных КАМАК.

3.6. Концептуальная модель банка данных КАМАК.

Выводы.

Г Л А В А 4. ПРИМЕНЕНИЕ БАНКА ДАННЫХ КАМАК ДЛЯ

АВТОМАТИЗАЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ. SO

4.1. Выходная информация. SO

4.2. Идентификация объектов по заданным значениям характеристик.

4.3. Алгоритм определения базового набора и состава библиотеки модулей КАМАК.

4.4. Примеры определения базового набора модулей КАМАК

4.5. Получение информации структурными методами обработки эмпирических данных.

4.6. Организация сбора данных

Выводы.

Создание и применение автоматизированных систем в различных областях науки и народного хозяйства является важнейшим фактором ускорения научно-технического прогресса. Б решениях 26-го съезда КПСС отмечается, что необходимо "расширять автоматизацию проектно-конструкторских и научно-исследовательских работ с применением электронно-вычислительной техники" . "широко применять при создании новых машин, оборудования и приборов модульный принцип с использованием унифицированных узлов и агрегатов" .

Одним из важных направлений создания и применения автоматизированных систем является автоматизация научных экспериментов. Б настоящее время практически во всех областях естественных наук для получения новых научных результатов необходимо применение систем автоматизации экспериментов, и эти области непрерывно расширяются. Первые системы автоматизации начали применяться в области экспериментальной ядерной физики, однако в настоящее время системы автоматизации экспериментов стали создаваться для проведения исследований в области общей физики /спектроскопия, кристаллография, физика плазмы, астрофизика, физика атмосферы и т.д./, а также в других областях, где применяются общефизические методы исследований, например, биофизика, геофизика, физико-хи-мия, кибернетика /испытания сложных технических систем/.

При создании систем автоматизации экспериментов важнейшей проблемой выступает т.н. проблема интерфейса - комплекс вопросов, связанных с выбором типа технических средств для сопряжения ЭВМ с экспериментальными установками, определением набора функциональных устройств, необходимых для автоматизации экспериментов определенного класса /или классов/, организацией разpar боток соответствующих устройств, промышленного производства этих устройств, методики их применения и др. Одним из главных требований, предъявляемых к интерфейсу, является сокращение сроков создания и модернизации систем автоматизации. Это требование следует из эволюционного характера научных экспериментов, и удовлетворение этого требования возможно за счет применения стандартных интерфейсов , построенных по модульному принципу. Из всех стандартов на аппаратуру сопряжения экспериментальных установок с ЭВМ в Академии наук СССР и ряде других ведомств в нашей стране с середины 70-х годов наиболее широкое применение получил хорошо известный международный интерфейс ;КАМАК. Основными причинами его выбора были наибольшая гибкость, быстродействие, широкие функциональные возможности и наибольшая распространенность по сравнению с аналогичными интерфейсами в системах автоматизации научных экспериментов в разных странах.

Основной функциональной единицей интерфейса КАМАК является модуль, поэтому в отношении применения интерфейса КАМАК Естает задача определения номенклатуры модулей, необходимых для создания систем автоматизации научных экспериментов определенного класса /или классов/, количества модулей, необходимых для построения систем автоматизации в масштабе организации или ведомства, и ряд других вопросов.

Б настоящее время в мире известно несколько тысяч наименований модулей КАМАК. Б СССР десятки организаций занимаются разработкой модулей КАМАК, в ряде ведомств организован их промышленный выпуск. Технические средства КАМАК приобретаются также за рубежом. Общий объем технических средств КАМАК, потребляемых ежегодно для создания систем автоматизации экспериментов составляет десятки миллионов рублей. Т.о. встает вопрос об эффективности разработок, изготовления и применения технических средств КАМАК. С точки зрения пользователя - ученого-экспериментатора /физика, химика, биолога и т.д./ идеальной представляется ситуация, когда при возникновении новой научной задачи, требующей автоматизации, необходимый набор модулей КАМАК может быть получен в кратчайшие сроки.

Очевидно, что важнейшим условием приближения к такой ситуации является возможность получения и обработки информации об имеющихся разработках, производстве, потребностях и применении технических средств КАМАК. Объем этой информации достаточно велик, т.к. каждый модуль описывается десятками информационных характеристик. Естественно, что проводить систематизацию и обработку информации в таких объемах невозможно без применения машинных методов, а именно, без создания автоматизированного банка данных и информационно-поисковой системы на основе этого банка. Обработка содержащихся в банке данных дает методическую основу для формирования фондов технических средств КАМАК /в масштабе института, Академии наук и других ведомств, межведомственных фондов, вплоть до международных/. Вопросы создания такого банка представляют сложную научно-техническую задачу. В первую очередь необходимо разработать требования к принципам построения, составу и функционированию этого банка.

Таким образом, целью настоящей диссертационной работы является разработка принципов построения и функционирования автоматизированного банка, содержащего необходимые и достаточные сведения для проведения новых разработок, организации производстве 1 применения технических средств КАМАК для повышения эффективности систем автоматизации экспериментов в первую очередь за счет сокращения сроков разработки и модернизации систем.

Для достижения этой цели было необходимо решить следующие задачи:

1. Обобщить опыт построения систем автоматизации экспериментов для создания основ методики построения систем с применением стандартных интерфейсов.

2. Разработать модель автоматизированного банка данных и выработать требования к принципам его построения и функционирования.

3. Выбрать технические и программные средства для реализации банка данных.

4. Разработать методику наполнения и поддержания банка данных.

5. Провести первоначальное наполнение банка данных и разработать методику обработки содержащихся в нем данных.

6. Провести апробацию разработанных принципов и созданного банка данных на определенном круге задач.

На защиту в диссертации выносятся следующие положения:

I. Задачи повышения эффективности систем автоматизации экспериментов, в первую очередь сокращение сроков их создания и модернизации, требуют создания автоматизированного банка данных о технических средствах КАМАК.

2. Применение автоматизированного банка данных позволяет:

- проводить статистически обоснованный анализ тенденций развития технических средств КАМАК;

- осуществлять прогноз развития технических средств КАМАК в целом и по отдельным классификационным подгруппам;

- прогнозировать количественную потребность в технических средствах КАМАК;

- давать рекомендации по составу и обновлению библиотеки модулей КАМАК в масштабе института.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Выводы.

1. Из ЕД КАМАК может быть получена любая неизбыточная информация, которая может быть представлена соответствующим набором данных, накопленных в Щ КАМАК.

2. Обработка накопленных в 1Щ КАМАК данных позволяет получать новую информацию, не представленную в Щ в явном виде. К такой информации относится, в частности, базовый набор модулей КАМАК.

3. Для каждой организации существует свой базовый набор модулей. Состав и количественные значения частот использования модулей для каждого базового набора обусловлены как типом проводимых в данной организации экспериментов, так и самыми разнообразными объективными причинами, например, установившимися традициями в организации автоматизированных экспериментов, технической оснащенностью организации, наличием и техническим уровнем производственной базы и т.д.

4. Накопленные в БД КАМАК данные хорошо поддаются структуризации, что позволяет эффективно использовать структурные методы анализа эмпирических данных для получения но вой информации.

5. Для обеспечения эффективного функционирования ВД КАМАК необходимо хорошо организовать работу в двух основных направлениях:

- сбор, обновление и коррекция данных, накопленных в в БД КАМАК;

- обеспечение информацией потребителей.

ЗАКЛЮЧЕНЙЕ

Обобщая результаты данной работы, можно сделать следующее заключение.

Цель работы состояла в разработке и применении банка данных КАМАК как информационной основы для построения систем автоматизации физических экспериментов.

Работа выполнена в соответствии с Целевой комплексной программой ПШТ ЦКП О.Ц. 027 "Создание и применение автоматизированных систем для научных исследований (АСНИ) и систем автоматизации производства (САПР) с применением стандартной аппаратуры КАМАК и измерительно-вычислительных комплексов".

В процессе выполнения работы решены следующие задачи и получены следующие результаты.

1. Обобщен опыт создания АСНИ в области радиофизики, физики твердого тела, физики плазмы в Институте радиотехники и электроники АН СССР.

2. Показано, что постоянное увеличение числа задач, для решения которых требуется проведение автоматизированного эксперимента, привело к массовой потребности в автоматизации общефизических экспериментов, и что для удовлетворения массовой потребности в автоматизации этих экспериментов необходимо существенное сокращение сроков создания АСНИ на основе применения принципиально новых методик.

3. Проведен анализ преемственности разработок при создании АСНИ общефизического профиля на базе стандартного интерфейса КАМАК. На основе анализа показано, что возможно создание базового набора модулей КАМАК, позволяющего компоновать интерфейсную часть АСНИ общефизического профиля из готовых технических средств, т.е. из средств, разработанных и изготовленных независимо от создания конкретных АСНИ, что позволяет значительно сократить сроки создания каждой АСНИ.

4. Дано формализованное определение базового набора, характеризующегося перечнем и частотой использования модулей при построении АСНИ определенного класса.

5. Предложена методика определения базового набора и методика определения состава библиотеки модулей КАМАК, обеспечивающей построение АСНИ из готовых технических средств.

6. Показано, что для создания библиотеки модулей КАМАК, состав который мог бы "в реальном времени" удовлетворять потребность в технических средствах КАМАК при создании АСНИ, необходимо иметь и соответствующим образом обрабатывать обширную информацию о технических средствах КАМАК. Это позволит, в частности, прогнозировать развитие технических средств КАМАК по подгруппам и в целом, планировать разработки новых технических средств КАМАК и т.п. Для решения указанных задач предложено создать банк данных, предназначенный для сбора, систематизации, долговременного хранения, поиска, обработки и выдачи информации о технических средствах КАМАК.

7. С применением теории множеств разработана модель первого уровня, представляющая собой описание моделируемой предметной области и модель второго уровня, представляющая собой математическое описание банка данных.

8. Для обеспечения функционирования банка данных разработана классификация технических средств КАМАК, изданная в форме отраслевого стандарта АН СССР, (приложение I).

9. Сформулированы требования к средствам реализации модели банка данных КАМАК и построения на его основе автоматизированной информационно-поисковой системы АИПС КАМАК. Для реализации модели обоснован выбор одной из существующих систем управления базами данных: "Иерархически распределенная информационная система ИРИС", предназначенной для ведения централизованных банков данных на универсальном вычислительном комплексе М4030. АИПС КАМАК принята межведомственной комиссией (приложение I) и внедрена в ИРЭ АН СССР.

10. Выработаны требования к порядку сбора сведений для банка данных и к порядку запроса и выдачи информации из АИПС КАМАК. Указанные требования изданы в виде руководящего документа АН СССР (приложение 3).

11. Проведено заполнение основной датотеки (модули и элементы системы КАМАК) банка данных в объеме, необходимом для получения статистических данных о технических средствах КАМАК и системах, построенных на их основе.

12. С применением структурных методов обработки эмпирических данных получены характеристики базового набора модулей КАМАК, на основе которого в настоящее время строятся АСНИ в ИРЭ АН СССР.

13. Аналогичным образом получены характеристики базового набора модулей КАМАК, на основе которого в настоящее время строятся АСНИ в Московском энергетическом институте.

14. Проведен сравнительный анализ характеристик базовых наборов, используемых в ИРЭ АН СССР и в МЭИ. В результате анализа сделаны следующие выводы:

- для автоматизации научных исследований, проводимых общеФизическими методами, в основном необходимы модули определенных подгрупп, число которых составляет менее половины подгрупп, определенных классификацией технических средств КАМАК;

- базовый набор модулей для каждой организации характеризуется своими количественными значениями частоты использования модулей, что обусловлено классами экспериментов и радом субъективных для каждой организации причин;

- для каждой организации существует свой оптимальный состав библиотеки модулей КАМАК.

15. Таким образом, разработанные методики и средства их реализации (банк данных КАМАК) позволяют прогнозировать состав и количество технических средств КАМАК, необходимых для создания АСНИ определенного класса в кратчайшие сроки.

16. Собранные в банке данных КАМАК сведения о технических средствах КАМАК переданы по запросам в несколько десятков организаций.

Информация, полученная в результате анализа данных, собранных в БД КАМАК, будет использоваться при планировании разработок новых технических средств КАМАК на 12 пятилетку.

17. Одним из актуальных направлений развития банка данных КАМАК является его перевод на СМ ЭВМ, что позволит значительно расширить круг пользователей, ввиду широкого распространения ЭВМ этого типа.

1. Выставкин A.H. Состояние и перспективы развития работ по автоматизации научных исследований в области физики. -Препринт М2 /235/, ИРЭ, М., 1977.

2. Выставкин А.Н. Процесс исследования как объект автоматизации. Автоматика и вычислительная техника, гр2, 1981.

3. Египко В.М. Организация и проектирование систем автоматизации научно-технических экспериментов. Киев: Наукова думка, 1978.

4. Блауберг И.В., К.цин Э.Г. Становление и сущность системного подхода. М.: Наука, 1973.

5. Египко В.Н., Акимов А.П., Горин Ф.Н. Процедуры и методы проектирования автоматизированных систем в научных исследованиях. Киев: Наукова думка, 1982.

6. Кузьмин Ю.Я. Системный подход в задачах автоматизации физического эксперимента. Автоматизация научных исследований, материалы 3-й Всесоюзной школы по автоматизации научных исследований: Рига, Зинатне, 1972.

7. Системы автоматизации сбора и обработки данных научных экспериментов в области радиофизики, твердотельной и плазменной электроники. Рабочий проект, том I: ИРЭ АН СССР: М., 1980.

8. Лукошков С.В., Олейников А.Я., Посошенко Л.З. Стандартные интерфейсы в системах автоматизации научных экспериментов.-Материалы 12 Всесоюзной школы по автоматизации научных исследований: Тбилиси, 1978, с. 44.

9. Колпаков И.Ф. Организация программно-модульных систем на основе стандартных интерфейсов. ПТЭ, 1979, с. 7-33.

10. Бауманн В., Куртц П., Науманн Г. Стандартные интерфейсы для цифровых измерительных систем. М.: Мир, 1977.

11. Никитюк Н.М. Программно-управляемые блоки в стандарте КАМАК. М.: Энергия, 1977.

12. Михальски, Шмидт. Систематизация и сравнительный анализ интерфейсов ЭВМ. Межвузовский сборник "Проектирование систем ввода-вывода ЭВМ", Л., 1981.

13. Черных Е.В. Стандартные интерфейсы для программно-модульных многопроцессорных систем, /обзор/. ПТЭ, 1983, М.

14. EUR 4100с. A modular instrumentation SYSTEM for

15. DATA HAM OLING.- LUXE виае,

16. BUR 460OE, ORGANIZATION OF HALT 1 ~ С RATE SYSTEMS

17. PARALLEL BRANCH HI&HWAY), -LUXEMBURG, (?f<?, -/976'.21. £UR MALTIPLE CONTROLLERS IHA CAMAZ CRATE.

18. ECONE COMMIT6E, LUXEMBURG?, CE<Z, 197822. tUR 6<OOE, CAMAd SEPTAL HIGHWAY SYSTEM ANO SERIAL CRATE CONTROLLER TYPE L -LUXBM&URG, <2, i97b>23. ftffl Ч100Е. BLOCK TRANSFERS IN CAMAC $YSTEMS, -LUXEMBURG, CEC, -/975,

19. ГОСТ 26.201-80. Система КАМАК. Крейт и сменные блоки. Требования к конструкции и интерфейсу. М., 1980.

20. Трехциньски Р. Система КАМАК и ее применение. Доклад на Советско - Польском семинаре по использованию технических26