Универсальные средства автоматизированной обработки тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.Ломоносова

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИП ИНСТИТУТ ЯДЕРНОП ФИЗИКИ

УНИВЕРСАЛЬНЕЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ НА ЕС ЭВМ

(01.04.01 - техника физического эксперимента, Физика приборов, автоматизация физических исследований)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

ПАВЛОВ Николай Николаевич

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте ядерной физики МГУ им. М.В.Ломоносова.

Научные руководители: доктор физико-математических наук

Герман Павлович ЛЮБИМОВ, доктор физико-математических наук Николай Николаевич КОНТОР.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Юрий Иванович ЛОГАЧЕВ, кандидат технический наук Олег Викторович ПАПКОВ.

Ведущая организация: Институт космических исследований

АН СССР, г. Москва.

Защита состоится 199"/г. в /-Г~часов

на заседании специализированного совета K-OS3.OS.23 в Московском государственном университете им. М.В.Ломоносова по адресу: 115893, г. Москва, Ленинские гори, НШ1ЯФ МГУ, 13-П корпус, ауд. 2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ.

Автореферат разослан "ОС" 199Угода.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук @ О.В.Чуманооа

технологии автоматизированного анализа информации, получаемо!! с космических аппаратов. Рассматриваемая тематика занимает существенное место как среди вопросов обеспечения космических исследований, так и во всей космонавтике в целом. Средства накопления, передачи и анализа данных в значительной мере определяют возможности запускаемо!! в космос аппаратуры, а сама получаемая информация до настоящего времени остается одним из основных практических результатов это!! сферы деятельности человека. Появление новых научных задач, с одной сторони, и развитие общей компьютерной базы, с другой, вызывают потребность в постоянном совершенствовании используемых информационных технологий. В то же время, средства, предлагаемые для данной области отечественной промышленностью. На полностью удовлетворяют современным требованиям: не всегда обеспечивается необходимая фективность, гибкость и глубина обработки; часто применяется устаревшая вычислительная техника, причем вне зависимости от состава предлагаемых систем цена оказывается весьма высокой. Оригинальные разработки, выполненные чисто научными организациями, позволяют более эффективно решать отдельные задачи автоматизированного анализа данных. Однако до настоящего времени не предложено достаточно полного и универсального набора средств, обеспечивающих проведение основных этапов обработки информации, получаемой с космических аппаратов. Недостаточность таких средств особенно остро ощущается в космофизике, где интенсивные экспериментальные исследования сопряжены с необходимостью анализа огромных об'емов данных. С наибольшими трудностями приходится сталкиваться малым институтам, располагающим ограниченными людскими и материальными ресурсами: обработка результатов даже небольшого числа разнотипных космофизических экспериментов превращается для них в значительную проблему. В силу указанных обстоятельств попытка создания универсального набора дешевых и эффективных средств для обеспечения автоматизированного анализа телеметрической информации представляется весьма актуальной.

Цель настоящей работы состоит в детальном рассмотрении процесса обработки телеметрических данных, выделении в этом про-

цессе этапов, допускающих применение универсальных средств, в создании соответствующе!! аппаратуры и программного обеспечения. Особое значение придается'Глубине и комплексности обработки: для экспериментальной ^космс/физической информации требуется обеспечить последовательность действий вплоть до передачи на хранение результатов различных исследования во взаимосопоставимом виде; с помощью разрабатываемых средств планируется решать широкий круг задач (от чисто научных до информационного обслуживания процесса оперативного управления космическим аппаратом).

Эломенти новизны содержатся как с общем подходе к автоматизированному анализу телеметрической информации, так и в способах реализации отдельных разработок. Впервые предлагается комплекс взаимосвязанных универсальных средств для различных этапов и различных направленно обработки данных. Впервые в составе универсальных средств анализа экспериментальной космофизи-чсской информации рассматривается система для хранения и представления результатов обработки во взаимосопоставимом виде. Впервые на базе минимально достаточной специализированной аппаратуры и ЕС ЭВМ построена функционально полная система оперативной обработки данных с различных (в том числе высокоинформа-типних) космических аппаратов. РазработаныЯ блок сопряжения радиотелеметрпческой станции с ЕС ЭВМ обладает такими новыми свойствами как компактность, возможность установки в базовые устройства разных типов, наличие средств контроля потерь данных, возможность управления режимом приема временных меток. Созданные в рамках настоящей работы аппаратно-программные средства вывода графической информации но имеют аналогов среди серийно выпускаемых отечественных устройств ЕС ЭВМ.

Практическая цочпость. Результаты -настоящей работы непосредственно предназначены для практического использования в задачах анализа информации-, получаемой с космических аппаратов. Ь Ш1ИЯФ МГУ компоненты диссертации применялись в ходе проведения экспериментов на ИСЗ "Космос-1490", "Космос-1491", "Космос-1870", "Горизонт", "Гранат", на AMC "Вега" и "Фобос", лотя первоначально выполнение работы было связано с необходимостью обеспечения космофизических исследований именно в этом институте, учет достаточно общих тенденций развития информационных

технология позволил успешно применить отдельные результаты в других организациях. Так ряд разработок был внедрен в центре дальнеп космической связи в г.Евпатории, на космодроме ■"Плесецк", в ИПМ АН СССР им.М.В.Келдыша, НПО им.С.А.Лавочкина, НПО автоматики и приборостроения. Применение элементсз работы сыграло значительную роль в ходе выполнения программы "Лоцман" международного проекта "Вега". Система хранения космофпзической информации обеспечила возможность накопления и представления в виде, удобном для совместного анализа, результатов экспериментов, проведенных в НШ1ЯФ МГУ за период с 1965 г. по 1991 г. Аппаратно-программные средства вывода графической информации позволили расширить возможности вычислительных систем общего назначения.

Апробация работы проводилась при автоматизированном анализе информации, полученной в конкретных космофизических экспериментах. Основные результаты докладывались на Московской городской конференции "Информатика, вычислительная техника, автоматизация в науке и технике, в народном хозяйстве" в 1983 г., на III Всесоюзном семинаре "Автоматизация исследований в ядерной физике и смежных областях" в 1984 г., на vii Всесоюзном симпозиуме "Модульные информационно-вычислительные системы" в 1989 г., на конференции МГУ "Автоматизированные системы в научных исследованиях, в учебном процессе и управлении" в 1983 г., на семннарах и конференции молодых ученых Н1ШЯФ МГУ.

По теме работы имеется 7 статей, тезисы 4-х докладов, 1 препринт и 1 авторское свидетельство.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТО

Работа состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы. Общий об'ем работы - 219 страниц, включая 35 рисунков.

Во введении сформулирована цель работы, обоснованы ее актуальность, новизна и поактическая ценность, а также перечислены вопросы, выносимые на защиту.

В первой главе формулируется основная задача работы и общие" требования к со отдельным компонентам. После обсуждения традиционного представления' о структуре процесса обработки телеметрических данных, на основе приведенных общих требований, составляется новая, видоизмененная схема. В ней, в частности, более четко разделяются направления оперативной обработки и анализа научных данных. В анализе научных данных выделяются 4 этапа: начальная обоабитка, индивидуальная обработка, загрузка базы данных и физический анализ, причем первые 3 этапа рассматриваются как "техническая" часть общего процесса. Новый вариант схемы составлен таким образом, что 1-ый и 3-ий этапы допускают юзможность применения универсальных средств, а во 2-ом иом этапах сосредотачиваются то действия с информацией, которые отражают индивидуальные особенности обработки и интерпретации различных видов данных. В этой же главе обсуждается выбор необходимых технических и программных средств, возможность применения ЭВМ других типов, а также формулируются общие подходы к разработке, активно используемые в последующих главах. В частности, обосновывается выбор преимущественно программных решений, выделяются вопросы оптимизации технологического процесса анализа информации, отмечается необходимость единого подхода к реализации аналогичных функций в различных элементах программных систем. Таким образом, в данной главо определяются облает;: проведения дальнейших работ и основные правила, которые при этом должны соблюдаться.

Вторая глава посвящена решению технических вопросов стыковки аппаратуры радиотелеметрических систем с ЕС ЭВМ. Для этих целей выбран формат приема телеметрической информации, разработан блок сопряжения ЕС-РТС, определен способ подключения блока к каналу ЭВМ, рассмотрены особенности использования средств ввода телеметрии в канале ЕС ЭВМ. Предложенное решение характеризуется минимальными аппаратными затратами при обеспечении всех возможностей, необходимых для надежного приема телеметрических данных произвольного типа.

В разработке использованы некоторые идеи и решения из систем, ранее созданных другими авторами. Принципиальными особенностями блока ЕС-РТС является наличие средств • для адаптивного выбора ведущего информационного потока и учета

потерь данных из-за неготовности ЭВМ. К числу оригинальнпх решений можно отнести применение логарифмического счетчика для оценки об'ема непринятой информации, способ управления режимом 'ввода наземного времени,- организацию передачи показаний счетчика ошибок в ЭВМ, реализацию схемы состязательного выбора тактирующего импульса из независимых потоков данных. Конструктивными особенностями блока являются компактность, простота управления, возможность установки во все типы отечественных перфоленточных контроллеров. Предусмотрены меры для восстановления штатного режима работы модифицируемых устройств. Максимально возможная частота потока принимаемых данных - до 300 килослов в секунду; тип телеметрической системы - любой, допускающий представление в формате РТС.

В третьей главе представлены программные комплексы 'ГНЬЕ\ и ТЕЬЕХ/УМ, обеспечивающие проведение начального этапа обработки телеметрической информации. Из-за ограниченности и четкости постановки задачи данного этапа полученное решение оказывается достаточно, прлным и универсальным,. Программы позволяют:

- вводить полннД поток телеметрической информации;

- проводить промежуточную обработку данных;

- записывать всю введенную или только обработанную информацию.

Запись производится На любые устройства внешней памяти ЕС ЭВМ. В целях выполнения промежуточной обработки могут подключаться оригинальные программы пользователей. Стандартно предоставляются следующие средства:

- выделение телеметрической структуры;

- выбор заданных каналов из кадров указанных типов;

- передача выбранной информации для записи;

- сопровождение выбранных данных сведениями о сбоях структуры.

Обеспечивается ряд типичных Преобразований информации после завершения обработки сеанса:

- "переворот" файла (восстановление прямого хода времени для режима "обратное воспроизведение");

- сдвиг информационных слов (удаление младшего разряда);

- вторичный условный выбор каналов и перекомпоновка кадра;

- установление длины записи равной длине к^дра.

Допускается обработка телеметрической информации любых типов, включая наиболее высокочастотные. Результаты выбора данных

- а -

представляются в удобном и лаконичном формате; обеспечивается иксокп;'! уровень сервиса. Комплексы позволяют выполнять приом информации в любых стандартных операционных системах ЕС ЭВМ, причем возможность параллельной работы других пользователей сохраняется. Приняты меры по совершенствованию технологии обработки. Реализация расширенных функций традиционных систем перезаписи позволявзавершить на данном этапе решение основных вопросов, связанных с особенностями используемых телеметрических сиотеы.

В четвертой главе представлен ряд программ-"инструментов", составляющих не полный, но полезный набор средств для этапа индивидуальной обработки информации. Приведены элементарные модули общего назначения (битовые операции, форматные преобразования, управление дисплеем и динамический доступ к файлам на дисках и лентах в ОС ЕС), средства работы с телеметрическими данными (чтении в кадровом Формате, расшифровка времени СЕВ), "программные решения некоторых типичных задач анализа результатов космофизических экспериментов (восстановление "фоновой" скорости счета интснсимотра, отбраковка "выбросов", упаковка и распаковка мирового времени, построение стандартизованных графиков). Предложена методика составления программных комплексов для анализа телеметрических данных, позволяющая систематизировать и многократно использовать ранее разработанные модули. Сформулирован ряд рекомендаций по совершенствовании технологии обработки экспериментальной космофизической информации.

р. пятой главе рассматривается заключительный этап "технической" части процесса обработки экспериментальной космофизическоП информации - передача на хранение. В постановке задачи отсутствует проблемная ориентация: система хранения должна лишь наилучшим образом предоставлять результаты предыдущих этапов обработки для проведения дальнейшего совместного анализа. Конкретно, в пятой главе:

- рассмотрен круг возможных задач этапа физического анализа;

- предложено использовать систему хранения данных для размещения результатов обработки экспериментальной коомофиэической информации ;

- определены требования к виду данных;

- выделен ряд типичных запросов;

- предложена трехуровневая логическая схема хранения информации в табличном виде;

- предложен способ представления параметра "мировое время";

- предложен способ уплотнения числовых данных;

- установлена необходимость и область применения СУИД;

- реализован опытный вариант системы хранения, включающий реляционную СУБД и комплекс программ лользонательского интерфейса е интерактивными средствами управления (просмотр состава базы данных, выбор информации и построение графиков).

В представленном варианте системы содержится информация с нескольких отечественных космических аппаратов (в том числе результаты измерений солнечных и галактических космических лучей на ряде AMC за период с 19G5 г. по 19Э1 г.) и данные, полученные от зарубежных исследователей. По-видимому, может представлять интерес не только перспектива работы с накопленной информацией, но и опыт решения основных ьопросоа хранения и использования экспериментальных космофизических данных, - такие сведения полезны для дальнейшего развития систем аналогичного назначения как на базе ЕС ЭВМ, так и на основе вычислительных машин других типов.

Шестая глава посвящена вопросам оперативной обработки телеметрической информации. Здесь рассматриваются общие задачи систем, предназначенных для атих целей,•обсуждаются особенности входной информации, формулируются требования к результатам обработки, определяется состав и соотношение технических и программных средств, выделяются этапы проведения работ и типичные алгоритмы для анализа и- преобразования данных. Ни основе рассмотрения общих вопросов формируется представление о некотором "базовом" наборе Функций системы, обеспечивающем решение основных задач для большинства случаев реального применения. В качестве реализованного варианта средств оперативной обработки предлагается программный комплекс RTs/VM, построенный на базе ЕС ЭВМ и устройства ЕС-РТС в операционной среде СВМ.

Комплекс представляет собой функционально законченную разработку, состоящую из подсистем ' подготовки исходных данных, оперативного анализа телеметрической информации и послесеансно-го просмотра полученных результатов. В ходе подготовки исходных

данных могут иинолнхться ввод, проверка и корректировка конкретных заданий на обработку. Результатом обращения к подсистеме является создание специальных таблиц, используемых для дальнейшего управления оперативным анализом телеметрии. Подсистема оперативной обработки, функционирующая в режиме реального времени, обеспечивает прием, и запись полного потока информации, выделение телеметрических кадров, контроль нарушений структуры, поиск значимых изменений параметров, запрошенных в обработку, передачу этих данных для записи на диск (в архив), преобразование новых значений к текстовому виду и вывод на экраны дисплеев. Допускается работа с различными типами телеметрических систем, предлагаются алгоритмы для анализа и преобразования параметров нескольких наиболее распространенных видов, разрешается использование до 32-х устройств отображения и произвольного числа формуляров (групп параметров, выводимых на экран). Пользователям предоставляется ряд команд для получения справочной информации, пересылки сообщений и выбора режимов работы. Вход в подсистему персонифицирован. К средствам послесванииого анализа ; результатов обработки относятся программы распечатки выбранных I параметров и построения соответствующих графиков. На этом отане ! можно получить все зарегистрированные изменения значений параме | трон с точной (милисекундной) привязкой к наземному времени. |

Основные отличия данной разработки от промышленно выпускав- 1 мнх средств связаны с применением блока ЕС-РТС. Замена сложных I спецустройств на дешевый блок сопряжения позволяет существенно снизить стоимость системы. В информационном плане прием полного I потока телеметрических данных, с одной стороны, приводит к необходимости программной реализации всех основных функций оперативной обработки, а о другой, позволяет получить в темпе приема полную копию сеанса и в памяти ЭВМ и на магнитном диске. Это расширяет возможности детального анализа отдельных параметров, а Также позволяет упростить стыковку со средствами обработки чисто научной информации, т.к. после сеанса можно читать и разбирать записанные данные с помощь» комплекса ТЕЬЕХ/УМ. В системе широко применяются фреймы, меню и встроенная НЕьР-документация (как и во всех разработках, выполненных в СВМ).

В седьмой главе представлены средства для вывода больших об'емов графической информации на ЕС ЭВМ. В их состав входит

схема доработки матричного АЦПУ ЕС 793 7.01 и программное ~ обеспечение, позволяющее использовать это устройство в качестве универсального графопостроителя в операционных системах ОС! ЕС и СВМ. Графическая информация выводится в растровом виде, в режиме ONLINE, со скоростью около б см/мин по осп X, с разрешением около 2.1 точек/мм и практически без вмешательства оператора. Обеспечиваются значительные удобства для отладки графических программ и оперативного построения большого числа графиков - необходимой составной части процесса обработки результатов космофизических экспериментов.

ОСНОВНОЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработано устройство ЕС-РТС, обеспечивающее сопряжение аппаратуры радиотолеметрической станции с ЕС ЭВМ и позволяющее вводить телеметрическую информацию любых типов с частотой до 300000 слов в секунду, вне зависимости от соотношения скоростей информационного и временного потоков, с контролем потерь данных. Устройство можно размещать в перфоленточных контроллерах всех типов, причем технология установки позволяет восстанавливать штатный режим нирфоввода;

2. 1!а основе использования устройства ЕС-РТС для операционных систем ОС ЕС и СВМ разработаны программные комплексы TELEX и TELEX/VM, обеспечивающие ввод в ЕС ЭВМ, предварительную обработку и запись на машинные носители телеметрической информации произвольного тип? и частоты. В качестве стандартных возможностей предварительной обработки предусмотрены: обнаружение телисзтричоских кадро-в, контроль их структуры, выделение слоз с- номерами, занесение на1 диск выбранной nHöopuT:UiiN; 'i и£э_;одчние дополнительных преобразований полученногс- ЗэГла,-

3. FtüpaöoTcxi ?я-7 эксо^огательных программ для организации эффективной льно.Ц обработки результатов космофизичос.ил г.&'ЛВДКЭнтов. Предложен вариант технологии сборки iiporjeLW\'jn йэдгдот.еои, позволяющий систематизировать и многократно использовать ранео созданные модули. Сформулирован ряд рекомендаций по оптимизации технологического процесса обработки телеметрических данных',

4. На основе использования реляционной СУБД в операционной системе СВМ разработаны средства хранения результатов космофизических экспериментов. Применены оригинальные методы сжатия информации и общая схема организации данных. Комплекс программ пользовательского интерфейса обеспечивает эффективное j исполнение типичных запросов по просмотру информации, выбору отдельных фрагментов, записи их в икспортные файлы и построению ( графиков, удобных для дальнейшего сравнительного анализа. В 1 систему загружены экспериментальные данные с ряда AMC и ИСЗ; |

5. На основе использования устройства ЕС-РТС в операционной | системе СВМ разработан комплекс оперативного анализа j телеметрических данных RTs/vM, . предназначений для j информационного обеспечения процесса управления космическими j аппаратами с различными типами бортовых телеметрических систем. ! В комплексе реализованы следующие базовые функции: подготовка и | контроль исходных данных заданий на обработку, выполнение оперативной обработки в режиме реального времени с выводом результатов на магнитный диск и дисплеи, послесеансные распечатки и построения графиков;

6. В операционных системах ОС ЕС и СВМ на основе модернизации матричного АЦПУ ЕС 7937.01 разработаны аппаратно-программные средства для вывода графической информации ь растровом виде, не имеющие отечественных аналогов в составе ЕС ЭВМ. Режим \ OnhnE, довольно высокая скорость построения и отсутствие необходимости вмешательства оператора обеспечивают удобство отладки графических программ и возможность вывода больших об'емов информации, характерных для задач обработки результатов космофизических экспериментов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Морозова Т.И., Павлов H.H. Перестройка выполняемой части программ обработки научной космофиэической информации. В сб.) Тез.докл. Моек, гор.колф. "Информатика, вычислительная техника, автоматизация в науке и технике, в народном хозяйотве" -М., ,1983, 0.103-104

2. Тверской Б.А., Горчаков Е.В., Контор H.H., Кутузов W.B., Лукина Т.Н., Морозова Т.И., Павлов H.H., Рубинштейн H.A. Универсальные средства обработки космофиэической информации. В сб.: Таз.докл. III Всосоюзн. сем. "Автоматизация исследований в ядерной физике и смежных областях" -Тб., 1984 , с.209-210

3. Лукина Т.Н., Морозова Т.Н., Павлов H.H., Шарафутдинова М.В., Воробьева Т.Н. Универсальная программа разделения телеметрической информации. В сб. депот)рдван.чш статей, помор гос.регистрации: X 61886, -Красноярск, 1984V с.168-173

4. Морозова Т.Н., Павлов H.H. Средства автоматизированной обработки космофизической информации. В сб. депонированных докладов конференции молодых ученых Н1И1ЯФ МГУ, номер гос. регистрации: 3740-087, -М., 1987, с.125-129

5. Бубонков С.А., Павлов H.H. Использование мозаичного АЦПУ 'ЕС 7937.01 для вывода графической информации. Пропринт-87-020

Н1ШЯФ МГУ. -М., 1987

6. Вайнман Б.Н., Кутузов Ю.В., Морозова Т.Н., Павлов H.H., Рубинштейн H.A. Авторское свидетельство N 277487 от 01.07.88.

7. Лукина Т.Н., Морозова Т.Н., Павлов H.H., Точилина В.В. Программное обеспечение обработки космофизической информации на ЕС ЭВМ. Системные сервисные программы. В сб.: Краткие описания программных средств ЭВМ НШ1ЯФ МГУ.-М.: 11зд-во МГУ, 1988, с.5-16

8. Павлов H.H. Программное обеспечении обработки космофизической информации на ЕС ЭВМ. ' Система ввода телеметрических данных. В сб.: Краткие описания программных средств ЭВМ НШ1ЯФ МГУ. -М.: Изд-во МГУ* 1988, с.17-28

9. Морозова Т.И., Павлов H.H. Программное обеспечение обработки космофизической информации на ЕС ЭВМ. Графическое представление данных. В сб.: Краткие описания программных средств ЭВМ Ш1ИЯФ ЙГУ. -М.: Изд-во МГУ, 1988, с.29-38

10. Буоенков С.А., Морозова Т.Н., Павлов H.H., Точилина В.В Расширение возможностей графического представления экспериментальной космофизической информации. ' В сб.-: Программно-аппаратные средства и математическое обеспечение вычислительных систем. -М.: Изд.МГУ, 1989, с.51-58

11. Павлов H.H. Обработка результатов крупных космофизичоских экспериментов в режиме реального времени. В сб.: Тез. докл. VII Всосоюзн. си'мп. "Модульные информационно^ вычислительные системы". -Н.: ИЯФ СО АН СССР, 1989, с.29

12. Псшлов H.H. Организация обработки и хранения результатов крупных космофизических экспериментов. В сб.: Тез. докл. VII Всесоюзн. симп. "Модульные информаиионно-вычислительные системы". -Н.: ИЯФ СО АН СССР, 1989, с.30

13. Павлов H.H. Аппаратно-программные средства для получения информации о состоянии космического пространства. В сб.: Современные технологии в автоматизированных системах научных исследований, обучения и управления. -М.: Изд. МГУ, 1990, С.88-93

Подписано в печать 04,II.91г. Заказ К» 5089 Тираж 100

Отпечатано в НШЯФ МГУ