МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ АВІАЦІЙНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Дрововозов Володимир Іванович

УДК 629.735.051:004.7 (043.3)

МЕТОДИ ТА ЗАСОБИ ПОБУДОВИ ВИСОКОПРОДУКТИВНИХ ОБЧИСЛЮВАЛЬНИХ СИСТЕМ ДЛЯ ЗАДАЧ УПРАВЛІННЯ ПОВІТРЯНИМ РУХОМ ТА НАВІГАЦІЇ

05.13.13 – обчислювальні машини, системи та мережі

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі обчислювальної техніки Інституту комп’ютерних технологій Національного авіаційного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор,

заслужений винахідник України

Жуков Ігор Анатолійович, Національний авіаційний університет, МОН України, директор Інституту комп’ютерних технологій.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, доцент

Дичка Іван Андрійович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, МОН України, професор кафедри спеціалізованих комп’ютерних систем;

кандидат технічних наук

Домарєв Валерій Валентинович, Апарат Ради національної безпеки і оборони України, завідувач сектора.

Провідна установа Інститут проблем моделювання в енергетиці

ім. Г. Є. Пухова НАН України, м. Київ.

Захист відбудеться “ 01 ” __липня__ 2005 р. о _14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої
ради Д 26.062.02.07 Національного авіаційного університету за адресою: 03058, м. Київ,
просп. Космонавта Комарова, 1.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного авіаційного університету за адресою: 03058, м. Київ, просп. Космонавта Комарова, 1.

Автореферат розісланий “__30__” __травня___ 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.062.07,

кандидат технічних наук Мартинова О. П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Інтенсивний прогрес інформаційних і телекомунікаційних технологій, їх упровадження в різні галузі людської діяльності пов’язані з розробкою та побудовою складних і розвинених інформаційно-обчислювальних систем. Вони стали невід’ємною частиною спеціалізованих інформаційно-управляючих систем. Це стосується передусім розподілених систем обробки інформації та управління складними об’єктами. Водночас з розширенням меж застосування технологій взаємодії відкритих систем і міжнародних стандартів функціонування інформаційно-обчислювальних структур підвищуються і вимоги до їх швидкодії та надійності, особливо зважаючи на умови використання в системах критичного застосування. До таких систем належать, наприклад, авіаційні, ракетно-космічні, транспортні, енергетичні та інші системи спеціального призначення. Вони зазвичай працюють в умовах безперервного цілодобового застосування у реальному часі.

До таких систем слід віднести і системи управління повітряним рухом (УПР) та навігації повітряних суден (ПС). Інтенсивність повітряного руху підвищується в усьому світі і особливо в регіонах, через які проходять транзитні траси повітряного руху. Повітряний простір України інтенсивно використовують для транзитних рейсів між Європою, Південно-Східною Азією, Близьким Сходом тощо. Тому вимоги до пропускної здатності вітчизняних автоматизованих систем управління повітряним рухом (АС УПР) підвищуються майже за показовим законом. Це потребує відповідного зростання ефективності інформаційно-обчислювальних систем, які використовуються для розрахунків і обміну інформацією між наземними та повітряними об’єктами. Тому підвищення продуктивності обчислювальних структур, комп’ютерних та телекомунікаційних мереж для АС УПР як для систем критичного застосування, безумовно, є актуальним.

Значний внесок у розвиток цих наукових напрямів зробили такі вчені, як Г. Є. Пухов, Б. В. Гнеденко, І. В. Коваленко, В. П. Боюн, О. В. Палагін, Г. М. Луцький, І. А. Жуков, О. І. Стасюк, В. П. Тарасенко, М. О. Віноградов, В. М. Вишневський, У. Столлінгс та їх учні.

Задачі досліджень у дисертаційній роботі сформульовано у такому вигляді: спираючись на результати, одержані цими та іншими науковцями, розробити високопродуктивні обчислювальні структури реального часу; розробити методи розподілу мережевих ресурсів в умовах значних коливань навантаження на інформаційно-обчислювальну структуру АС УПР та виникнення екстремальних ситуацій у процесі обслуговування повітряного руху та навігації ПС.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася у рамках наукових досліджень на факультеті комп’ютерних систем Інституту комп’ютерних технологій Національного авіаційного університету (НАУ) за темою №139-ДБ04 “Дослідження принципів побудови паралельних обчислювальних структур для розв’язання задач великої розмірності”, для впровадження автоматизованої інформаційно-обчислювальної системи розкладу руху літаків та планування польотів на державному підприємстві “Український обчислювальний центр цивільної авіації”, під час розроблення віртуального імітатора кабіни екіпажу перспективного транспортного літака у відділі КВ-16 Авіаційного науково-технічного комплексу ім. О. К. Антонова.

Мета і задачі досліджень. Мета роботи – розроблення методів та засобів побудови високопродуктивних інформаційно-обчислювальних систем реального часу для роботи в умовах критичного застосування, значних коливань навантаження та виникнення екстремальних ситуацій в АС УПР. Для досягнення цієї мети були поставленні такі науково-технічні задачі.

1. Дослідження характеристик інформаційних потоків у системах критичного застосування.

2. Розроблення нових методів паралельної обробки інформації з корекцією проміжних результатів в умовах великих перепадів обсягів обчислень.

3. Розроблення децентралізованих обчислювальних структур на основі мереж зі змішаною топологією.

4. Розроблення методу адаптивної логічної структуризації фрагментів мережі в разі коливань обсягів навантаження на мережу та змінах статистичних характеристик мережевого трафіку.

Об’єктом дослідження є інформаційно-обчислювальна структура корпоративного типу для систем критичного застосування.

Предметом дослідження є паралельні обчислювальні структури та адаптивні методи перерозподілу навантаження на сегментовані мережі.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в такому.

1. Запропоновано й обґрунтовано нову паралельно-конвеєрну обчислювальну структуру з проміжним коригуванням результатів. Це дає змогу підвищувати швидкодію аж до роботи в реальному часі за значних коливань обсягів обчислень.

2. Уперше розроблено метод адаптивної логічної структуризації локальних мереж за критерієм оптимального співвідношення всередині сегментного та міжсегментного трафіку.

3. Дано рекомендації щодо вибору й обґрунтування ієрархічної структури інформативно-обчислювальної системи корпоративного типу, що входить до складу автоматизованої системи критичного застосування.

Практичне значення одержаних результатів. Нові науково-технічні рішення доведено до конкретних функціональних та алгоритмічних схем. Надані рекомендації щодо побудови ієрархічної мережевої структури супроводжуються кількісними оцінками потрібних експлуатаційних характеристик.

Наведені нові наукові результати можуть бути використані для практичних розробок інформаційно-обчислювальних систем критичного застосування зі змінною структурою та параметрами.

Отримані результати дисертаційної роботи впроваджено на державному підприємстві обслуговування повітряного руху України “Украерорух”, на державному підприємстві “Український обчислювальний центр цивільної авіації”, в Авіаційному науково-технічному комплексі ім. О. К. Антонова, на факультеті комп’ютерних систем та факультеті комп’ютерних наук Інституту комп’ютерних технологій НАУ і в Державному університеті інформаційно-комунікаційних технологій (ДУІКТ).

Особистий внесок здобувача. У роботах, написаних у співавторстві, автору належать: метод автоматизованої обробки документальної інформації в АС УПР 4; метод застосування паралельних обчислювачів у сучасних АС УПР5; розроблення паралельних обчислювальних структур з коригуванням проміжних обчислень 6; методика комплексування обчислювачів АС УПР, побудованої за концепцією CNS/ATM 7,10; розроблення алгоритму визначення навантаження обчислювальної системи в процесі поточного планування 8; розроблення нових конвеєрних обчислювачів та порівняння їх ефективності з існуючими 9.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на XVI звітній науково-технічній конференції Київського міжнародного університету цивільної авіації (КМУЦА, Київ, Україна, 1996), V Міжнародній науковій конференції студентів та молодих учених “Політ” (Національний авіаційний університет, Київ, Україна, 2005), науково-методичних семінарах кафедри комп’ютерних інформаційних технологій та кафедри обчислювальної техніки Інституту комп’ютерних технологій НАУ, кафедри телекомунікаційних систем ДУІКТ.

Публікації. Основні результати дисертації викладено в 10 наукових працях, із них 9 – у фахових виданнях 1 – 9 та 1 – у матеріалах конференцій [10].

Структура та об’єм роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, що містять основні результати, списку використаної літератури з 122 найменувань, 6 актів впровадження, 35 рисунків, 11 таблиць та 3 додатків. Основний текст дисертації викладено на 149 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі відображено актуальність обраної теми, сформульовано мету роботи та основні задачі дослідження, а також відзначено наукову новизну і практичну цінність одержаних результатів.

У першому розділі розглянуто особливості обчислювальних задач, які розв’язуються АС УПР, характеристики трафіку даних, що циркулюють в системі, вимоги до сучасних та перспективних інформаційно-обчислювальних систем реального часу для АС УПР критичного застосування. Для уніфікації та стандартизації обладнання і програмного забезпечення системи, розширення можливостей та модернізації доцільно будувати її за багаторівневою архітектурою. Розроблено моделі, рівні яких узгоджено з відповідними рівнями еталонних моделей типу моделі взаємодії відкритих систем OSI.

Проаналізовано принципи організації паралельних обчислювачів для використання в умовах великих коливань обчислювального навантаження та різнорідності задач, що вирішуються (рис. 1). Обґрунтовано гнучку багаторівневу архітектуру арифметичних пристроїв та математичних сопроцесорів: булеві змінні – позиційні змінні – логічні мультипроцесори.

Наведено перелік вихідних даних, які є найбільш суттєвими для вибору параметрів інформаційно-обчислювальної системи, обґрунтовано принципи побудови й особливості функціонування. Показано, що сучасна структура інформаційно-обчислювальної системи реального часу, призначеної для обслуговування АС УПР як системи критичного застосування, має базуватися на таких засадах:

- архітектура відкритих систем;

- створення автоматизованих робочих місць операторів;

- створення корпоративної мережі з розподіленою ієрархічною топологією типу “магістральна мережа – автономні локальні мережі з сегментацією”.

Сформульовано основні задачі дисертаційних досліджень:

- розроблення методів паралельних обчислень спеціальних функцій, розв’язання систем рівнянь для задач УПР та навігації;

- розроблення методів адаптивної логічної структуризації локальних мереж до змін інтенсивності та статистичних характеристик трафіку даних.

У другому розділі розроблено математичні моделі процесів УПР та навігації в сучасних АС УПР. Сформульовано задачі обчислення часових програм руху ПС, аналізу ймовірності виникнення конфлікту між двома ПС під час їх руху за цими програмами. Введено формули для розрахунку поправок, що вводяться в часові програми для усунення ризику виникнення конфліктів.

Наведені обчислювальні задачі потрібно розв’язувати у реальному часі. На основі системи рівнянь руху ПС на трасі

(1)

та в зоні підходу, коли суттєво змінюються висота і швидкість польоту,

(2)

де V – швидкість руху ПС;

W – швидкість вітру;

g – прискорення вільного падіння;

– курсовий кут;

– кут повітря;

– кут крену,

визначено умови безпеки руху m ПС: які мають задовольнятися на всіх інтервалах часу для всіх ПС, для яких обчислюються програми руху. Тут – компоненти вектора поточних координат ПС – розв’язки рівнянь (1) і (2) для розрахунку часових програм руху ПС; – вектор прийнятих стандартів просторового розподілу ПС.

Оптимальні часові програми з мінімальною кількістю можливих конфліктів ПС розраховуються шляхом мінімізації функціонала де – інтервал руху -го та -го ПС.

Визначено максимальну пропускну здатність зони УПР як математичне сподівання се-редньої інтенсивності руху ПС в зоні УПР протягом періоду локальної стаціонарності потоку заявок на обслуговування:

,

де Рі – середнє відношення кількості ПС і-го типу в потоці до всієї кількості ПС; Рij – ймовірність слідування ПС j-го типу за ПС і-го типу; tij – середній час обслуговування ПС і-го типу, за яким слідує ПС j-го типу. Якщо в зоні обслуговування дисципліна черги встановлюється за часом входу в зону управління, то ймовірності Рij близькі до Рі. Величи-на СPS може служити критерієм оптимальності для програмування руху ПС.

Розроблено також математичні моделі безконфліктних програм повітряного руху для потоків ПС з різними швидкостями. Розглянуто математичні формулювання задач навігації та управління рухом ПС під час переходу в режим “вільних польотів” або “зональної навігації”, коли відповідальність за ешелонування та вибір маршруту розподіляється між диспетчером АС УПР та пілотом ПС. Розраховано відносні частоти розрахунків базових операцій та спеціальних функцій в задачах навігації та управління рухом ПС. Установлено, що приблизно 25% становлять обчислення базових тригонометричних функцій, 5% – розв’язання систем лінійних алгебричних рівнянь; 5% – добування квадратного кореня. В умовах високої інтенсивності руху ПС та об’єктивної необхідності виконання розрахунків у реальному часу це потребує розробки спеціалізованих конвеєрних та паралельно-конвеєрних обчислювачів.

Проведено експериментальне дослідження навантаження на диспетчера АС УПР під час вирішення задач управління, зокрема – конфліктуючими ПС. Розроблено алгоритм та програму аналізу завантаження диспетчера. За результатами експериментальних досліджень та моделювання на ЕОМ зроблено висновок про необхідність максимального розвантаження диспетчерів від рутинних операцій для зменшення їх стомлюваності, наслідком чого є уповільнення реакції та збільшення кількості помилкових рішень.

У третьому розділі вирішувалися задачі розробки високопродуктивних спеціалізованих обчислювачів. Запропоновано методологію синтезу паралельних процесорів з конвеєрним та паралельно-конвеєрним методами обчислення математичних операцій (ділення, здобування квадратного кореня, тригонометричні функції тощо). Структуру логічних зв’язків між різними методами паралельних мультипроцесорних обчислювачів зображено на рис. 2.

Рис. 2. Структура логічних зв’язків між різними методами паралельних мультипроцесорних

обчислювачів

На основі розпаралелювання на рівні булевих змінних та операторного рівняння (y,х)= 0, де оператором визначається залежність між вектором y заданих та вектором x невідомих величин, формується система спеціальних рівнянь вигляду яким відповідає однорідна обчислювальна структура, узагальнену схему якої показано на рис. 3. Вона формується з матриці операційних елементів S, стовпці або рядки якої являють собою електронні моделі відображувальних рівнянь. Після подання вхідних даних та на вхідні шини у схемі з горизонтальних або вертикальних вихідних шин через час перехідного процесу знімається результат розв’зку

Для широкого класу операторних рівнянь оператор являє собою суперпозицію простіших операторів. Тоді обчислювальну систему можна побудувати за принципом паралельних обчислень позиційних змінних. Формується система рівнянь вигляду (3)

а обчислювальна структура складається з відповідних схемних елементів, за допомогою яких реалізуються рівняння (3).

Рис. 3. Однорідна обчислювальна структура

Нарешті, за розрядної інтерпретації математичних виразів формується система рівнянь, у яких невідомими є відповідні розряди результату обчислення. У дисертації доведено, що для реалізації таких операцій, як ділення, множення з накопиченням результату, добування квадратного кореня тощо необхідно змоделювати таку узагальнену систему рівнянь:

(4)

де B = та a = – j -розрядні вектори операндів; F‘(j) – вектор, залежно від значення якого визначається вид потрібної математичної операції.

Таким чином, якщо синтезувати модель розрядного рівняння, що керується вектором F‘(j), і об’єднати різні моделі відповідно до рівняння (4), одержимо однорідну обчислювальну структуру для виконання бажаних математичних операцій. Структурну схему пристрою для виконання сукупності декількох математичних операцій, показано на рис. 4.

Така схема вміщує набір електронних моделей розрядних рівнянь, об’єднаних регулярним способом. В кожній моделі для формування вектора або передбачено елементи схем “І”, “АБО”, а для формування величин або – однорозрядні комутатори К. Згадані елементи всіх моделей пристрою керуються сигналами Y1 и Y2, які можна трактувати як компоненти вектора . Залежно від характеру керуючих сигналів виконуються ті чи інші математичні операції.

Рис. 4. Структурна схема пристрою для виконання сукупності математичних операцій

У цьому розділі розроблено також конвеєрні структури для ітераційних обчислень базових тригонометричних та інших функцій з високою швидкодією і точністю. Цей результат досягнуто завдяки введенню високошвидкісних коригувальних пристроїв. Проміжні результати обчислень коригуються потактно після кожної ітерації безпосередньо в процесі виконання обчислень, що неможливо виконати за допомогою відомих методів. Швидкодія запропонованого пристрою для обробки масивів чисел визначається часом Т2 = tдв+tзс, де tдв – час виконання операції додавання (віднімання) на суматорі (пристрої віднімання), tзс – час виконання операції зсуву, а швидкодія відомого пристрою дорівнює T1=2n(tдв+tзс). За швидкодією запропонований пристрій перевершує відомий в 2n разів, тобто Т1/T2=2n.

Таким чином, отримані результати дають можливість синтезувати широкий клас високопродуктивних обчислювальних структур з регулярною розрядно-логічною організацією, які забезпечують обробку інформації за інтервал проходження сигналу між входами та виходами елементів схеми. Це дозволяє організовувати поточну обробку даних в системі у реальному часі. Завдяки однорідності логічної структури обчислювача забезпечується простота й ефективність реалізації на замовних інтегральних схемах, базових матричних кристалах або програмованих інтегральних схемах.

У четвертому розділі запропоновано й обґрунтовано параметри і структуру інформаційно-обчислювальної системи. Проаналізовано типові вимоги до обчислювальних мереж для систем критичного застосування та виділено найбільш важливі вимоги. Для застосування такими є підтримка різних видів трафіку та керованість, тобто можливість перерозподілу ресурсів між користувачами залежно від стану системи, наявності екстремальних ситуацій тощо.

Проаналізовано характер та кількісні характеристики навантаження на обчислювальні мережі АС УПР. Установлено, що порівняно велику частину загального трафіку даних складає самоподібний (фрактальний) трафік. Значна частка даних, що передаються, має низьку толерантність до затримок (так званий “нееластичний трафік”). Розроблено методику розрахунку вимог до магістральної мережі критичного застосування з урахування навантаження. Виведено рівняння для інтенсивності потоку заявок за обмеженої буферної пам’яті вузлів комутації (ВК) та наявності частки “нетерплячих” заявок з обмеженим часом чекання в загальному потоці. Для багатоканального ВК із загальною буферною пам’яттю та однаковою дисципліною обслуговування в кожному каналі виведено рекурентний вираз для розрахунку поточної інтенсивності на -му інтервалі: . Величина інтервалу рекурентного оцінювання визначається залежно від часу тайм-ауту та середнього часу повторної появи заявки, що не була обслугована на попередньому -му інтервалі. Розраховані графіки загальної та корисної пропускної спроможності (С) мережі для різних співвідношень між початковою інтенсивністю вхідного потоку та інтенсивністю обслуговування (рис. 5).

Зі збільшенням коефіцієнта використання мережа вимушена обробляти дедалі більший відсоток повторних заявок. Це зумовлює збільшення сумарної поточної інтенсивності відносно початкової інтенсивності . Мережа дедалі більше завантажується повторними пакетами, і корисна пропускна спроможність зменшується. Природно, швидкість зменшення залежить від співвідношення .

У роботі оцінено також корисну пропускну спроможність локальної мережі Ethernet залежно від коефіцієнта використання за різних видів трафіку. Виведено формули для ймовірності виникнення колізій під час циркуляції трафіку, що описується законом Ерланга -го порядку з інтенсивністю , усередненою на інтервалі спостереження:

Рис. 5. Залежність корисної пропускної спроможності мережі Ethernet від коефіцієнта

використання: – без урахування втрат пакетів; – висока інтенсивність трафіку;

– низька інтенсивність трафіку

(5)

та для самоподібного трафіку з параметром самоподібності (параметром Херста) :

(6)

З використанням виразів (5) і (6) розраховано залежності корисної пропускної спроможності мережі залежно від коефіцієнта використання (рис. 6).

Виходячи з наведених результатів, можна зробити висновок, що коефіцієнт використання магістральних і локальних мереж не може бути надто близьким до одиниці, інакше мережа буде працювати “на себе”, обробляючи повторні запити чи колізії. Відомо, що відновлення параметрів заявленої продуктивності мережі відбувається набагато повільніше, ніж їх падіння внаслідок неконтрольованого перевантаження. Для систем критичного застосування це неприпустимо. Тому для управління ресурсами мережі і підтримання пропускної спроможності в цілому на потрібному рівні необхідно перерозподіляти навантаження на окремі сегменти вже з появою перших симптомів перевантаження, поки воно ще контрольоване.

У цьому розділі розроблено метод та алгоритм адаптивної логічної структуризації автономних локальних мереж, розбитих на окремі сегменти. Схему алгоритму показано на рис. 7.

Рис. 6. Залежність корисної пропускної спроможності магістральної мережі від коефіцієнта використання: – без колізій; – потік Ерланга k=2; – H=0,6; – H=0,8

Алгоритм є циклічною з незаданою кількістю повторень. Для пошуку екстремуму (оптимальної структури) використано метод рекурентного статистичного пошуку.

У базах даних (БД) зберігаються конфігурації сегментів, які організовуються за наявністю тієї чи іншої екстремальної ситуації (ЕС), а також початкова конфігурація мережі. Наявність перевантаження фіксується за кількістю jam-послідовностей та кількістю перевищень постійної складової напруги в загальному розділеному середовищі Uconst. Кількість jam- послідовностей не зв’язано жорсткою функціональною залежністю з коефіцієнтом використання -го сегмента , тому його можна табулювати за графіками, подібними до тих, що показано на рис. 6, і вибирати дані з БД з урахуванням раніше накопичених апріорних даних про характер трафіку в кож-ному сегменті. Найпростіший підхід – розрахунок за співвідношенням між кількістю jam-послідовностей та числом корисних переданих кадрів. Останнє визначається за кількістю переданих квитанцій про прийом кадру -м термінальним вузлом. Початкові дані такі:

- кількість активних термінальних вузлів та їх належність до -го сегмента;

- усереднені об’єми завантаження буферів ВК;

- умови роботи системи (штатний режим – режим обробки екстремальних ситуацій; тип

- екстремальної ситуації );

Рис. 7. Загальний алгоритм адаптивної структуризації мережі

- початкове співвідношення всередині та міжсегментного трафіку Vвсi / Vмсi кожного сег-мента;

- середній час тайм-ауту за міжмережевого обміну (в екстремальній ситуації менший, ніж у штатній в 2 – 3 рази);

- середній коефіцієнт використання кожного сегмента .

У рамках дисертаційних досліджень було проведено ретельне вивчення інформаційно-обчислювальні системи у складі реально функціонувальних АС УПР, виконано порівняльний аналіз, моделювання та розрахунки характеристик. На цій основі дано обґрунтовані рекомендації щодо вибору обліку та структури інформаційно-обчислювальної системи. Пропонується будувати її за ієрар-хічним принципом корпоративної мережі: “магістральна (транспортна) телекомунікаційна мережа – мережі доступу – локальні (автономні) мережі – автоматизовані робочі місця операторів”.

Наведено відповідні структурні схеми, сформульовано основні вимоги до термінальних вузлів, універсальних та спеціалізованих обчислювачів, мережевого комутаційного обладнання, каналостворювальної апаратури, термінального та мережевого програмного забезпечення.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне обґрунтування і одержано нове вирішення актуальної наукової задачі розробки методів и засобів побудови високопродуктивних обчислювальних систем для АС УПР як систем критичного застосування. При цьому одержано такі наукові результати.

1. Проаналізовано вимоги до інформаційно-обчислювальних систем, що входять до складу АС УПР. Установлено, що перепади інтенсивності обчислювального навантаження і обсягів трафіку даних у разі виникнення нештатних ситуацій можуть складати декілька порядків.

2. Розглянуто математичні моделі процесів УПР і навігації в сучасних та перспективних АС УПР. Визначено коло обчислювальних задач, які необхідно вирішувати на різних етапах планування і УПР.

3. Знайдено умови безконфліктності програм повітряного руху і розроблено методику
пошуку безконфліктних програм шляхом розв’язання екстремальної задачі за критерієм мінімуму часу перебування ПС в зоні управління.

4. Виконано експериментальні дослідження і проведено моделювання завантаження операторів АС УПР, розроблено відповідні програми для ЕОМ. Зроблено висновок про необхідність автоматизації виконання рутинних задач для розвантаження операторів, модифікації структури АС УПР. Розроблено структури автоматизованих робочих місць на основі локальних обчислю-вальних мереж для вирішення задач планування і УПР.

5. Сформульовано принципи функціонально-структурної організації бортових спеціалізованих обчислювачів і обчислювальних структур в імітаторах авіаційних тренажерів. Це дозволяє збільшити продуктивність і точність обробки даних за прийнятних апаратних затрат.

6. Розроблено паралельні та паралельно-конвеєрні структури для ітераційного обчислення тригонометричних та алгебричних функцій. Швидкодія і точність обчислень значно підвищені завдяки введенню високошвидкісних засобів корекції аргументів і проміжних результатів обчислень. Перехід від обчислень однієї функції до обчислень іншої функції здійснюється програмно – змінюванням значень управляючого вектора. Завдяки такій організації обчислення трансформація обчислювальної структури і перехід до нової задачі виконуються за один такт, тобто майже миттєво.

7. Виконані розрахунки зміни корисної пропускної спроможності магістральних і локальних мереж залежно від навантаження на мережу, коефіцієнта використання мережі можна застосовувати як для оцінки потенціальних характеристик мереж, так і для обґрунтованих видачі рекомендацій щодо підвищення якості та надійності функціонування мереж. Це особливо важливо під час експлуатації інформаційно-обчислювальних систем в умовах критичного застосування.

8. Розроблені в дисертації метод і алгоритм адаптивної логічної структуризації автономних локальних мереж основані на оптимізації співвідношення внутрішньосегментного і міжсегментного трафіків. Перевагою запропонованого підходу є простота діагностики перевантаження окремого сегмента і можливість знайдення перевантаження на самій ранній стадії, поки вона ще контролюємо і є можливість її усунення у реальному часі.

9. Обґрунтовано рекомендації щодо вибору обліку та структури корпоративної обчислю-вальної мережі АС УПР як системи критичного застосування, які ґрунтуються на результатах теоретичного аналізу, математичного моделювання і експериментальних досліджень. Запропоновано багатошарову структуру інформаційно-обчислювальної системи типу “магістральна мережа – мережі доступу – автономні локальні мережі – автоматизовані робочі місця – універсальні ЕОМ – спеціалізовані обчислювачі”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Дрововозов В. И. Экспериментальная оценка загруженности воздушного пространст- ва // Проблеми інформатизації та управління: Зб. наук. пр. – К.: НАУ, 2002. – Вип. 5. – С. 90 – 95.

2. Дрововозов В. И. Адаптивная структуризация вычислительной сети // Проблеми системного підходу в економіці: Зб. наук. пр. – К.: НАУ, 2004. – Вип. 7. – С. 126 – 131.

3. Дрововозов В. И. Анализ нагрузки на вычислительные сети автоматизированных систем управления воздушным движением // Проблеми інформатизації та управління: Зб. наук. пр. – К.: НАУ, 2005. – Вип. 12. – С. 58 – 67.

4. Карпушин Ю. П., Дрововозов В. И. Расширение функций систем документирования в автоматизированных системах управления воздушным движением // Проблемы информатизации и управления: Сб. научн. тр. – К.: КМУГА, 1997. – Вып. 2. – С. 14 – 16.

5. Жуков И. А., Стасюк А. И., Дрововозов В. И. Концепция организации систем управления воздушным движением с использованием параллельных вычислительных структур // Проблеми здобування, збору та обробки даних повітряної розвідки: Зб. наук. пр. – К.: КІ ВПС, 1998. – С. 99 – 103.

6. Жуков И. А., Стасюк А. И., Дрововозов В. И. Методологія синтезу паралельних процесорів для обчислювальних комплексів систем управління повітряним рухом // Літальні апарати та авіаційні двигуни: Зб. наук. пр. – К.: КІ ВПС, 1998. – Вип. 3. – С. 47 – 53.

7. Жуков І. А., Дрововозов В. І., Гузій М. М. Підвищення ефективності системи керування рухом повітряних суден застосуванням комплексних систем навігації, зв’язку і керування повітряним рухом // Зб. наук. пр. КІ ВПС. – К.: КІ ВПС, 1999. – Вип. 6. – С. 34 – 40.

8. Жуков І. А., Дрововозов В. І., Карпушин Ю. П. Визначення навантаження обчислювального комплексу системи керування повітряним рухом // Вісн. Київського міжнар. ун-ту цивільної авіації. – К.: КМУЦА, 2000. – С. 128 – 132.

9. Жуков И. А., Дрововозов В. И., Рудюк Г. И. Организация высокопроизводительных специализированных вычислителей для имитаторов авиационных тренажеров // Проблеми інформатизації та управління: Зб. наук. пр. – К.: НАУ, 2005. – Вип. 13. – С. 43 – 52.

10. Масловський Б. Г., Дрововозов В. І. Сучасний стан і перспективи розвитку засобів управління рухом повітряного транспорту України // Тез. доп. XVI звітної науково-технічної конференції університету. – Київ, 1996. – С. 77.

АНОТАЦІЯ

Дрововозов В.І. Методи та засоби побудови високопродуктивних обчислювальних систем для задач управління повітряним рухом та навігації. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.13. – обчислювальні машини, системи та мережі. – Національний авіаційний університет, Київ, 2005.

Роботу присвячено розробленню високопродуктивних інформаційно-обчислювальних систем АС УПР, що працюють в умовах критичного застосування.

Розроблено математичні моделі процесів, що відбуваються в АС УПР у штатних режимах та в разі виникнення екстремальних ситуацій, зокрема, конфліктів ПС. Проаналізовано відповідні вимоги до швидкодії спеціалізованих і універсальних обчислювачів, пропускної спроможності комп’ютерних мереж. Досліджено вплив комутаційного обладнання на корисну пропускну спроможність та затримки передавання мережевого трафіка.

Розроблено нові паралельні та паралельно-конвеєрні обчислювальні структури для виконання обчислень у реальному часі в умовах великих перепадів обчислювального навантаження. Наведено порівняльні оцінки ефективності раніше розроблених та запропонованих у дисертації обчислювальних структур.

Досліджено залежності корисної пропускної спроможності магістральних та локальних
мереж від об’ємів навантаження та статистичних характеристик мережевого трафіку.

Розроблено метод та алгоритм адаптивної логічної структуризації мереж для перерозподілу обчислювального навантаження та співвідношення внутрішньосегментного та міжсегментного трафіків.

Обґрунтовано рекомендації щодо вибору структури інформаційно-обчислювальної системи АС УПР. Запропоновано багатошарову ієрархічну структуру типу “магістральна мережа – мережі доступу – автономні локальні мережі – автоматизовані робочі місця – універсальні ЕОМ – спеціалізовані обчислювачі”. Завдяки автоматизації на всіх рівнях, зокрема, на робочих місцях, оператори-диспетчери та керівники підрозділів АС УПР вивільняються від рутинних операцій. Швидкість прийняття рішень зростає, а кількість помилкових рішень зменшується.

Запропоновані моделі та методи, нові науково-технічні рішення можуть бути використані для створення автоматизованих систем управління критичного застосування, які застосовуються у різних галузях народного господарства.

Ключові слова: система критичного застосування, автоматизована система управління повітряним рухом, паралельна обчислювальна структура, паралельно-конвеєрна обчислювальна
структура, багатошарова ієрархічна мережа, передавання даних, трафік даних, структуризація мереж.

АННОТАЦИЯ

Дрововозов В.И. Методы и средства построения высокопроизводительных вычислительных систем для задач управления воздушным движением и навигации. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.13. – вычислительные машины, системы и сети. – Национальный авиационный университет, Киев, 2005.

Работа посвящена разработке высокопроизводительных информационно-вычислительных систем АС УВД, работающих в условиях критичного применения.

Разработаны математические модели процессов, протекающих в АС УВД в штатных режимах и при возникновении экстремальных ситуаций, в частности, конфликтов воздушных судов. Проанализированы соответствующие требования к быстродействию специализированных и универсальных вычислителей, пропускной способности компьютерных сетей. Исследовано влияние коммутационного оборудования на полезную пропускную способность и задержки передачи сетевого трафика.

Разработаны новые параллельные и параллельно-конвейерные вычислительные структуры для выполнения вычислений в реальном времени в условиях больших перепадов вычислительной нагрузки. Даны сравнительные оценки эффективности ранее разработанных и предложенных в диссертации вычислительных структур.

Исследованы зависимости полезной пропускной способности магистральных и локальных сетей от объёмов нагрузки и статистических характеристик сетевого трафика.

Разработаны метод и алгоритм адаптивной логической структуризации сетей для перераспределения вычислительной нагрузки и соотношения внутрисегментного и межсегментного трафиков.

Обоснованны рекомендации по выбору структуры информационно-вычислительной системы АС УВД. Предложена многослойная иерархическая структура типа “магистральная сеть – сети доступа – автономные локальные сети – автоматизированные рабочие места – универсальные ЭВМ – специализированные вычислители”. Благодаря автоматизации на всех уровнях, в
частности, на рабочих местах, операторы – диспетчеры и руководители подразделений АС УВД высвобождаются от рутинных операций. Скорость принятия решений возрастает, а количество ошибочных решений уменьшается.

Предложенные модели и методы, новые научно-технические решения могут быть использованы при создании автоматизированных систем управления критичного применения, которые применяются в разных отраслях народного хозяйства.

Ключевые слова: система критичного применения, автоматизированная система управления воздушным движением, параллельная вычислительная структура, параллельно-конвейерная вычислительная структура, многослойная иерархическая сеть, передача данных, трафик данных, структуризация сетей.

ABSTRACT

Drovovozov V.I. Methods and engineering environment of high-efficient computing systems for problems of air traffic control and navigation. – Manuscript.

Dissertation for competition of scientific degree of candidate of science (Technical) on specialty 05.13.13. – computers, computing systems and networks. – National aviation university Ministry of Education and Science of Ukraine, Kiev, 2005.

Dissertation work is dedicated to research of high-efficient information and computing systems of automated systems of air traffic control, which operate under conditions of critical implementation.

Mathematic models of processes flowing in automated systems of air traffic control in common
regimes and with rising of extreme situations, in particular, with conflicts of aircrafts, are developed.
Appropriate requirements to processing speed of specialized and universal computing devises, capacity of computer networks are analyzed. The influence of commutation equipment on useful capacity and delays of network traffic transfer are researched.

New parallel and parallel/conveyer computing structures are developed for computing in real timescale under conditions of great gaps of computing load. Comparative estimates of efficiency of earlier developed and proposed in dissertation computing structures are completed.

The dependences of useful capacity of backbone and local networks from load volumes and statistic characteristics of network traffic are researched.

Method and algorithm of adaptive logical structuring of networks for re-distribution computing load and internal-segment/external-segment traffic ratio are developed.

Valid recommendations on choice of structure of information and computing system of automated systems of air traffic control. The multilayer hierarchic structure of kind “backbone network – access networks – autonomous local networks – work stations – universal computers – custom-designed
computers”. Due to all layers automation, particularly, on work stations, the operators – air traffic
dispatchers and heads of divisions of automated systems of air traffic control are released from routine operations. Temp of decision-making increases, and number of errors decreases.

Proposed models and methods, new scientific and technical decisions may be used with creation of automated control systems of critical application, which employ in different branches of people
economics.

Key words: systems of critical application, automated systems of air traffic control, parallel
computing structure, parallel/conveyer computing structure, multilayer hierarchic network, data transfer, data traffic, network structuring.