Оптимальное формирование информационных потоков, поступающих в автоматическую систему контроля АС

Информация, переданная на вход АСК с выхода некоторой подсистемы в фиксированный момент времени t, представляет собой совокупность сведений о состоянии данной подсистемы до момента времени t. Естественно, что для АСК было бы желательно непрерывное слежение за каждой из контролируемых подсистем. Однако, если каждое поступление информации связано с расходом времени на ее передачу и обработку, которое не зависит от содержащихся в ней новых сведений, то это может привести к необходимости существенного увеличения пропускной способности АСК и к соответствующему удорожанию конечных результатов кон­троля.

Дискретизация процесса контроля приводит к некоторой неопреде­ленности сведений о состоянии каждой из подсистем и всей системы (на­пример, завода, отрасли) в целом. За подобное незнание приходится расплачиваться определенными производственными потерями, например принятием неправильных решений, дезорганизацией производства и, как следствие этого, повышением себестоимости продукции или снижением се качества.

Из сказанного следует, что задачу оптимального формирования информационных потоков, поступающих на вход АСК, целесообразно сфор­мулировать как задачу нахождения таких интервалов времени между по­следовательными моментами обращения АСК к контролируемым подсистемам, которые бы минимизировали общие затраты на АСК.

На практике встречаются два основных подхода к оптимальному распределению информационных потоков, поступающих от подсистем

большой системы в АСК и используемых для оперативной оценки пра­вильности их функционирования.

Первый подход основан на предположении, что интервалы между последовательными опросами подсистем (например, цехов и служб завода) и длительность самого запроса стандартны. Соответствующую такому подходу математическую модель распределения информационных потоков на входе в АСК назовем детерминированной, а режим работы АСК, реали­зующий эту модель, - циклическим.

Второй подход основан на представлении АСК в виде однолинейной системы массового обслуживания со многими входящими потоками, поступающими от контролируемых подсистем. Математическую модель, описывающую поведение такой системы, принято называть стохастической.

В соответствии с детерминированной моделью задача оптимизации входных информационных потоков АСК сводится к отысканию оптимального распределения величин { } интервалов времени, через которые i-я подсистема передает информацию на вход АСК. Можно показать, что эта задача представляет собой стандартную задачу нелинейного программиро­вания, согласно которой осуществляется минимизация некоторой целевой функции

при нелинейном ограничении

где Т - общее время функционирования АСК в режиме обработки инфор­мации; Т - время, расходуемое АСК на переработку информации, поступающей от n подсистем; - среднее время, необходимое АСК на обра­ботку информации от 1-й подсистемы (на одну передачу сведений); скорость накопления информации в i-й подсистеме; - стоимость единицы информации, поступившей от i-й подсистемы на вход в АСК; -стоимость единицы неопределенности наших знаний о состоянии i-й под­системы, измеряемая объемом информации, накопленной в этой подсисте­ме, но еще не переданной или не поступившей на вход АСК.

Минимизация целевой функций (5.1) при ограничении (5.2) доста­точно просто реализуется на ЭВМ посредством хорошо отработанных ме­тодов и программ.

Согласно стохастической модели задача оптимизации входных ин­формационных потоков АСК имеет два решения: применительно к систе­мам без приоритета и с приоритетом.

Применительно к АСК без приоритета, имеющей всего один канал приема информации, на который поступает n простейших потоков требований от n контролируемых подсистем (с каждой из подсистем по одному потоку), время обслуживания требований не зависит от длины и состава очереди и от поступающего потока. Помимо обслуживания потоков АСК реализует еще ряд функций (самоконтроль, формирование сигналов управления и др.), которые осуществляются ею в те моменты, когда на ее входе отсутствуют требования суммарного потока , , где - интенсивность i-го потока. Если на входные потоки не накладывать никаких ограничений, то может оказаться, что время, оставшееся на выполнение этих функций, будет недостаточным. Поэтому, несмотря на приоритет за­дач обслуживания, общее время использования АСК для указанных целей должно лежать в определенных границах, что может быть достигнуто со­ответствующим выбором параметров входящих потоков и АСК. Такой вы­бор может быть осуществлен путем оптимизации общих расходов, связан­ных с получением и обработкой информации от контролируемых подсистем. При реализации стохастической модели для АСК с приоритетом, в от­личие от модели без приоритета, могут иметь место две ситуации.

Первая из них характерна тем, что приоритетность потока определяется возможностью подсистемы, с которой он поступает, и поэтому известна заранее.

Вторая ситуация характерна тем, что приоритетность потока заранее не задана и ее необходимо определить исходя из минимума общих затрат на систему. В данной ситуации можно считать, что функция распределе­ния времени обслуживания каждого потока показательная с соответст­вующим параметром для i-го потока. Очередь на обслуживание не ог­раничена, и требуется сформировать входящие потоки с назначением их приоритета (т.е. задать их ) так, чтобы минимизировать общие затраты на АСК.

Рис. 5.1 Временная диаграмма процедуры опроса каналов и ввода данных в ЭВМ АСК (n = 4; = 4; т = 3; = 1)

Наряду с рассмотренными принципами оптимального формирования входных информационных потоков АСК существенного внимания заслу­живает принцип формирования потоков при таймерном режиме опроса контролируемых подсистем, при котором опрос каждой из п подсистем (информационных каналов) осуществляется со своим индивидуальным периодом.

Важное преимущество таймерного режима работы АСК и соот­ветствующего ему принципа формирования информационных потоков со­стоит в том, что при его реализации отпадает необходимость в датирова­нии результатов измерений и привязке к ним номеров источников инфор­мации. Тем самым сокращается длина кодового слова, соответствующая результату измерения, и, следовательно, объем оперативной памяти, в ко­торой эти результаты хранятся. Периодичность получения результатов из­мерения (для каждого из каналов) позволяет также упростить алгоритмы обработки информации. При реализации таймерного режима источники информации в том порядке, который определяется заданным алгоритмом, подключаются с помощью коммутатора к входу аналого-цифрового преоб­разователя, имеющего фиксированное время измерения . Результаты из­мерения передаются в оперативную память одной из ЭВМ АСК для хране­ния и дальнейшей обработки. Ввод информации в АСК производится в те­чение интервалов времени , следующих один за другим через время интервалы считывания (рис. 5.1).

Для хранения данных, получаемых между интервалами считывания, во всех каналах предусмотрены индивидуальные буферные запоминающие устройства емкостью в т результатов измерения. Эти запоминающие уст­ройства коммутируются к выходу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) одновременно с подключением на его вход соответствующих ис­точников информации. Число т определяет также количество результатов измерения, которое в течение одного интервала считывания можно из бу­ферной памяти переслать в оперативную память.

Необходимость в накоплении и передаче блока из т цифровых ко­дов, характеризующих состояние одного канала, вызвана тем, что число двоичных разрядов цифровых кодов результата измерения меньше числа двоичных разрядов, составляющих емкость ячейки оперативной памяти. Именно т — целая часть отношения разрядностей этих чисел. Если в ячейку оперативной памяти записывать не всю информацию одновремен­но, а разделить ее на «порции», то потребуется, во-первых, непроизводи­тельное время на считывание уже занесенных в ячейку данных и, во-вторых, дополнительное оборудование для «упаковки» извлеченных из ячейки и вновь поступивших результатов измерения. В случае же записи в одну ячейку памяти результатов измерения в различных каналах возникнут трудности при их расшифровке (определении подсистем, к которым отно­сятся хранимые в ячейке результаты измерения).

Очевидно, что при заданных значениях величин ( и т время измере­ния должно быть ограничено сверху: /т.

В противном случае за интервал времени невозможно выполнить т измерений и, следовательно, таймерный режим не будет реализован. В то же время слишком малые значения означают необоснованно завышенные требования к быстродействию аналого-цифрового преобразователя и сви­детельствуют о несогласованности его «производительности» с характеристиками линии связи между контролируемыми подсистемами и ЭВМ, вхо­дящими в состав АСК. Однако даже в условиях полного согласования ( = t_n) возможны потери информации из-за неправильного выбора процеду­ры опроса каналов. Такая ситуация возникает, например, в условиях цик­лического режима при естественном (казалось бы) последовательном под­ключении каналов через интервалы . Действительно, к некоторому мо­менту времени происходит заполнение буферных запоминающих уст­ройств в нескольких каналах, тогда как до поступления новых данных мо­жет быть передано в оперативную память содержание только одного бу­ферного устройства. Таким образом, возникает задача о выборе такой про­цедуры опроса источников информации, которая обеспечивала бы задан­ный период для каждого канала и не приводила бы к потере данных из-за невозможности одновременной передачи по линии связи более чем т ре­зультатов измерения в течение одного интервала считывания . Очевидно, что особенности искомой процедуры будут влиять и на структуру измери­тельного тракта АСК.

Остановимся сначала на организации циклического режима как ча­стного случая таймерного, различая при этом две разновидности его зада­ния:

1) заданы период опроса 6 (одинаковый для всех каналов), время измерения , интервал времени между считываниями t_п и число т. Требуется найти максимальное число каналов Nmax, для которого возможен цикличе­ский опрос с заданным периодом;

2) фиксируются значения n, , t_n и т; нужно определить возможный наименьший период. В дальнейшем будем полагать, что и t_п/ - целые числа.

Для этих разновидностей задания циклического режима необходимо найти процедуру опроса, гарантирующую отсутствие потерь данных, и предложить варианты схемной реализации.

Максимальное число каналов (для постановки 1) и минимальный пе­риод (для постановки 2) должны отвечать условию

(5.3)

Следует отметить, что при циклической процедуре опроса к началу каждого интервала считывания заполняется ровно одно буферное устрой­ство. Это обстоятельство целесообразно учитывать при контроле правиль­ности протекания процедуры. Указанная особенность процедуры позволя­ет отказаться от коммутатора, подключающего буферные запоминающие устройства к линии связи. Эта идея имеет простую схемную реализацию: достаточно предусмотреть запрет на считывание содержания тех буфер­ных устройств, которые заполнены менее чем т результатами измерений.

Нельзя не отметить, что зависимость значений начальной фазы от номера канала (индексов i и j) ведет к усложнению АСК, так как появляет­ся потребность в устройстве, реализующем необходимые задержки. Одна­ко возможно и другое схемное решение, основанное на использовании в

буферных устройствах так называемой «гнездовой» памяти. Последняя представляет собой набор из т регистров, число двоичных разрядов в каж­дом из которых равно числу разрядов в двоичной записи результата изме­рения (информационного слова). Одноименные разряды регистров соеди­нены цепями сдвига. Информационные слова могут продвигаться из реги­стра в регистр в направлении от входа к выходу. Информационное слово, поступившее первым, записывается в первый регистр; слово, поступившее вторым продвигает первое слово во второй регистр, а само занимает осво­бодившийся первый регистр и т. д. Если буферное запоминающее устрой­ство занято полностью, то при поступлении следующего слова информа­ция, содержащаяся в т-м регистре, теряется и в него подается результат, хранившийся в регистре с номером (т - 1).

Гнездовая память в буферных запоминающих устройствах автомати­чески выполняет операции начальной задержки, так как результаты изме­рений, которые не должны фиксироваться в течение переходного режима, теряются.

Обратимся теперь к таймерному режиму. Если условие гарантировало возможность реализации циклического режима, то в тай мерном режиме аналогичное условие формулируется не столь просто. Необходимым условием реализуемости таймерного режима является выполнение неравенства

или, считая ,.

Рассмотрим теперь задачи, связанные с организацией накопления данных в буферных запоминающих устройствах (БЗУ) и дальнейшей пере­дачей их в одну из ЭВМ АСК. Эти задачи состоят в том, чтобы для каждо­го из каналов найти моменты первого измерения и первого считывания, обеспечивающие отсутствие потерь информации.

Обратимся сначала к задаче об организации считывания данных из индивидуальных БЗУ. В случае, когда емкость этих устройств равна т ин­формационным словам, порядок считывания будет повторять порядок оп­роса каналов. При этом, если период опроса i-го канала составляет величи­ну то период между считываниями данных в этом канале должен со­ставлять m . Таким образом, процедура считывания может быть организо­вана следующим образом: отмечается момент первого заполнения БЗУ в некотором к-м канале и в ближайший момент считывания производится передача данных в «память» ЭВМ; если момент (интервал) опроса в l-м канале отстоит на я временных единиц от момента опроса к-го канала, то момент считывания в l-м канале отстоит на тs временных единиц от мо­мента считывания в к-м канале. Для предотвращения потерь информации из-за ограниченного объема БЗУ необходимо, чтобы до момента первого

считывания в БЗУ каждого канала поступило ровно по т информационных слов.

Аппаратурная реализация таймерного режима в соответствии с из­ложенным выше должна предусматривать как устройства для получения заданной периодичности отсчетов в каждом из каналов, так и аппаратуру для организации «начальных фаз» отсчетов.

В ряде случаев при реализации таймерного режима представляется целесообразным осуществление БЗУ по схеме гнездовой памяти; при этом автоматически обеспечивается «вхождение» в стационарный режим опроса без применения специальных устройств для фиксирования начальных фаз в каждом из каналов.

К решению подобных задач сводится и определение условий осуще­ствимости периодических режимов опроса при наличии в АСК нескольких измерительных трактов.