1. П А К У Л И Н Н И К О Л А Й
N P A K @ I S P R A S . R U
И С П Р А Н , М О С К В А
Динамическая верификация
гибридных систем

2. Гибридные системы
 Гибридные
системы - это
сложные
взаимодействующие
физические
процессы, которые в
реальном времени
управляются сетью
специализированных
ЭВМ.
 Киберфизические
системы – сочетание
аналоговых процессов и
цифровых управляющих
контуров
10-12.10.2013TMPA-2013, Кострома

3. Гибридные системы (2)
10-12.10.2013TMPA-2013, Кострома

4. Гибридные системы (3)
10-12.10.2013TMPA-2013, Кострома
 Отличаются тесной взаимосвязью между
вычислительными и физическими компонентами
системы:
 Авиация: интегрированная модульная авионика,
 Автомобилестроение: интеллектуальный автомобиль,
 Энергетика: интеллектуальные сети,
 Промышленность: интеллектуальная фабрика,
 Быт: интеллектуальный дом
 “Гибридная система” = “встроенная система на
стероидах”
 Набор взаимодействующих физических процессов
 Сеть управляющих контроллеров
 Цифровые каналы передачи информации

5. Причины разработки гибридных систем
10-12.10.2013TMPA-2013, Кострома
 Снижение роли «человеческого фактора»
 Автоматизация технологических процессов, защита от
ошибок, ускорение выполнения этапов, …
 Удешевление процессов
 Уменьшение числа рабочих – снижение расходов на з/п
 Снижение требований к квалификации
 Улучшение эксплуатационных характеристик
 Экономия на весе проводов в авиации (топливо!)
 Уменьшение расхода топлива в автомобиле
 Уменьшение расходов материалов на производстве
 …
 …
 Все большее распространение гибридных систем
неизбежно

6. Риски внедрения гибридных систем
10-12.10.2013TMPA-2013, Кострома
 Техногенные катастрофы из-за ошибок
проектирования
 Blackout, сброс неочищенных канализационных стоков, …
 Материальные и репутационные
потери, человеческие жертвы
 Отказы спутников, переоблучение людей рентгеновским
излучением
 (гипотетически) падение самолетов, ошибки
«электронного шофера»
 Нежелательное поведение
 Отказ выполнять команды оператора

7. Цель проекта
10-12.10.2013TMPA-2013, Кострома
 Верификация гибридных систем на ранних этапах
разработки
 Верификация дизайна гибридной системы, моделей
подсистем, алгоритмов управления
 Автоматизация верификации моделей гибридных
систем
 Функциональная корректность
 Надежность (отказоустойчивость, надежность, доступность)
 Методы верификации
 Тестирование с использованием моделей
 Вариации условий окружения, внешний шум
 Внедрение ошибок (Fault Injection),

8. Пример
10-12.10.2013TMPA-2013, Кострома
 Автопилот
обеспечивает
автоматическое
поддержание курса и
высоты самолета
 Поддержание параметров
движения летательного
аппарата :
автопарирование
возмущений по
курсу, крену и
тангажу, стабилизация
высоты и скорости
 Требования системного
уровня
 Ограничения по
ускорению, крену, тангажу
 Требования по
выдерживанию курса и
высоты
Изображение взято с сайта alput.biz/avtopilot-samoleta.htm

9. In Models We Trust
10-12.10.2013TMPA-2013, Кострома
 Disclaimer: в рамках проекта мы доверяем
адекватности моделей окружающей среды и
оборудования
 Модели физических процессов, сенсоров, актуаторов
считаются адекватными реальным системам и
оборудования
 Верификаторы не должны диктовать физикам /
инженерам как моделировать реальный мир
 Верификация начинается после создания
моделей

10. Особенности моделирования крупных систем
10-12.10.2013TMPA-2013, Кострома
 Разнородные средства моделирования
 MatLab/Simulink, SciLab/SciCos, LabView
 Специализированные средства моделирования
(PowerGrid, Esterel, …)
 Языки общего назначения: C/C++, Fortran, Ada, …
 Распределенное аппаратное обеспечение
 Недостаточно ресурсов CPU/ памяти для вычисления всех
моделей на одном компьютере

11. Динамическая верификация «на пальцах»
10-12.10.2013TMPA-2013, Кострома
 Динамическая верификация = тестирование
 Тестируется модель реальной системы
 Алгоритмы автопилота
 Процесс динамической верификации
 Тест готовит начальное состояние
 Самолет взлетает и ложится на курс
 Поддерживается окружение
 Инициализация и синхронизация навигационной системы
 Инициализация моделей сенсоров
 Оказываются тестовые воздействия
 Варьируются окружающие условия (ветер, атмосферное давление)
 Проверка соблюдения требований
 Модель самолете вычисляет текущее положение, скорость, крен/тангаж, и
т.д.
 Тест проверяет ограничения на параметры полета
 Тест идет непрерывно в течение длительного времени
 Полет из Шереметьево в Пулково
 Запись истории выполнения, визуализация графиков

12. Архитектура стенда
10-12.10.2013TMPA-2013, Кострома
Целевая
система
Автопилот
Python
(управление
тестами)
Модель
самолета
Система
распределения
Модель
нав. сист.
Модель
датчиков
Сценарий
ошибок
Модели физических систем
адаптер
Модель
…
Визуализаия
Мониторинг

13. Подсистема распределения
10-12.10.2013TMPA-2013, Кострома
 Обеспечивает обмен информацией между
компонентами стенда
 Передача данных между машинами стенда
 Связывание гетерогенных моделей
 Возможные подходы к реализации:
 IEEE 1516 – сложный интерфейс «на все случаи жизни»
 OMG Distribution System – по архитектуре publish-
subscribe
 Рефлективная общая память
 «Велосипед» – нестандартная самодельная схема
обмена данными

14. Подсистема распределения (2)
10-12.10.2013TMPA-2013, Кострома
 Общие данные хранятся как именованные переменные в
общей памяти
 Синхронизация общей памяти между машинами по
самодельному протоколу
 Постулируется требование «один писатель – множество читателей»
 Широковещательные рассылки для минимизации задержек
 Выделенный агент на каждой машине синхронизирует данные в
общей памяти с сетью
 Латентность на реальном стенде ~0,3 мс
 + моделирование в реальном времени
 - риск потерь на коммутаторе (switch)
 Внедрение ошибок и/или шума в показания датчиков
 Управляемое искажение значений переменных при синхронизации

15. Архитектура стенда
10-12.10.2013TMPA-2013, Кострома
Целевая
система
Автопилот
Python
(управление
тестами)
Модель
самолета
Система
распределения
Модель
нав. сист.
Модель
датчиков
Сценарий
ошибок
Модели физических систем
адаптер
Модель
…
Визуализаия
Мониторинг

16. Подсистема распределения - адаптеры
10-12.10.2013TMPA-2013, Кострома
 Адаптер связывает модель с подсистемой
распределения
 С/С++, Python, Fortran
 SciLab (аналог MatLab/Simulink)
 При разработке моделей необходимо
использовать API для доступа к переменным
общей памяти
 Синхронизация прозрачна для приложения
 Частичная поддержка legacy моделей
 Связь с реальным оборудованием
 Выходит за рамки данного доклада

17. Архитектура стенда
10-12.10.2013TMPA-2013, Кострома
Целевая
система
Автопилот
Python
(управление
тестами)
Модель
самолета
Система
распределения
Модель
нав. сист.
Модель
датчиков
Сценарий
ошибок
Модели физических систем
адаптер
Модель
…
Визуализаия
Мониторинг

18. Модели
10-12.10.2013TMPA-2013, Кострома
 Модели подсистем, с которыми взаимодействует
целевая система, и окружающего мира
 Сенсоры (атм. давление, скорость отн. воздуха, и т.д.)
 Навигационная система
 Двигатель, механизация крыла
 Модель атмосферы, модель рельефа
 Модель системного уровня
 Модель самолета
 Для проверки системных требований

19. Архитектура стенда
10-12.10.2013TMPA-2013, Кострома
Целевая
система
Автопилот
Python
(управление
тестами)
Модель
самолета
Система
распределения
Модель
нав. сист.
Модель
датчиков
Сценарий
ошибок
Модели физических систем
адаптер
Модель
…
Визуализаия
Мониторинг

20. Тест
10-12.10.2013TMPA-2013, Кострома
 Инициализирует подсистему распределения
 Набор разделяемых переменных
 Начальные значения переменных
 Управляет моделью окружения
 Меняет силу ветра, направление, атмосферное давление
 Через соответствующие разделяемые переменные
 Вносит помехи в показания датчиков
 Указывает подсистеме распределения модель ошибки при
записи переменной
 Линейный сдвиг, гармоническая помеха, нормальный
шум, равномерный белый шум
 Нотация: Python

21. Архитектура стенда
10-12.10.2013TMPA-2013, Кострома
Целевая
система
Автопилот
Python
(управление
тестами)
Модель
самолета
Система
распределения
Модель
нав. сист.
Модель
датчиков
Сценарий
ошибок
Модели физических систем
адаптер
Модель
…
Визуализаия
Мониторинг

22. Визуализация
10-12.10.2013TMPA-2013, Кострома
 Табличное представление разделяемых
переменных
 В том числе представление произвольных формул от
значений переменных
 Графическое представление разделяемых
переменных как функций времени
 В том числе графики произвольных формул от значений
переменных
 Представление нечисловых данных
 Binary blob

23. On-going project
10-12.10.2013TMPA-2013, Кострома
 При поддержке гранта РФФИ 12-01-31453
 Интеграционный тестовый стенд для авионики
нового магистрального самолета МС-21