Русский | English   поискrss RSS-лента

Главная  → Документы и публикации  → Материалы конференций  → Материалы Международной конференции Sorucom-2017  → Эволюция систем автоматизации научных исследований аэромеханики летательных аппаратов

Эволюция систем автоматизации научных исследований аэромеханики летательных аппаратов

Введение

Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского обладает уникальной экспериментальной базой, которая позволяет проводить исследования летательных аппаратов, их компонентов и моделей с имитацией различных условий эксплуатации. Для имитации нагрузок, действующих на летательный аппарат в условиях полета, с начала 20-го века стали проводиться исследования в аэродинамических трубах (АДТ). Вначале это были чисто качественные наблюдения, затем стали развиваться все более точные и быстродействующие устройства сбора данных. Результаты обрабатывались вручную, а затем и с помощью механических счетно-решающих устройств. Первые попытки использовать ЭВМ для автоматизации эксперимента начались в конце 50-х. Но только в середине 60-х, с появлением надежно работающих ЭВМ с достаточным характеристиками, в ЦАГИ были развернуты работы по. созданию первой централизованной вычислительной системы (ЦВС – 1) для комплексной автоматизации экспериментальных исследований в аэродинамических трубах.

Централизованная вычислительная система ЦВС-1

В качестве ядра системы использовались две ЭВМ ДНЕПР-1 (разработка ИК АН УССР), к которым (дополнительно к штатным устройствам перфоленточного ввода/вывода и узкой цифропечати) подключили внешние накопители на магнитной ленте и интерфейс с линиями связи (Рис 1). К ЭВМ по линиям связи (физическая структура – «звезда») подключались комплекты разработанной в ВЦ ЦАГИ аппаратуры САПФИР (Система Автоматической ПерФорации И Регистрации), которая осуществляла преобразование аналоговых данных полученных измерителями в цифровую форму, автоматическую регистрацию на перфоленте и передачу данных из АДТ на центральный блок ЦВС-1 по линиям связи. Блок управления связи с аппаратурой САПФИР на переднем плане фото (Рис 1).

Центральный зал ЦВС-1

Рис. 1. Центральный зал ЦВС-1 (1967г.)

ЭВМ ДНЕПР-1 обладали весьма скромными вычислительными возможностями (около 20 тыс операций в секунду с 26-разрядными числами с фиксированной запятой). Несмотря на это, благодаря искусно оптимизированным библиотекам вычислений и расширенной периферии (в течении ряда лет расширили оперативную память, подключили внешние накопители на магнитной ленте от ЕС ЭВМ, АЦПУ, графопостроители и другие внешние устройства), ЦВС-1 (Рис 2) обеспечивала проведение обработки данных аэродинамического эксперимента для всей авиационной промышленности в течение полутора десятков лет, по 1982-й год.

Центральный зал ЦВС-1

Рис. 2. Центральный зал ЦВС-1 (1980г.)

Централизованная вычислительная система ЦВС-2

Следующий проект комплексной автоматизации экспериментальных исследований в аэродинамических трубах, ЦВС-2, представлял собой компьютерную инфраструктуру, состоявшую из ЭВМ на двух уровнях (Рис. 3). На первом уровне были установлены измерительно-вычислительные комплексы (ИВК), оснащенные мини-ЭВМ типа СМ-4 (PDP-11) и ЕС-1010 (Mitra-15), устройствами связи с измерительной и управляющей аппаратурой объекта АДТ и подключенные через специально разработанный магистральный интерфейс линий связи к центральному блоку ЦВС-2. на базе ЕС ЭВМ. До 1987 года это были две ЭВМ ЕС-1033, работавшие на общем поле внешней памяти. Впоследствии их заменили две ЭВМ ЕС-1055, а к ним дополнительно подключили и ЕС-1066. Разработка аппаратно-программных средств, объединяющих разнородные машины типа в единую масштабируемую сеть, являлась на тот период уникальной и была защищена многочисленными авторскими свидетельствами.

На второй уровень – Центральный Блок возлагались задачи накопления и архивации данных, полученных с ЭВМ 1-го уровня, их комплексной обработки, погружения в Банк Данных и последующей передачи данных в организации отрасли. Схема построения верхнего уровня программного обеспечения связи в ЦВС-2 реализована на обмене файлами и вызове процедур (библиотеки подпрограмм для вызова из программы пользователя на языке ФОРТРАН) с удаленной мини-ЭВМ через центральный интерпретатор системы со специализированной БД который по современным понятиям представляет собой портал. На прикладном уровне программное обеспечение связи было “прозрачно” для программ пользователей. Впоследствии, программное обеспечение прикладного уровня связи в ЦВС-2 позволило осуществлять объектам диалоговый режим работы непосредственно с ЭВМ ЦБ ЦВС-2. На терминале объектовой ЭВМ типа СМ-4 или ЕС-1010 эмулировался экран дисплея ЕС ЭВМ с возможностью использования всех ресурсов центральных ЭВМ. Практически еще в середине 80-х в локальной сети разнородных ЭВМ были реализованы технологии файл-сервер и сервер-приложений, которые задействованы сейчас в локальных сетях ЭВМ. Аппаратно-программные средства ЦВС-2 обеспечивали взаимодействие в рамках инфраструктуры десятков ЭВМ .

Распределённая компьютерная инфраструктура ЦВС-2

Рис. 3. Распределённая компьютерная инфраструктура ЦВС-2 (1990 год)

Аппаратным ядром ЦВС-2 стал трехмашинный комплекс из двух ЭВМ ЕС-1055, работающих на общее поле внешней памяти и соединенных устройствами канал-канал с третьей мощной машиной серии ЕС-1066. Через централизованный банк экспериментальных аэродинамических данных (ЦБЭАД) и систему связи поступала экспериментальная информация из аэродинамических труб. Создание банка данных аэродинамического эксперимента было осуществлено на ЕС-1066 с использованием СУБД SQL/DS для ОС VМ/SР.

Через общее поле ВЗУ и канальные адаптеры происходил обмен данными с другими расчетно-экспериментальными подсистемами, расположенными на ЭВМ трехмашинного комплекса. Пользователи взаимодействовали с любой из ЭВМ комплекса с терминалов локальной интерактивной подсистемы. В ее состав входили наряду со стандартными дисплеями ЕС-7920 и графические подсистемы на базе персональных ЭВМ и ЭВМ ИЗОТ-1080 (VAX-780), которые подключались к 3-машинному комплексу через программируемые контроллеры связи (ПКС). Через ПКС осуществлялось и подключение разнесенных по территории института терминальных ЭВМ пользователей.

Для операционной системы ОС СВМ (VМ/SР) была установлена промышленная СУБД SQL/DS и разработана методика погружения аэродинамических экспериментальных данных в БД в виде формализованных документов, а также программные интерфейсы к ним для расчетных автоматизированных систем и САПР. Построение программных и системных интерфейсов позволяло использовать экспериментальные данные на любой стадии проведения расчетов как для контроля точности результатов промежуточных и окончательных вычислений, так и для построения расчетной схемы.

С помощью разработанных средств были созданы проблемно-ориентированные системы для автоматизации исследований по аэродинамике самолетов, в частности система прочностного расчета и сертификации летательных аппаратов, объединяющая ЭВМ труб, ЭВМ ЦБ ЦВС-2, центральный банк аэродинамических данных ЦАГИ и ЭВМ расчетно-экспериментальных экспертных математических моделей аэродинамики.

Для передачи результатов эксперимента в виде электронных унифицированных документов на машинных носителях между ЭВМ и ОС разных типов был разработан независимый от ОС формат представления данных и ПО, объединенные общей концепцией под названием «теговый метод» доступа, или «тегмед». Он обеспечивает набор операций для переноса массивов данных из пользовательских программ на языке Фортран в блоки на магнитном носителе и обратно. Каждый массив снабжается тегом (этикеткой, признаком), который описывает тип массива, тип данных и длину массива. Информация на МЛ помещается в кодах EC. Tем самым вводится универсальный формат записи, который можно использовать для обмена информацией между любыми двумя ЭВМ. Метод доступа состоит из набора подпрограмм (п/п), написанных на языке Фортран-4, драйверов ввода/вывода для магнитного носителя и программ перекодировок. При переносе на другой класс машин изменяются только драйверы и программы перекодировок. Метод доступа адаптирован на ЭВМ типа ЕС, БЭСМ-6, PDP-11, VAX, IBM PC.

С использованием ее аппаратных средств и программных сервисов был реализован целый ряд систем автоматизации научных исследований, от внутренних до межотраслевых. В качестве примера можно привести реализацию межотраслевой системы информационного обеспечения результатами расчетно-экспериментальных исследований по аэромеханике в проекте создания советского космического челнока «БУРАН». ЦАГИ совместно с НПО «ЭНЕРГИЯ» и «МОЛНИЯ» была разработана технология проведения, обработки, анализа, оперативного представления и передачи результатов исследований в CAD/CAM системы ОКБ и заводов-изготовителей изделий. Более детально с работами по этому конкретному проекту можно ознакомиться в трудах конференции SORUCOM 2014.

Проектами по созданию систем ЦВС-1 и ЦВС-2 руководил профессор А.Д. Смирнов, с военной и трудовой биографией которого можно ознакомиться в Галерее славы компьютерного музея. В проектирование и разработку аппаратно-программных средств системы ЦВС-2 большой вклад внесли: А.А. Кузнецов, К.А. Шарий, А.В. Пилюгин, В.С. Криворученко, В.Н. Змеев, А.П. Никитин, В.Г. Лютый, Е.К. Чумаченко, В.Я. Кузнецов, И.В. Гребеножко, В.В. Тыжнов, И.И. Тарасова, Г.В. Кувакина, Н.И. Колено, Е.Д. Никитина, О.К. Лылова, И.Б. Сушкевич, В.В. Лихоперская, В.Е. Мордвинов, З.Г. Садонина, Э.М. Синицына, Г.Ф.Воронов, Р.Г.Айбашев, Н.Г.Кочерженко, С.А.Иоселевич, Г.В. Степанова. На фото (Рис. 4) представлены разработчики ЦВС-2.

Разработчики ЦВС-2: А.Д. Смирнов, В.С. Криворученко, А.В. Пилюгин, А.А. Кузнецов

Рис. 4. Разработчики ЦВС-2: А.Д. Смирнов, В.С. Криворученко, А.В. Пилюгин, А.А. Кузнецов (слева-направо, 1987 год).

По техническим характеристикам проекта и фактической реализации компьютерная инфраструктура ЦВС-2 в 80-х годах вполне соответствовала мировому уровню, и обеспечила требуемый уровень информационного обеспечения всех проектов по созданию летательных аппаратов.

Информационно-коммуникационная инфраструктура поддержки научных исследований.

Современные системы автоматизации исследований летательных аппаратов принципиально расчетно-экспериментальные и многодисциплинарные, и поэтому должны поддерживаться с помощью механизмов и сервисов адаптивной информационно-коммуникационной инфраструктуры, которая позволяет объединять информационно организации отрасли, может эволюционировать и адаптироваться к новым требованиям и сервисным моделям.

При ее создании следует руководствоваться общими отраслевыми требованиями ко всем погружаемым в нее компьютерным системам по унификации интерфейсов, форматов, сервисов для интеграции наследуемых и внедряемых систем. Необходима увязка плана развития информационных технологий со стратегическими планами развития отрасли и создание мощной единой инфраструктуры безопасности.

С развитием такого направления как Центры Обработки Данных (ЦОД) с терминальным доступом меняется парадигма информационной безопасности (ИБ) в корпоративном сегменте. Теперь в ИБ в большей степени нуждается не клиент, а сервер и меняются как антивирусные, так и иные решения в этой области. Использование ЦОД и механизмов виртуализации позволяет гибко и оперативно перераспределять аппаратные и программные ресурсы в соответствии с потребностями групп пользователей. Оптимизируется стоимость программных ресурсов, затраты на которые с годами будут увеличиваться в связи с ужесточением законодательства за несанкционированное использование ПО.

Требования безопасности являются общими для предприятий отрасли и должны диктовать общие архитектурные решения. Архитектура вычислительной сети организации отрасли строится с учётом как повышенных требований к безопасности данных организации, так и заказчиков работ и услуг. Сеть организации делится на физически раздельные сегменты. Основанием для такого деления служит уровень конфиденциальности находящихся там информационных активов. Такая архитектура, включающая ЦОДы с виртуальными ресурсами в сетях терминального доступа (“тонкий клиент”), межсетевые шлюзы, через которые происходит контролируемая передача данных, позволит пользователю со своего рабочего места обращаться к разнообразным информационным активам при соблюдении требований по ИБ.

Наряду с этим, группы пользователей, объединяющиеся в рамках проекта, практически моментально получают в ЦОД выделенную виртуальную сеть с виртуальными ресурсами, службами поддержки конечного пользователя, информационного центра и коммуникаций, сервисами организации групповой работы (базы данных проекта, вычислительные мощности, управление выполнением работ по проекту и т.д.). После завершения работ по проекту все виртуальные ресурсы возвращаются в общий пул ресурсов ЦОД организации.

Принципиально меняется и технология создания и сопровождения информационной инфраструктуры организаций, в рамках которой применяемые архитектуры, механизмы поддержки которых должны быть максимально унифицированы. Все автоматизированные системы организации должны строиться на основе единого подхода, привязываться к единой онтологии, общим нормативно-справочным данным, унифицированным механизмам и сервисам инфраструктуры.

Для реализации такого подхода общая информационная политика в отрасли, должна ориентироваться на тенденции стремительного развития ИТ в мировой аэрокосмической индустрии и учитывать динамичную государственную информационную политику. Необходимо создавать и механизмы реализации такой политики. Либо на основе ведущих организаций отрасли по ИТ, либо включая разделы по ИТ в федеральные целевые программы, комплексные проекты и др. Разработанная типовая архитектура вычислительной сети организации учитывает повышенные требования к безопасности информационных ресурсов как самой организации, так и заказчиков работ и услуг, объединённых в рамках временных проектов или виртуальных предприятий. Для этого вся сеть делится на физически раздельные сегменты в каждом из которых может быть неограниченное количество логических сегментов. Основанием для деления служит уровень конфиденциальности находящихся там информационных активов. Проектное количество физических сегментов равно четырём.

Внутренние сети с доступом в публичные сети (сегмент «Интернет»). Никаких особых требований к обеспечению конфиденциальности информационных ресурсов в них не предполагается. Обычно достаточно стандартных средств таких как антивирус, прокси-сервер, брандмауэр.

Внутренние сети общего пользования (сегмент «Интранет»). Представляют собой внутренние сети предприятия. Информационные ресурсы в ней доступны всем (или почти всем) сотрудникам организации и не содержат информации ограниченного распространения.

Внутренние защищённые сети (сегмент «Интранет защищённый»). В этот сегмент попадают сети с критичными для деятельности организации информационными ресурсами.

Внутренние сети с доступом к внешним закрытым сетям (сегмент «Экстранет»). Это сети, которые связаны с аналогичными сетями других организаций, а значит выходящие за периметр организации. Но, в то же самое время, - это сети управляемы, адекватно защищены и не имеют доступа в сторонние сети, особенно в публичные.

Современная архитектура сети представлена на рис. 5. На нём можно видеть, что основные ресурсы каждого из четырёх сегментов сосредоточены в ЦОД. Каждый из ЦОД предлагает пользователям в виде сервисов:

Архитектура информационно-коммуникационной инфраструктуры организации

Рис. 5. Архитектура информационно-коммуникационной инфраструктуры организации

Ключевыми элементами представленной архитектуры являются ЦОД, программно-технологический комплекс информационной безопасности (ПТК ИБ) и автоматизированное рабочее место (АРМ) пользователя.

Программно-технологический комплекс информационной безопасности (ПТК ИБ), разработанный в ЦАГИ и запатентованный (патент РФ №2387086), решает задачу обмена данными между сегментами сети различного уровня конфиденциальности.

При помощи ПТК происходит перенос данных из одного сегмента сети в другой. При этом данные при переносе из сети с более высоким уровнем конфиденциальности в сеть с меньшим уровнем конфиденциальности проходят обязательную проверку службы безопасности, которая контролирует все ПТК.

Типовой АРМ и конкретные его реализации могут варьироваться, но не выходя за рамки соблюдения общего принципа: работа на ПЭВМ возможно только в подсетях группы Интранет. В остальных подсетях работа возможна только с нуль-клиентов, подключающихся к виртуальным машинам в ЦОД соответствующего сегмента.

АРМ пользователя состоит из ПЭВМ, тонкого клиента, одного набора периферии (клавиатура, мышь, монитор, принтер, сканер), переключателя периферии и переключателя сетей. ПЭВМ пользователя логически входит в группу сетей Интранет, в её определённую подсеть. Кроме того, у пользователя может быть не только единственная физическая машина, но целый набор виртуальных, в том числе находящихся в разных подсетях, к которым у него будет защищённый удалённый доступ. Для работы в подсетях остальных трех групп предлагается использование исключительно терминального доступа.

Заключение

Созданная в 80-е годы компьютерная сетевая инфраструктура ЦВС-2 и системы автоматизации на базе ее механизмов вполне соответствовали требованиям национальных проектов в аэрокосмической области и выполнили возложенные на нее задачи. Описанные в статье механизмы и подсистемы современной компьютерной инфраструктуры автоматизации научных исследований успешно эксплуатируются и совершенствуются в ЦАГИ на протяжении ряда последних лет и нацелены на будущие сложные проекты и программы в аэрокосмической области.

Об авторе: ЦАГИ, г. Жуковский, Россия.
Материалы международной конференции Sorucom 2017
Помещена в музей с разрешения автора 26 Августа 2017

Проект Эдуарда Пройдакова
© Совет Виртуального компьютерного музея, 1997 — 2017