Главная
страница 1


УДК 681.51

А. С. Крупенькин, А. А. Хасанов СПбНИУ ИТМО, Санкт-Петербург

Веб-фреймворк для систем телемеханики «DCU-Control-Unit»

Предлагается описание программного каркаса DCU, предназначенного для разработки систем телемеханики с интегрированным веб-интерфейсом. Даётся обзор проблем, возникающих при построении АСУ с использованием компьютерных сетей в качестве основных каналов передачи информации, и подходы к решению некоторых из них.

Введение


На сегодняшний день высокая развитость сетевых компьютерных технологий, Глобальной сети Интернет и беспроводных коммуникационных технологий делает компьютерные сети привлекательным инструментом для построения систем телемеханики.

Проникновение сети Интернет за последние годы достигло 25,6% в мире, 40-90% в Европе, 32% в округах РФ, 58% в Москве и Санкт-Петербуре [2], что делает её интересной для построения систем удалённого управления продукцией коммерческих организаций в рекламных целях.

Попытки использования вычислительных машин, функционирующих под управлением операционных систем общего назначения, и их сетей в системах управления порождают большой спектр проблем, связанных с наличием запаздывания и потери информации при передаче.

Имеется необходимость создания единой системы, позволяющей быстро и просто реализовывать системы телемеханики разработчиками различного уровня компетенции, будь то студент высшего учебного заведения, разработчик коммерческой компании или другое заинтересованное лицо, не задумываясь о решении стандартных проблем возникающих при построении таких систем.

Попытка решения этой задачи реализуется в проекте DCU.

DCU (аббревиатура от рекурсивного названия: DCU Control Unit) разрабатывается как набор ПО, позволяющий быстро развёртывать системы телемеханики с предоставлением веб-интерфейса к управляемому робототехническому комплексу или другому устройству.

В качестве базовых принципов при разработке фреймворка DCU были взяты следующие:


  • Низкие требования к компетенции разработчика, работающего с ним

- это продиктовано ориентацией фреймворка на студентов, обучающихся в области IT и управления, где для работы над проектом нет времени для освоения сложных и новых для разработчика технологий

  • Глубокая интеграция стандартных наукоемких решений. Предоставление удобной среды для решения текущих задач.

- этот принцип позволит использовать DCU в коммерческих проектах, для работы над которыми не потребуется привлекать специалистов в области управления, а достаточно лишь разработчика, компетентного в используемых технологиях.

  • Модульность и простота архитектуры с легко отчуждаемыми компонентами, использование популярных технологий.

- модульность архитектуры позволяет системе быть достаточно гибкой для использования в решении различных задач, для управления самыми разнообразными объектами и системами. Простота архитектуры и построение системы на базе популярных технологий, в свою очередь, даст возможность работающему с фреймворком разработчику быстро находить решение своей задачи, не отвлекаясь на изучение специализированных технологий.

Архитектура DCU, решаемые задачи


Архитектура DCU выглядит следующим образом:

Рис. 1. Архитектура DCU

В рамках требования к модульности и простоте архитектуры было принято решение придерживаться концепции MVC (Model-view-controller, «Модель-представление-поведение»). Использование такой архитектуры позволяет, имея универсальное ядро системы, дополнять его модулями (М1 … Мn на рис. 1) с описанием работы клиентского устройства (Робот на рис. 1) и его пользовательским интерфейсом. Это так же даёт необходимую гибкость и универсальность системе.

Базовые принципы построения DCU выявили ряд первичных задач:



  1. Формирование фреймворка на основе стандартных решений и популярных технологий:

    1. Настройка и интеграция фронт-энда, обрабатывающего статические запросы к веб-серверу;

    2. Настройка и интеграция бэк-энда, обрабатывающего динамические запросы к веб-серверу;

    3. Формирование фреймворка для веб-приложений на популярном языке программирования;

    4. Стандартизация внутренних протоколов взаимодействия компонент и интерфейсов программного уровня;

    5. Интеграция наукоемких решений стандартных задач в виде библиотечных функций;

    6. Подготовка пакета документации;

  2. Решение ряда научно-исследовательских задач, возникающих при использовании доступных и популярных технологий.

Текущие проблемы, работы и результаты


В качестве основы DCU были взяты пакеты свободного программного обеспечения и для решения поставленных задач использованы следующие:

  1. Фронт-энд nginx;

  2. Бэк-энд uWSGI;

  3. Фреймворк django, позволяющий:

    1. Описывать модуль DCU на популярном интерпретируемом языке программирования Python с использованием доступных веб-технологий для реализации пользовательского интерфейса;

    2. Создавать библиотеки стандартных наукоёмких решений в виде модулей django;

    3. Использовать единый протокол взаимодействия компонент и интерфейсов программного уровня;

не требуя при этом значительной модификации.

Одна из текущих задач – это предоставление возможности функционирования системы телемеханики в условиях задержек и потерь данных. Из работ, проведённых в этой области [1, 3], были рассмотрены следующие подходы:



  1. Формирование траектории объекта управления с использованием его 3D модели на стороне оператора и последующая отработка траектории объектом;

  2. Работа в синхронном режиме с фиксированной задержкой, максимальной для данной сети;

  3. Минимизация запаздывания и восстановление потерянных данных;

Подходы (1) и (2) не являются актуальными для коммерческого сектора, потому был подробнее рассмотрен последний. В работе [3] предлагается использовать авторегрессионную модель для управления в условиях запаздываний в контуре системы. Рассмотрим подробнее этот подход.

Авторегрессионная (АР) модель для предикции показаний измерительных устройств


Пусть функциональная схема системы выглядит следующим образом:

Рис. 2. Функциональная схема системы с АР-моделью

где τk – запаздывание на k-том шаге

Тогда восстановление данных, запаздывание которых превысило допустимое значение можно произвести с использованием следующей модели:




(1)

где K – матрица коэффициентов усиления устройства управления.

Здесь конечное неотрицательное целое h(τk) отражает количество считающихся потерянными на данный момент измерений и может быть получено следующим образом:


(2)




где Ts – период квантования дискретной модели, τ0 – время порогового запаздывания, отражающее то время, после которого измерения считаются потерянными, - функция взятия антье аргумента, функция пол.

Для данного h(τk) вектор состояния из (1) можно получить следующим образом:


(3)

Далее, из (1) и (3) имеем:




(4)

где ỹ - оценка показаний измерительного устройства.

Эта оценка может быть использована при τk > τ0

С помощью такого алгоритма оценки потерянных измерений можно иметь достаточно точные и актуальные данные о выходе объекта управления при наличии запаздываний, значительно превышающих период квантования.

Благодаря своей простоте, алгоритм может быть реализован в виде библиотечной функции DCU, над чем сейчас и ведется работа.

Эксперименты, проведённые авторами [2] показали, что алгоритм позволяет иметь актуальные данные при использовании АР-модели пятого порядка для задержек до 1,42 секунд, что вполне приемлемо как для работы в глобальной сети, так и локальной Ethernet сети, типичные запаздывания пакетов в которой показаны на рисунке 3.



Рис. 3. Запаздывание данных при использовании пакетной технологии


Текущие результаты


  1. Клиент-серверная часть:

    1. Стартовая страница и набор стандартных визуальных средств: окна, фоны, кнопки и прочее;

    2. Система авторизации и разделения привилегий пользователей

    3. База данных PostgreSQL с кэшированием

  2. Модуль тестового робота Lynxmotion Johnny 5:

    1. Модель в виде python-класса, представление в виде html страницы с использованием CSS3 и JavaScript;

    2. Интерфейсы управления: переход между состояниями ДКА по кнопке, веб-джойстику, СТЗ на основе OpenCV;

Пробы стабильных версий DCU были выполнены на открытии фестиваля «HackSpace Weekend» в октябре 2011 года, на выставках с участием кафедры СУиИ СПбНИУ ИТМО и днях открытых дверей университета в весенний период 2012.

Актуальной на данный момент является работа над тестовой библиотекой предикции потерянных данных и разработка пакета документации для передачи DCU в виде программного каркаса в работу над другим проектом, где проявят себя недостатки текущей версии и будут выявлены новые актуальные задачи.


Заключение


В документе была представлена основная информация о фреймворке DCU, решаемых и перспективных задачах проекта, основных используемых технологиях, проблемах, возникающих при построении систем управления с использованием Глобальной сети в качестве канала коммуникаций и подходы к решению некоторых из них.

Литература



  1. ИПМ им. М. В. Келдыша РАН И. Р. Белоусов: ”Алгоритмы управления роботом-манипулятором через интернет”, «Математическое моделирование», том 14, номер 8, стр 10-15, 2002 год.

  2. «Развитие интернета в регионах России», компания «Яндекс» 2011 год.

  3. Won-jon Kim, Kun Ji, Abhinav Srivasta: “Network-based control with real-time prediction of delayed/lost sensor data”, IEEE Transactions on control system technology, vol. 14, NO. 1, January 2006.

Текст доклада согласован с научным руководителем.

Д.т.н., проф. Бобцов Алексей Алексеевич, декан факультета КТиУ, заведующий кафедрой СУиИ СПбНИУ ИТМО.



_______________________
Научный руководитель д.т.н., проф. Бобцов Алексей Алексеевич


Смотрите также:
А. С. Крупенькин, А. А. Хасанов спбниу итмо, Санкт-Петербург Веб-фреймворк для систем телемеханики «dcu-control-Unit»
68.52kb.
1 стр.
Программный комитет: Сопредседатели
61.56kb.
1 стр.
Программный комитет: Сопредседатели
81.98kb.
1 стр.
Программный комитет: Сопредседатели
81.8kb.
1 стр.
Демчишин Юрий Владимирович
57.46kb.
1 стр.
«Системы автоматики и телемеханики на железных дорогах мира»
14.79kb.
1 стр.
Учебное пособие для студентов вузов специализирующихся на информационных технологиях и информатизации. Санкт Петербург 2006
2347.42kb.
12 стр.
Программа научно-технической конференции "Индустрия холода для продовольственной, энергетической и экологической безопасности"
112.92kb.
1 стр.
Проблемы здоровья и экологии
3773.97kb.
37 стр.
Проблемы здоровья
3674.46kb.
17 стр.
Проблемы здоровья
3706.95kb.
17 стр.
Санкт-Петербург – северная юридическая столица 28 -30 мая 2010, Санкт-Петербург
53.16kb.
1 стр.