12.1. Анализ

12.1. Анализ

Определение границ проблемной области

Для большинства люден, живущих в США, поезда являются символом давно ушедшей эпохи. В Европе и странах Востока ситуация совершенно противоположная. В отличие от США, в Европе мало национальных и международных автомобильных магистралей, а цены на бензин и газ сравнительно высоки. Поэтому поезда составляют основу транспортной сети континента; по десяткам тысяч километров путей ежедневно перевозится множество людей и грузов - и в отдельных городах, и между различными странами. Ради справедливости отметим, что в США поезда играют по-прежнему важную роль в перевозке грузов. С разрастанием городов их центры становятся все более и более перегруженными, и на легкий рельсовый транспорт возлагаются надежды решить проблему перегрузки и загрязнения окружающей среды двигателями внутреннего сгорания.

Железные дороги по-прежнему являются коммерческими и, следовательно, они должны быть прибыльными. Железнодорожные компании обязаны постоянно поддерживать баланс между требованиями экономии и безопасности и нарастающей интенсивностью перевозок с одной стороны и эффективным и предсказуемым расписанием - с другой. Эти противоречия наводят на мысль, что решения об управлении движением поездов необходимо принимать автоматически, и, в том числе, производить контроль за всеми элементами железной дороги с помощью компьютера.

Такие автоматические и полуавтоматические системы сегодня существуют в Швеции, Великобритании, Германии, Франции и Японии [1]. Подобная система, называемая Продвинутой Системой Управления Железнодорожным Транспортом, была разработана в Канаде и США с участием следующих компаний: Amtrak, Burlington, Canadian National Railway Company, CP Rail, CSX Transportation, Norfolk and Western Railway Company, Southern Railway Company, Union Pacific. Эффект от каждой из этих систем был и экономический, и социальный; результатом их внедрения стало снижение эксплуатационных затрат, повышение эффективности использования ресурсов, безопасность.

Требования к системе управления движением

Система управления движением выполняет две главные функции: выбор маршрутов железнодорожных перевозок и контроль систем, обеспечивающих перевозки. Эти функции включают: планирование перевозок, контроль местонахождения поездов, контроль за перевозками, предотвращение конфликтов, прогнозирование нарушении, регистрацию всех операций. На рис. 12-1 показана схема основных элементов системы управления движением [2].  

Рис. 12-1. Система управления движением

Система анализа и отображения информации на локомотиве состоит из множества дискретных и аналоговых датчиков для контроля за такими параметрами, как температура, давление масла, количество топлива, напряжение и сила тока на генераторе, число оборотов вала двигателя в минуту, температура воды, тяговая мощность. Значения параметров с датчиков поступают к машинисту через дисплейную систему, а к диспетчеру и обслуживающему персоналу вне поезда - через сеть. Предупреждение или сигнал тревоги выдается и регистрируется всякий раз, когда показания датчика выходят за пределы нормального режима. Журнал показаний датчиков используется при проведении эксплуатационных работ и для управления расходом топлива.

Система управления энергией в режиме реального времени подсказывает инженеру поезда, как наиболее эффективно использовать установку. Входными данными для этой системы являются: профиль и качество пути, ограничения по скорости, расписание, загрузка поезда, максимальная развиваемая мощность. Исходя из этих данных, система может определить оптимальный по расходу топлива режим работы двигательных установок, согласующийся с заданным расписанием и требованиями безопасности. Рекомендации системы, профиль и качество пути, местоположение и скорость поезда могут отображаться с помощью бортовой системы индикации.

Бортовая система индикации обеспечивает человеко-машинный интерфейс для машиниста. На нее может выводиться информация из системы анализа и отображения информации на локомотиве, системы управления энергией и блока управления данными. Специальные клавиши позволяют машинисту просматривать различные данные.

Блок управления данными представляет собой шлюз между всеми бортовыми системами поезда и глобальной сетью передачи данных, к которой подключены все поезда, диспетчеры и прочие пользователи.

Отслеживание маршрутов движения поездов осуществляется с помощью подключенных к сети передачи данных ответчиков местоположения и глобальной спутниковой системы указания местоположения (GPS, Global Positioning System) Navstar. Система анализа и отображения информации на локомотиве может вычислять пройденный путь с помощью счетчика, подсчитывающего число оборотов колеса. Эта информация дополняется данными ответчиков местоположения, которые размещены через каждый километр пути или чаще (на важнейших развилках). Ответчики передают информацию о себе на проходящие поезда (используя блок управления данными), что позволяет более точно определить местоположение. Кроме того, поезд может быть оснащен приемниками GPS, с помощью которых его географическое положение может быть определено с точностью до метра.

Блок интерфейса путевых устройств размещается там, где есть какое-либо управляемое устройство (например, стрелка), или датчик (например, инфракрасный датчик для обнаружения перегрева подвесок колес). Каждый блок интерфейса получает команды (например, команды на включение и выключение сигнала) от локального наземного контроллера. Устройства могут быть переведены в ручной режим управления. Кроме того, каждое устройство может сообщать свои установочные параметры. Наземный контроллер транслирует информацию на блоки интерфейса путевых устройств и обратно, а также на проходящие мимо поезда и обратно. Контроллеры расположены вдоль железнодорожного пути через такие расстояния, чтобы любой поезд всегда находился в зоне действия хотя бы одного из них.

Каждый наземный контроллер передает свою информацию на объединенную систему управления сетью. Связь между системой управления сетью и наземным контроллером может осуществляться по радио в микроволновом диапазоне, по наземным линиям или по оптоволокну в зависимости от удаленности данного контроллера. Система управления сетью обеспечивает функционирование всей сети. Она может автоматически направлять информацию по другому маршруту в сети, если на одном из путей произойдет отказ оборудования,

Система управления сетью, в свою очередь, подсоединяется к одному или нескольким диспетчерским центрам, которые объединены в систему управления операциями. Система управления сетью соединена и с другими пользователями. В системе управления операциями диспетчеры могут задавать маршруты поездов и отслеживать их передвижение. Для управления различными участками выделяются отдельные диспетчеры; каждая диспетчерская управляющая консоль отвечает за одну или несколько территорий. Маршрутизация поездов подразумевает выдачу инструкций для автоматического перевода поезда с пути на путь, установку ограничения скорости, управление пропуском автомобилей на переездах, разрешение и запрещение движения поезда в зависимости от занятости определенных участков пути. Диспетчеры могут наблюдать за состоянием путей впереди по маршруту поезда и передавать эту информацию машинисту. Поезда могут быть остановлены системой управления операциями (вручную диспетчерами или автоматически), когда обнаруживается опасность (выход поезда из графика, повреждение пути, возможность столкновения). Диспетчеры могут также вызвать на экран любую информацию, доступную машинистам отдельных поездов, разослать распоряжения по движению, установить параметры путевых устройств и пересмотреть план движения.

Расположение путей и путевое оборудование могут со временем меняться. Число поездов и маршруты их движения могут изменяться ежедневно. Система должна обеспечивать возможность подключения новых датчиков, сетей и оборудования, выполненных по более совершенным технологиям.

На врезке сформулированы основные требования к системе управления движением поездов. Очевидно, они сильно упрощены. На практике детальные требования к большой системе вырабатываются после демонстрации жизнеспособности программного решения проблемы. При этом анализ отменяет сотни человеко-месяцев труда с участием экспертов в данной области и пользователей системы. В конечном счете требования к системе могут состоять из тысяч страниц документации, специфицирующей не только базовое поведение, но и такие детали, как макеты форм интерфейса.

Но даже исходя из наших упрощенных требований, мы можем сделать два замечания о разработке системы управления движением:

• Архитектура должна быть открыта для развития.

• Реализация должна опираться на существующие стандарты.

Наш опыт разработки больших систем показывает, что первоначальная формулировка требований никогда не бывает полной, она всегда в некоторой степени неопределенна и противоречива. Соответственно, мы должны быть готовы управлять возникающими в процессе разработки неопределенностями. Мы настоятельно рекомендуем осуществлять эволюцию подобных систем в виде пошагового, итеративного процесса. Как уже говорилось в главе 7, сам цикл разработки дает пользователям и разработчикам возможность понять, какие требования на самом деле существенны; именно процесс разработки, а не упражнения в чистописании спецификаций в отсутствии готовой частичной реализации или прототипа. Кроме того, необходимо учитывать, что на создание большой системы может быть затрачено несколько лет. За это время сильно изменится аппаратная часть [В действительности для многих систем такого уровня сложности характерно, что в них входят компьютеры самых разнообразных типов. Хорошо продуманная и стабильная архитектура смягчает риск смены техники в процессе разработки, которая сплошь и рядом происходит в быстро меняющемся компьютерном мире. Новые модели приходят и уходят, поэтому важно четко представлять границу между техникой и программами, чтобы можно было ввести в систему новые компьютеры или контроллеры, снижающие затраты или улучшающие характеристики работы, и сохранить при этом целостность архитектуры]. Поэтому требования к программе должны предусматривать адаптацию к новой технике. Бессмысленно создавать элегантную архитектуру для аппаратуры, которая гарантированно устареет за время разработки. Мы считаем, что в архитектуру программной системы следует включать только те аппаратные особенности, которые непосредственно опираются на существующие стандарты: связь, сети передачи данных, графику и протокол работы датчиков. Для совершенно новых систем иногда Приходится становиться первопроходцами аппаратных и программных средств. Это приводит к повышению риска, который для большинства систем и без того высок. Разработка программного обеспечения, особенно, когда речь идет об успешном завершении большого приложения, неизбежно связана с риском, и наша цель - снизить этот риск до минимума.

Очевидно, что мы не сможем подробно рассмотреть все вопросы анализа и проектирования описанной системы в одной главе или даже в одной книге. Так как наша задача - показать, как работают обозначения и методология, сосредоточимся на построении гибкой архитектуры изучаемой области.

Системные и программные требования: хрупкий компромисс

Крупные проекты, подобные рассматриваемому, обычно организуются вокруг небольшой центральной группы, ответственной за глобальную архитектуру системы, а сама разработка передается сторонним субподрядчикам или другим группам внутри той же организации. Уже на стадии анализа системные архитекторы имеют некоторую концептуальную модель, которая разделяет аппаратную и программную части реализации. Многие, правда, считают, что это уже не анализ, а проектирование. Это - спорный вопрос. В самом деле, трудно решить, что показано на схеме рис. 12-1- исходные требования или проект системы. Но в любом случае схема предполагает, что на данной стадии разработки архитектура системы принципиально объектно-ориентированна. Например, на схеме присутствуют такие сложные объекты, как система управления энергией или система управления операциями. Каждый из них выполняет одну из основных функций всей системы. Это как раз то, о чем говорилось в главе 4: объекты самого высокого уровня абстракции отвечают за основные функции системы. Поэтому процесс анализа в данном случае мало отличается от процесса проектирования.

Когда мы уже имеем скелет архитектуры (как на рис. 12-1), можно с помощью экспертов в данной прикладной области приступать к разработке основных сценариев поведения системы, как это было описано в главе 6. Чтобы подробнее описать ожидаемое поведение системы, можно использовать диаграммы взаимодействия, диаграммы объектов, протоколы действий или прототипы. На рис. 12-2 приведена диаграмма взаимодействия компонент системы, отражающая сценарий подготовки ежедневных приказов по движению поездов. На данном уровне анализа нас интересуют именно основные события и взаимодействия, определяющие поведение системы. Такие детали, как сигнатуры операций и ассоциации - это тактические подробности, которые понадобятся на последующих фазах проектирования.

В системе таких размеров запросто можно найти сотни первичных сценариев [Мы встречали проекты программных систем, в которых одни только результаты анализа занимали больше 8000 страниц документации - несомненный знак слишком ревностного анализа. Начинающийся с этого проект редко бывает удачным]. В главе 6 мы уже установили "правило 80%". Это значит, что до перехода к проектированию архитектуры желательно зафиксировать 80% важнейших сценариев. Дожидаться 100% готовности бессмысленно.  

Рис. 12-2. Подготовка ежедневных приказов по движению.

Очевидно, нужно перевести требования к системе на язык требований к ее программной и аппаратной частям, чтобы различные компетентные организации могли одновременно заниматься отдельными частями задачи (но обязательно под присмотром некоторой центральной группы, обеспечивающей общее видение проекта). Совместное создание аппаратного и программного обеспечения - сложная задача, особенно, если эти части слабо связаны и создаются разными фирмами. Иногда ясно, какая аппаратура будет использоваться. Например, можно использовать готовые терминалы или рабочие станции для бортовых дисплейных систем и в центрах управления операциями. Аналогично, представляется вполне очевидным, что составлением расписаний поездов занимаются программы. Окончательное решение о том, какую основу, аппаратную или программную, использовать в каждом конкретном случае, зависит от предпочтений разработчиков не меньше, чем от всего остального. Специализированную аппаратуру можно использовать, когда важнее производительность, а использование программ целесообразнее, когда необходимо обеспечить гибкость.

Будем считать, что первоначальный вариант аппаратной архитектуры выбран архитекторами системы. Этот выбор не должен считаться окончательным, но по крайней мере он дает отправную точку для уточнения требований к программному обеспечению. В ходе анализа, а затем и проектирования, нам необходима свобода в выборе аппаратной или программной реализации той или иной функции: позднее может оказаться, что нужна дополнительная аппаратура, или что данную функцию можно реализовать программно.  

Рис. 12-3. Диаграмма процессов системы управления движением.

На рис. 12-3 показано целевое аппаратное обеспечение для системы управления движением; здесь используются наши обозначения для диаграмм процессов. Эта архитектура процессов соответствует схеме на рис. 12-1. В частности, предусмотрен один бортовой компьютер на каждом поезде, соединяющий систему сбора и передачи информации о локомотиве, систему управления энергией, бортовой дисплей и устройство управления данными. Мы предполагаем, что некоторые бортовые устройства, такие, как дисплей, обладают минимальным интеллектом, но, возможно, не все они программируемые. Мы полагаем, что каждый ответчик подсоединен к передатчику, который посылает сообщения на проходящий мимо него поезд; компьютер к ответчику местоположения не подсоединен. Все группы путевых устройств (каждое из которых логически состоит из интерфейса и переключателя) управляются компьютером, который может взаимодействовать с проходящим поездом или с наземным контроллером через их передатчики и приемники. Каждый наземный контроллер присоединяется через глобальную сеть к диспетчерскому центру (который входит в систему управления операциями). Для обеспечения бесперебойного обслуживания мы решили разместить на каждом диспетчерском центре два компьютера: основной и резервный (второй включится в случае отказа основного компьютера). В свободное время резервный компьютер может использоваться для обслуживания других, низкоприоритетных пользователей.

На эксплуатационном уровне система управления движением может содержать сотни компьютеров: по одному на каждый поезд, по одному на каждый блок интерфейса путевых устройств и по два на каждый диспетчерский центр. На диаграмме процессов показаны только некоторые компьютеры, так как излишне показывать повторяющиеся компоненты конфигурации.

Как уже говорилось в главах 6 и 7, здравый смысл подсказывает, что при разработке большого проекта огромную роль играют разумность и ясность интерфейсов между ключевыми частями системы. Особенно это важно для интерфейса между программной и аппаратной частями системы. В начале работы над проектом интерфейс может быть определен не полностью, но он должен быть достаточно быстро формализован, чтобы различные части системы можно было разрабатывать, тестировать и интегрировать одновременно. Хорошо определенный интерфейс позволяет производить сборку системы без существенных переделок ее частей. Кроме того, мы не рассчитываем, что все разработчики, участвующие в проекте, будут одинаково сильны в программировании. Поэтому мы должны поручить спецификации ключевых абстракций и механизмов сильнейшим системным архитекторам

Ключевые абстракции и механизмы

В результате изучения требований к системе управления движением становится очевидно, что мы должны решить четыре основные подзадачи:

• сеть

• база данных

• интерфейс "человек/компьютер"

• управление аналоговыми устройствами в реальном времени.

Как мы пришли к выводу, что именно в этих подзадачах сконцентрирован основной риск разработки?

Систему связывает воедино распределенная сеть передачи данных. С помощью радио передаются сообщения: между ответчиками и поездами, между поездами и наземными контроллерами, между поездами и блоками интерфейсов путевых устройств, между наземными контроллерами и путевыми устройствами. Кроме того, сообщения должны передаваться между диспетчерскими центрами и отдельными наземными контроллерами. Надежная работа всей системы обеспечивается своевременным и надежным приемом и передачей сообщений.

Кроме того, система должна одновременно хранить информацию о местоположении и планируемых маршрутах множества поездов. Мы должны поддерживать постоянно обновляемую информацию и гарантировать ее целостность даже в случае попыток одновременно записать и считать информацию из разных мест сети. Следовательно, нам нужна распределенная база данных.

Проектирование человеко-машинного интерфейса ставит еще одну группу задач. Дело в том, что пользователями системы в основном являются машинисты и диспетчеры; но никто из них не обязан обладать профессиональными навыками работы с компьютером. Пользовательский интерфейс операционных систем, таких как UNIX или Windows, пригоден (по большей части) для специалиста-программиста, но считается слишком враждебным для конечных пользователей таких сред, как система управления движением. Следовательно, все формы взаимодействия должны быть спроектированы в расчете на эту особую группу пользователей.

Наконец, система управления движением должна взаимодействовать с разнообразными датчиками и исполнительными механизмами. Не останавливаясь здесь на природе этих устройств, отметим, что принципы управления ими не зависят от конкретного типа устройства и должны быть выбраны однотипными во всей системе.

Каждая из этих четырех подзадач включает целый ряд обособленных вопросов. Системные архитекторы должны найти ключевые абстракции и механизмы каждой задачи, и тогда мы сможем пригласить экспертов для решения каждой отдельной подзадачи независимо от других. Однако, ни анализ, ни проектирование не удастся завершить за один проход, - круг за кругом анализ будет обнаруживать новые архитектурные проблемы, решение которых потребует нового анализа. Таким образом, разработка будет неизбежно пошаговой и итеративной.

Из краткого проблемного анализа четырех главных подзадач мы видим, что существуют три высокоуровневые ключевые абстракции:  

? Поезда  Локомотивы и вагоны. 

? Пути  Профиль пути, его качество и путевые устройства. 

? Планы  Расписания, приказы, устранение накладок, назначение полномочии и подбор бригад. 

  Каждый поезд характеризуется текущим положением на путях и может иметь только один активный план движения. Аналогично, в каждой точке пути может быть самое большое один поезд. Каждый план относится только к одному поезду, но ко многим точкам пути.

Мы можем выделить ключевой механизм для каждой из четырех (почти независимых) подзадач:

• передача сообщений

• планирование движения поездов

• отображение информации

• сбор данных от датчиков.

Эти четыре механизма составляют душу нашей системы. Они являются наиболее сложными и рискованными частями проекта. Важно, чтобы мы поручили лучшим системным архитекторам поэкспериментировать с различными подходами и постепенно создать среду, на базе которой более молодые разработчики сделают все остальное.