Software & Systems

Новые системные решения при организации процесса обучения специалистов обусловливаются современными тенденциями проектирования сложных распределенных систем и тренажеров. Немаловажной задачей является модернизация существующих учебной и тренажерной баз с учетом применения передовых программных и технических средств. Крупнейшими пользователями специализированных тренажеров являются учебные центры по подготовке космонавтов, гражданских и военных моряков, пилотов воздушных судов.

Главной задачей, решаемой с помощью российских космических тренажеров, является подготовка космонавтов для полетов на российских пилотируемых космических аппаратах (ПКА) и Российском сегменте Международной космической станции (РС МКС). Данная задача успешно решается с применением широкого спектра учебной и тренажерной баз, технических средств подготовки космонавтов (ТСПК). Множество ТСПК, разработанных в разное время, используют различные технологии обмена данными, системы виртуальной реальности (СВР), конструктивы пультов контроля и управления (ПКУ), поэтому в настоящее время находятся на разных ступенях эволюции поколений тренажеров [1].

Наличие множества задач накладывает свою специфику на разработку единой программы непрерывного обучения космонавтов, которая должна быть совмещена с имеющимися учебной и тренажерной базами. Такое единство позволит расширить методические возможности ТСПК, повысить качество подготовки космонавтов к полетам на существующих и перспективных ПКА за счет введения новых форм и методов обучения, контроля знаний, расширения имеющихся наборов виртуальных экспериментов, проводимых на борту РС МКС, создания новых возможностей управления моделями ПКА и систем РС МКС, повышающих степень адекватности реальным объектам.

В действительности компоненты учебной и тренажерной баз мало интегрированы между собой в единую информационную систему, поэтому особенно актуальными задачами являются проектирование и внедрение единого учебно-тренажер­ного комплекса. На смену экстенсивному пути развития по наращиванию объемов данных и вычислительных мощностей комплекса учебной и тренажерной баз, а также разобщенным локальным решениям должна прийти новая идеология построения систем, которая позволит решить следующие задачи:

–      удовлетворение потребности в хранении и обработке больших объемов данных учебно-мето­дического материала, БД тренажеров, вспомогательных систем, систем хранения архива фото- и видеоматериалов при сокращении затрат на закупку новых средств технической базы и ее размещение в условиях ограниченных площадей;

–      обеспечение единства и непрерывности процесса обучения и подготовки специалистов как на существующих специализированных тренажерах, комплексе тренажеров РС МКС, функционально-моделирующих стендах (ФМС), так и на новых ФМС и тренажерах перспективных ПКА;

–      обеспечение процесса перехода в используемых тренажерах и ФМС к приближению тренировочного процесса управления полетом РС МКС, в основе которого лежат задачи специалистов центра управления полетами (ЦУП) и главной оперативной группы управления (ГОГУ);

–      организация в общей сети элементов доступа к единому информационному пространству и выделенным ресурсам для осуществления удаленного мониторинга, контроля состояния и управления, в том числе с применением беспроводных мобильных устройств.

Технологии и стандарты для решения задач разработки, проектирования и развития учебно-тренажерной базы. Некоторые вопросы проектирования тренажеров нового поколения, в том числе интеграция различных функциональных возможностей и используемых технологий во множество архитектур, были рассмотрены в [2].

Для комплексного решения задач разработки, проектирования и развития учебно-тренажерной базы необходимо использовать прорывные инновационные технологии, охватывающие масштабные области: от новых подходов в организации серверных технологий и центров обработки данных (ЦОД) до всеобщей мобильности и организации защищенного сетевого доступа (рис. 1), а именно:

–      создание современного ЦОД, способного обеспечить непрерывную и эффективную работу и с корпоративными ресурсами, и с комплексом учебных и тренажерных средств;

–      применение технологий виртуализации, обеспечивающих выделение необходимого количества ресурсов для функционирования компонент тренажерной и учебной баз;

–      переход с клиент-серверной на сервис-ори­ентированную архитектуру в разработке и развитии ПО тренажеров и систем обучения с применением облачных технологий в рамках организации, что позволит обеспечить всех пользователей набором универсальных интерфейсов с необходимой функциональностью;

–      обеспечение всеобщей мобильности и возможности запуска сервисов и корпоративных приложений на персональных планшетах и мобильных компьютерах, а также внедрения в качестве ПКУ сенсорных мониторов.

В основе используемых технологий должна лежать виртуализация ресурсов сервера, что в ряде случаев может дать следующие положительные результаты:

–      сокращение затрат на работу и обслуживание физических серверов за счет увеличения использования оборудования (можно уменьшить количество оборудования, необходимого для выполнения моделирования и хранения информации);

–      повышение эффективности разработки и тестирования за счет уменьшения времени на установку оборудования, ПО и воспроизведение среды тестирования (использование новых программных сред и систем в ТСПК);

–      повышение доступности и надежности сервера без использования такого количества физических компьютеров, которое потребовалось бы в отказоустойчивой конфигурации, использующей только физические компьютеры.

Для развертывания подобной системы необходимо использование специализированных операционных систем, таких как VMware vSphere, Microsoft Hyper-V, вспомогательного ПО System Center 2012–Virtual Machine Manager (VMM) и технологий виртуализации приложений.

VMware vSphere – это платформа виртуализации, включающая службы инфраструктуры, которые преобразуют оборудование в общую вычислительную платформу, и службы приложений, с помощью которых можно добиться максимального уровня доступности, безопасности и масштабируемости [3]. Основные службы обеспечивают возможности надежной виртуализации, сокращения расходов для хранилищ, визуализацию, контроль и масштабируемость для сетей виртуальных машин [4]. Операционная система vSphere помогает превратить существующие ЦОД в частные облака, обеспечивающие более эффективное и экономичное управление существующими при- ложениями, а также способствующие формиро- ванию гибких тренажеров и их ресурсов, пре- доставляемых по требованию. Внедрение vSphere в качестве платформы частного облака позволит применять новые методы организации вычислительного процесса, создавать набор гибких и эффективных методов предоставления интерфейсов доступа для управления.

Другая система, Hyper-V, предоставляет программную инфраструктуру и основные средства управления, которые можно использовать для создания виртуализованной среды сервера и управления ею [5]. Hyper-V представляет собой виртуальную среду, работающую непосредственно на аппаратном уровне, без обменов с операционной системой компьютера; архитектура Hyper-V состоит из гипервизора микроядра, родительских и дочерних разделов [6]. Гостевые виртуальные машины запускаются из дочерних разделов Hyper-V. Дочерние разделы поддерживают два типа виртуальных машин: в первую группу входят машины с системами Windows Server 2003, Windows Vista, Server 2008 и Linux (поддерживающими Xen); во вторую – с системами Windows NT, Windows 2000 и Linux (без поддержки технологии Xen, например SUSE Linux Server Enterprise 10).

Комплекс программ System Center 2012–VMM является решением для управления виртуализованным ЦОД, позволяющим настраивать и контролировать узлы виртуальных машин, сеть и ресурсы хранения с целью создания и развертывания виртуальных машин и служб в частных облаках [7]. Решения для управления облачными сервисами и ЦОД System Center 2012 предоставляют общий набор инструментов для управления частными и общедоступными облачными приложениями и службами.

Технология виртуализации приложений App-V позволяет сделать приложения доступными для компьютеров конечных пользователей без необходимости установки на них приложений. Это стало возможным благодаря процессу, называемому виртуализацией приложений, при котором каждое приложение может работать в собственной автономной виртуальной среде на клиентском компьютере [8].

Анализ и использование данного ПО для работы с аппаратной составляющей ЦОД обеспечит применение таких методик, как моделирование служб, конфигурация служб и управление на основе образов виртуальных машин для функционирования единого комплекса учебной и тренажерной составляющих с набором различных потребителей ресурсов. На рисунке 2 представлен единый комплекс учебной и тренажерной баз, где центральной частью является программное и аппаратное обеспечение конфигурируемого ЦОД, предоставляющего необходимые ресурсы набору клиентов.

Предложенные технологии и ПО по созданию единого информационного пространства и общесистемной архитектуры тренажеров позволят решить актуальные задачи подготовки всего спектра специалистов в каждой определенной отрасли на существующих и перспективных средствах, объединить потоки данных и ресурсы всех имеющихся средств, интегрировать территориально удаленные тренажеры и комплексы, обеспечить аппаратными и программными средствами высокую надежность вычислительного процесса.

Трансформация и переход к новым технологиям в учебной и тренажерной базах. На первых этапах для решения поставленных задач модернизации и развития необходимо выбрать набор тренажеров и систем ПО (БД, систем хранения и обучения) для пилотного внедрения предлагаемых решений с последующей разработкой специализированного интегрирующего ПО. Следующим этапом станет создание технического комплекса ЦОД для размещения интегрированных пользовательских и информационных сервисов учебной и тренажерной баз с виртуализацией и выделением необходимых ресурсов.

В целом данное решение предполагает постепенный переход от клиент-серверной парадигмы взаимодействия приложений к сервис-ориентиро­ванной архитектуре (рис. 3), при котором можно управлять не только инфраструктурой центра данных или виртуальными машинами, но и жизненным циклом приложения или службы.

На рисунке 3 в процентном соотношении показана доля информации (результатов моделирования, обращения к БД и системам хранения), циркулирующей по каналам связи системы, при этом основные обмены осуществляются в рамках ЦОД – 75 %, в то же время с 95 до 25 % снижаются нагрузки и на каналы связи при доставке данных пользователям [9]. Таким образом, подобное решение даст преимущества при разработке и наращивании новых систем, оптимальном распределении производительности без простоев, позволит быстро и менее ресурсоемко интегрировать новые приложения учебной и тренажерной баз, а также модернизировать существующие.

Например, современный комплекс тренажеров РС МКС обладает существенными недостатками, такими как относительная разобщенность технологий разработки, наличие множества локальных тренажеров, отсутствие взаимосвязи с другими тренажерами и объектами. Предлагаемое решение позволит интегрировать работу персонала, связать с новыми задачами, возможностями других комплексов, получить качественно новые режимы проведения занятий. Предлагается ввести интегрирующий комплекс с набором единых интерфейсов доступа, который обеспечит возможности работы с ресурсами тренажеров удаленным клиентам для контроля и наблюдения за проведением тренировок (рис. 4).

Важной задачей, связанной с разработкой теоретических основ проектирования тренажеров и систем обучения операторов управлению сложными динамическими объектами, является определение архитектурного и структурного построения ТСПК. Она решается на первых этапах при проектировании новых систем, но в случае модернизации и развития учебной и тренажерной баз разработчики сталкиваются с набором уже существующих локальных решений и комплексных тренажеров, поэтому должны рассматриваться варианты интеграции набора автономно функционирующих тренажеров и создания единого интегрированного тренажерного комплекса (рис. 5). Существующая структура тренажерной базы учебных центров подготовки специалистов, сочетающая в себе как локальные тренажеры, так и единые тренажерные комплексы, требует модернизации с введением в каждый тренажер шлюзов обмена с информационным пространством, что и станет связующим звеном в объединении автономных тренажеров между собой и с другими комплексами ТСПК. В структуру тренажеров вводится дополнительное ПО в виде специализированных шлюзов приема и отсылки данных, которые позволят осуществлять обмены с использованием универсального набора интерфейсов информационно-моделирующей среды. Единая информационная среда содержит в себе интегрированные БД, наборы модельного мира каждого тренажера и каналы связи между всеми составными частями тренажеров, функционально-моделирую­щих стендов и систем обучения.

Единый интегрированный тренажерный комплекс, формируемый из типовых программно-аппаратных модулей, существующих тренажеров, имеющих стандартный интерфейс, можно представить в виде набора шести взаимосвязанных функциональных уровней. Уровень 1 – единое информационное пространство учебной и тренажерной баз – содержит БД, наполнение систем хранения, объекты модельного мира, циркулирующие в системе. Уровень 2 – программное и аппаратное обеспечение единого ЦОД организации – содержит набор физических серверов с процессорными и дисковыми мощностями для моделирования, хранения и обеспечения доступа, виртуализации ресурсов на основе распространенных программных средств. Уровень 3 – набор универсальных интерфейсов для обеспечения доступа и управления – содержит разработанные типовые интерфейсы доступа к ресурсам, системам обу- чения, построенные с применением сервис-ориен­тированной технологии. Уровень 4 – набор кор- поративных клиентов в рамках организации (внутренняя инфраструктура) – содержит подсистемы контроля виртуализированных ресурсов, работы тренажеров, наблюдения и администрирования всего комплекса. Уровень 5 – набор интегрированных клиентов в рамках организации (инфраструктура организации) – содержит рабочие места операторов и инструкторов, обучающихся на ФМС и СВР. Уровень 6 – интеграция с внешними клиентами и организациями (сетевая инфраструктура Internet) – содержит набор удаленных пользователей информационных ресурсов, сайтов и БД организации. При такой организации системы информация до потребителя циркулирует от уровня 1 до уровня 5 или 6, обеспечивая оптимизацию потоков данных между потребителями, надежность информации и логическое разделение процесса моделирования и хранения ресурсов.

В таблице показана реальная практическая ценность внедрения предлагаемых решений в учебной и тренажерной базах типового центра подготовки специалистов, приведен анализ состояния существующих показателей надежности использования вычислительных ресурсов и мощностей и состояния после частичного или полного внедрения программных и технический решений. Наибольшее значение имеют показатели интегрированности, надежности вычислительных мощностей и хранимой информации, а также качественно нового подхода к совместному использованию дорогостоящих вычислительных ресурсов.

В процессе разработки и создания интегрированной учебной и тренажерной баз на основе перспективных технологий актуальным является применение распределения физических ресурсов между отдельными задачами и функциями тре- нажеров. Создание современного ЦОД для интеграции существующих и перспективных систем позволит решить актуальные проблемы осуществления непрерывного процесса подготовки специалистов по управлению динамическими объектами. Показанная практическая ценность и эффективность предлагаемых подходов по снижению рисков выхода из строя оборудования, уменьшению стоимости используемых вычислительных мощностей в целом повышают оперативность и готовность комплекса учебно-тренажерной базы, гибкость конфигурирования систем и надежность, которая должна быть обеспечена при подготовке широкого спектра специалистов.

Литература

1.     Шукшунов В.Е., Циблиев В.В., Потоцкий С.И. Тренажерные комплексы и тренажеры. Технологии разработки и опыт эксплуатации. М.: Машиностроение, 2005. 384 с.

2.     Шукшунов В.Е., Янюшкин В.В. Проектирование тренажерно-моделирующих комплексов нового поколения // Программные продукты и системы. 2012. № 4. С. 192–200.

3.     Кусек К., Ван Ной В., Дэниел А. Администрирование VMware vSphere 5. Для профессионалов. СПб: Питер, 2013. 384 с.

4.     Михеев М.О. Администрирование VMware vSphere 5. М.: ДМК Пресс, 2012. 504 с.

5.     Обзор Hyper-V. URL: http://technet.microsoft.com/ru-ru/library/cc770901.aspx (дата обращения: 14.02.2013).

6.     Расскажите подробнее о Hyper-V. URL: http://vds.data-xata.com/faq/hyperv.html (дата обращения: 14.02.2013).

7.     System Center Virtual Machine Manager (SCVMM) 2012. URL: http://www.microsoft.com/ru-ru/server-cloud/system-center/ virtual-machine-manager-2012.aspx (дата обращения: 18.02.2013).

8.     Обзор системы Application Virtualization. URL: http://technet.microsoft.com/library/ee958112.aspx (дата обраще­ния: 18.02.2013).

9.     Dude, where's my business logic? URL: http://www.code­project.com/Articles/10746/Dude-where-s-my-business-logic (дата обращения: 2.04.2013).

References

1.     Shukshunov V.E., Tsibliev V.V., Potocky S.I., Trenazher­nye kompleksy i trenazhery. Tekhnologii razrabotki i opyt eksplu­atatsii [Training complexes and simulators. Design technique and field experience], Moscow, Mashinostroenie, 2005.

2.     Shukshunov V.E., Yanyushkin V.V., Programmnye produkty i sistemy [Software and Systems], 2012, no. 4, pp. 192–200.

3.     Kusek Ch., Van Noy V., Daniel A., VMware vSphere 5 Administration Instant Reference, Sybex, 2nd edition, 2011.

4.     Mikheev M.O., Administrirovanie VMware vSphere 5 [Administration of VMware vSphere 5], Moscow, DMK Press, 2012.

5.     Obzor Hyper-V [Review of Hyper-V], available at: http://technet.microsoft.com/ru-ru/library/cc770901.aspx (accessed 14 February 2013).

6.     Rasskazhite podrobnee o Hyper-V [amplify on Hyper-V], available at: http://vds.data-xata.com/faq/hyperv.html (accessed 14 February 2013).

7.     System Center Virtual Machine Manager (SCVMM) 2012, available at: http://www.microsoft.com/ru-ru/server-cloud/system-center/virtual-machine-manager-2012.aspx (accessed 18 February 2013).

8.     Obzor sistemy Application Virtualization [Review of Application Virtualization system], available at: http://technet.micro­soft.com/library/ee958112.aspx (accessed 18 February 2013).

9.     Dude, where's my business logic? available at: http://www. codeproject.com/Articles/10746/Dude-where-s-my-business-logic (accessed 2 April 2013).