Методология разработки программного обеспечения управления и сбора данных для систем автономного мониторинга с большим объемом генерируемой информации на примере программного комплекса управления гидрологическим радиолокатором

Введение. В настоящее время развитие систем мониторинга и сбора данных ведет к тому, что поток генерируемой информации непрерывно растет. Повышение частоты дискретизации аналого-цифрового преобразователя, увеличение быстродействия систем первичной обработки, приема и передачи информации и другие факторы приводят к тому, что система функционирует, приближаясь к пределу пропускной способности интерфейсов передачи данных. В некоторых приложениях такой поток является избыточным и может быть оптимизирован за счет применения различных алгоритмов первичной обработки информации. Однако в ряде приложений сокращение потока данных является невозможным, так как обработка информации происходит значительно позже ее получения. Поэтому является актуальной разработка методологии программного обеспечения (ПО) управления и сбора данных в системе автоматического мониторинга морской поверхности гидрологическим радиолокатором.
Цель работы. Синтез методологии и разработка ПО управления информационной системой радиолокационного мониторинга морской поверхности.
Материалы и методы. Системный подход, архитектурное и алгоритмическое проектирование ПО, методы управления качеством ПО, системный анализ, фреймворк Qt, язык программирования C++.
Результаты. Получена рабочая методология проектирования ПО управления информационно-измерительными системами с большим объемом генерируемой информации. Эффективность методологии и качество разработанного ПО подтверждены контрольными испытаниями. Стабильность и надежность системы протестирована долгосрочными автономными испытаниями в течение 3 месяцев. Фактические информационные потери в системе составили менее 0.002 %, что не превысило критический уровень в 0.5 %, определенный в техническом задании.
Заключение. Разработанная методология позволяет эффективно решать задачи проектирования ПО управления информационно-измерительными системами с большим объемом генерируемой информации. Используемые подходы построения многопоточной архитектуры ПО с асинхронным управлением потоками данных показывают высокую эффективность при решении поставленной задачи.

1. Determination of the near surface current field from Doppler shift of the coherent radar backscatter under grazing incidence / H. Hatten, J. Seemann, C. M. Senet, A. Bezuglov, V. Veremjev, F. Ziemer // IGARSS 2000. IEEE 2000 Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp. Taking the Pulse of the Planet: The Role of Remote Sensing in Managing the Environment. Honolulu, USA, 24–28 July 2000. IEEE, 2000. Vol. 2. P. 899–901. doi:10.1109/IGARSS.2000.861738

2. Carrasco R., Streber M., Horstmann J. A simple method for retrieving significant wave height from Dopplerized X-band radar // Ocean Sci. 2017. Vol 13. P. 95–103.

3. Sea-surface current measurements with an X band radar / N. Braun, A. Bezuglov, G. Schymura, F. Ziemer // Proc. of the 2003 IEEE Intern. Geoscience and Remote Sensing Symp. Toulouse, France, 21–25 July 2003. IEEE, 2003. Vol. 2. P. 963–965. doi:10.1109/IGARSS.2003.1293978

4. Sea-Surface Current Features Observed by Doppler Radar / N. Braun, F. Ziemer, A. Bezuglov, M. Cysewski, G. Schymura // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2008. Vol. 46, № 4. P. 1125–1133. doi:10.1109/TGRS.2007.910221

5. Орандаренко Е. Д. Радиолокационные методы измерения гидрографических параметров моря // Материалы Междунар. конф. "Системы радиолокационного мониторинга/ Radar Monitoring Systems2017" (RMS'2017). Ханой, Вьетнам, 21–23 нояб. 2017. С. 42–56.

6. System for adjustment of angle coordinates for sea surface surveillance radar / E. Vorobev, A. Bezuglov, V. Veremyev, V. Kutuzov // 2017 Signal Processing Symp. (SPSympo). Jachranka, Poland, 12–14 Sept. 2017. IEEE, 2017. P. 1–5. doi:10.1109/SPS.2017.8053652

7. Orandarenko E. D., Veremyev V. I. Radar methods of measurement bathymetry // 2018 IEEE Conf. of Russ. Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). Moscow and St Petersburg, Russia, 29 Jan. 2018 – 01 Feb. 2018. IEEE, 2018. P. 1129–1131. doi:10.1109/EIConRus.2018.8317289

8. Mikhailov V. N., Khachaturian A. B. Estimation of sea-wind parameters using a Doppler navigation system // 2018 IEEE Conf. of Russ. Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). Moscow and St Petersburg, Russia, 29 Jan. 2018 – 01 Feb. 2018. IEEE, 2018. P. 83–85. doi:10.1109/EIConRus.2018.8317035

9. Kulikova D. Yu., Gorbunov I. G. Analysis of the Sea Surface Parameters by Doppler X-Band Radar in the Coastal Zone of the Black Sea // 2019 IEEE Conf. of Russ. Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), St Petersburg, Russia, 28–31 Jan. 2019. IEEE, 2019. Р. 1179–1182. doi:10.1109/EIConRus.2019.8657257

10. 12207-2017 - ISO/IEC/IEEE Intern. Standard - Systems and software engineering – Software life cycle processes. 15 Nov. 2017. doi:10.1109/IEEESTD.2017.8100771

11. Research on Software Quality Assurance Based on Software Quality Standards and Technology Management / P. Shen, X. Ding, W. Ren, C. Yang // 2018 19th IEEE/ACIS Intern. Conf. on Software Engineering, Artificial Intelligence, Net-working and Parallel/Distributed Computing (SNPD). Busan, Korea (South), 27–29 June 2018. IEEE, 2018. P. 385–390. doi:10.1109/snpd.2018.8441142

12. 90003-2018 - ISO/IEC/IEEE Intern. Standard - Software engineering – Guidelines for the application of ISO 9001:2015 to computer software. 30 Nov. 2018. doi:10.1109/IEEESTD.2018.8559961

13. Akkary H., Ramly S., Serhan K. Synchronization-Free Multithreading Architecture and Application Programming Interface // 17th IEEE Mediterranean Electrotechnical Conf. Beirut, Lebanon, 13–16 Apr. 2014. IEEE, 2014. P. 472–478. doi:10.1109/MELCON.2014.6820580

14. Basile C., Kalbarczyk Z., Iyer R. K. Active Replication of Multithreaded Applications // IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems. 2006. Vol. 17, № 5. P. 448–465. doi:10.1109/TPDS.2006.56

15. Advanced Thread Synchronization for Multithreaded MPI Implementations / Hoang-Vu Dang, Sangmin Seo, Abdelhalim Amer, Pavan Balaji // 17th IEEE/ACM Intern. Symp. on Cluster, Cloud and Grid Computing. Madrid, Spain, 14–17 May 2017. IEEE, 2017. P. 314–324. doi:10.1109/CCGRID.2017.65

16. Hutchins D., Ballman A., Sutherland D. C/C++ Thread Safety Analysis // 14th IEEE Intern. Working Conf. on Source Code Analysis and Manipulation. Victoria, Canada, 28–29 Sept. 2014. IEEE, 2014. P. 41–46. doi:10.1109/SCAM.2014.34

17. A Simple Multithreaded C++ Framework for High-Performance Data Acquisition Systems / R. Inglés, P. Perek, M. Orlikowski, A. Napieralski // Proc. of the 22nd Intern. Conf. "Mixed Design of Integrated Circuits and Systems", Toru, Poland, 25–27 June 2015. IEEE, 2015. P. 153–157. doi:10.1109/MIXDES.2015.7208501

18. Maximally Permissive Deadlock Avoidance for Multithreaded Computer Programs / Y. Wang, H. Liao, A. Nazeem, S. Reveliotis, T. Kelly, S. Mahlke, S. Lafortune // 5th Annual IEEE Conf. on Automation Science and Engineering. Bangalore, India, 22–25 Aug. 2009. P. 37–41. doi:10.1109/COASE.2009.5234118