dr hab. Zygm unt M azur, prof. P.Wr. Instytut Inform atyki
Politechniki W rocławskiej
Wyb. W yspiańskiego 27, 50-370 W rocław tek: (+71) 320 4223
e-m ail: zygm unt.m azur@ pw r.w roc.pl
R E C E N Z JA R O Z P R A W Y D O K TO R SK IEJ
W rocław, 2 0 1 1 -1 0 -1 0
T ytu ł rozpraw y:
„Zasto sow an ie w ielozadaniow ości do p opraw y
p aram etró w czasow ych wykonania aplikacji w w ęźle ro zproszonego system u czasu rze czy w is teg o ”
A u to r rozpraw y: m g r inż. A rkad iusz Je stratjew P ro m o to r rozpraw y: d r hab. inż. Andrzej Kw iecień
1. Charakterystyka wyboru tematu i przedmiot rozprawy
Sterowanie procesam i przem ysłowym i często wiąże się z koniecznością zastosow ań skom plikow anych algorytm ów sterowania zapew niających niezawodność, pełną kontrolę param etrów procesu i szerokie możliwości diagnostyki w przypadku awarii. W dzisiejszych czasach trudno w yobrazić sobie instalacje urządzeń i system ów autom atyki bez zastosowania w niej sterowników program owalnych. Postęp technologiczny spowodował, że obecnie najczęściej instalowane są sterowniki PLC (.Programmable Logic Controller - Program owalny Sterownik Logiczny). M ożliwość uzyskania większej mocy obliczeniowej za coraz niższą cenę spopularyzowała rozproszone systemy sterowania zbudow ane z wielu sterowników połączonych siecią kom unikacyjną. Opracowano wiele determ inistycznych protokołów kom unikacji sieciowej, um ożliw iających budowę rozproszonych systemów czasu rzeczywistego.
System przerw ań jest istotnym elementem każdego systemu komputerowego. W przypadku sterowników PLC obsługa przerwań jest realizow ana za pośrednictwem oprogram ow ania wbudowanego, które obsługuje zgłoszenia przerwań i wywołuje odpow iednie fragmenty aplikacji użytkowej. Zwykle zaleca się, aby czas wykonania procedur obsługi przerw ań był jak najkrótszy i wtedy wydłużenie czasu wykonania aplikacji sterow nika może być pomijane.
D oktorant w swojej rozprawie zaproponował inne podejście. Założył, że czas w ykonyw ania procedur obsługi przerwań może być długi, co może mieć istotny
B i u r o D ziekan a
3
< Wpłynęło dnia Cil '11.
VC
wpływ na czas cyklu sterownika. Doktorant opracował metodę analizy czasowej takiego systemu, traktując każdą z procedur obsługi przerwań, jak o osobne zadanie.
Dokonując dekom pozycji oprogram owania aplikacyjnego sterow nika na podzadania o niezależnych wym aganiach czasowych, m ożna zbudow ać system, w którym param etry czasowe niektórych zadań będą lepsze niż w systemie pracującym bez użycia przerwań, przy zachowaniu ścisłych ograniczeń czasowych.
Podstaw owym celem rozprawy doktorskiej było opracowanie metod analizy czasowej system ów czasu rzeczyw istego wykorzystujących m echanizm przerwań, dla których czas przetw arzania procedur obsługi przerwań nie je st pomijalny.
Cytując za rozprawą: główna teza rozprawy doktorskiej została sform ułow ana następująco:
"W ykorzystując podejście wielozadaniowe, możliwa je s t taka implementacja aplikacji sterownika P L C będącego węzłem systemu rozproszonego, aby cykl wym iany inform acji m iędzy węzłam i był krótszy niż w przypadku sekwencyjnego wykonania aplikacji, p rzy dotrzym aniu ścisłych ograniczeń czasowych dla wszystkich zadań oraz sam ego procesu kom unikacji."
Przedstaw ione w rozpraw ie wyniki badań, zm ierzające do udow odnienia tak postaw ionej tezy, rozw iązują przedstaw iony problem, są bardzo ważne i celowe. Przedstaw iona do recenzji praca doktorska wpisuje się głęboko w opisany wyżej nurt badań.
2. Konstrukcja rozprawy
Struktura rozprawy doktorskiej odzwierciedla kolejne etapy osiągania założonego celu. W sensie form alnym rozpraw a obejmująca 177 stron, oprócz wstępu i podsum ow ania, składa się z pięciu rozdziałów oraz bibliografii liczącej 135 pozycji dotyczących podstaw ow ych i aktualnych źródeł.
Rozdział 1 stanowi wprow adzenie do rozprawy. Określono w nim cel rozprawy, przedstaw iono tezy, podano podstaw ow ą terminologię i zdefiniowano pojęcie czasu. W rozdziale 2 dokonano przeglądu zagadnień dotyczących teorii szeregow ania zadań > w system ach czasu rzeczywistego. W rozdziale trzecim om ówiono własności sterow ników program ow alnych PLC. Przedstawiono klasyczny, jednozadaniow y model program ow y sterownika PLC wraz z opisem jego analizy czasowej. Omówiono wpływ czasu cyklu sterownika na szybkość wymiany informacji w systemie rozproszonym , gdy sterownik PLC jest jego węzłem. Opisano znane m etody redukcji czasu cyklu sterownika w m odelu jednozadaniow ym i omówiono m echanizm y obsługi przerw ań występujących w nowych generacjach sterowników PLC. W rozdziale czwartym przedstaw iono wielozadaniow y model programowy sterow ników PLC, w którym system przerwań traktow any je st jako instancja pew nego algorytmu szeregow ania zadań z metodami analizy czasowej dla jednego i wielu aktywnych źródeł przerw ań w systemie. Przestawiono nieblokujący algorytm wym iany informacji pom iędzy zadaniam i. Czas przekazyw ania informacji pom iędzy producentem a konsum entem jest ograniczony od góry, um ożliwiając zastosowanie tego algorytmu w system ach o ścisłych ograniczeniach czasowych. Zamieszczono rezultaty analiz teoretycznych. Rozdział piąty prezentuje wyniki badań eksperym entalnych działania sterownika PLC jako systemu wielozadaniowego, w którym zadania są aktywowane
przez w ew nętrzne (przerw ania zegara system owego) lub zew nętrzne (przerwania wejść binarnych) źródła przerwań. W rozdziale szóstym zaprezentow ano wyniki pom iarów czasu wym iany informacji między węzłami system u rozproszonego, gdy obsługa wym agań je st realizow ana z użyciem modelu w ielozadaniow ego. Jako przykład realizacji w ybrano sieć typu M aster-Slave wykorzystującej protokół M odbus- RTU. W rozdziale siódm ym zawarto podsum ow anie uzyskanych wyników rozprawy doktorskiej i zaprezentow ano końcowe wnioski, dokonano oceny rezultatów badań oraz zaprezentow ano kierunki dalszych badań. Pracę zam ykają obszerny spis literatury, skorowidz, spisy rysunków i tabel.
3. Ocena merytoryczna rozprawy
Recenzow ana rozpraw a doktorska dotyczy inżynierii oprogram ow ania związanej z m odelow aniem system ów czasu rzeczyw istego w ykorzystyw anych w sterowaniu procesam i przem ysłow ym i.
A utorskie rozw iązania są przedstaw ione w rozdziałach 4, 5 i 6 rozprawy. N ajw ażniejsze autorskie wyniki badań doktoranta.
W rozpraw ie doktorant zaproponow ał i przebadał metody analizy czasowej system ów czasu rzeczyw istego o ścisłych ograniczeniach czasowych, dla których czas przetw arzania procedur obsługi przerw ań nie jest pomijalny.
W podrozdziale 4.2 doktorant przedstaw ił metodę analizy czasowej sterowników PLC z aktywnym pojedynczym źródłem przerwań. Przypadek taki je st istotny w praktyce przem ysłow ej, gdy przerw ania wykorzystywane są do przyśpieszenia obsługi sieci przem ysłowej.
W podrozdziale 4.3 zaproponow ał model systemu czasu rzeczywistego, w którym system przerw ań potraktow ał, jako instancję pewnego algorytmu szeregow ania zadań, a procedury obsługi przerwań, jako zadania.. Takie podejście um ożliwiło zastosowanie metod znanych w teorii szeregowania do przeprow adzenia analizy czasowej systemu. W yprow adził i formalnie udowodnił zależności umożliwiające prow adzenie analizy czasowej z uw zględnieniem rzeczywistych własności analizowanego systemy takich jaj niezerow ych czas przełączenia kontekstu zadań.
Przeprow adził analizę zagadnień deterministycznej kom unikacji między niezależnie wykonyw anym i zadaniami periodycznymi bez ich blokowania. Zaproponow ał algorytm wym iany danych między zadaniami, który gwarantuje przeprow adzenie wym iany w określonym terminie.
Zależności udowodnione w podrozdziale 4.4 umożliwiają przeprow adzenie kompletnej analizy czasowej wym iany danych między zadaniami sterow nika PLC.
D oktorant w rozdziale 5 w ykonał trzy eksperym enty badawcze:
a) przebadał system, w którym źródłem wszystkich przerwań je st zegar system ow y (podrozdział 5.1),
b) zastosow ał niezależne, zewnętrzne źródła przerwań, taktowane osobnymi zegaram i o różniących się częstotliwościach i zaburzając je przez krótkotrw ałe wstrzym ywanie generacji zgłoszeń przerwań, odwzorowuje to w złożony system (podrozdział 5.2),
c) zw eryfikow ał możliwości zastosow ania opracowanego modelu do analizy czasowej rozproszonego systemu czasu rzeczywistego.
Podsum ow ując autorskie wyniki naukowe przedstaw ione w rozprawie, do najw ażniejszych oryginalnych osiągnięć doktoranta m ożna zaliczyć:
1. O pracow anie modelu sterowników PLC, w którym system przerw ań można potraktow ać jako instancję algorytm u szeregowania zadań, a procedury obsługi przerw ań jako zadania. Takie podejście umożliwiło zastosow anie metod znanych w teorii szeregow ania do przeprow adzenia analizy czasowej..
2. Opracowanie prostej analizy czasowej systemów z pojedynczym źródłem przerwań.
3. W yznaczenie postaci funkcji żądanego czasu procesora um ożliw iających zastosow anie metody analizy żądań czasowych TDA (ang. Tim e-D em and A nalysis) dla system ów z wielom a źródłami przerwań oraz z ograniczoną liczbą priorytetów przerwań.
4. O pracow anie zdeterm inowanego czasowo algorytmu kom unikacji między niezależnie wykonywanym i zadaniami periodycznym i bez ich blokowania. 5. Eksperym entalnie wykazanie użyteczności opracowanych metod dla analizy
czasowej rozproszonych system ów czasu rzeczywistego z wykorzystaniem sterow ników PLC.
6. A utom atyczne i eksperym entalne wykazanie możliwości popraw y param etrów czasow ych system u czasu rzeczywistego przez zastosowanie przerwań, zarów no czasów odpowiedzi w ęzłów systemu na pobudzenie lokalne jak i czasu wym iany informacji w sieci łączącej węzły systemu rozproszonego. Przeprow adzone eksperym enty wykazały zgodność zaproponow anego modelu teoretycznego z eksperym entam i doświadczalnymi przedstawionym i w rozdziale 6. Otrzym ane wyniki pom iarów uzasadniają praw dziw ość tezy rozprawy.
D oktorant w trakcie pisania rozpraAvy prezentow ał wyniki prow adzonych badań na wielu konferencjach, przygotował 12 publikacji naukowych (poz. 3 8 -4 9 w Bibliografii).
4. Uwagi krytyczne
Praca je st popraw nie napisana i zasługuje na wysoką ocenę merytoryczną. Nie mniej jednak do rozprawy m ożna mieć pew ne zastrzeżenia.
Podstaw ow ą uwagą krytyczną do rozprawy jest brak informacji w rozprawie na temat złożoności obliczeniowej algorytm ów i problemów szeregow ania zadań. Złożoność obliczeniow a je st szczególnie istotna w przypadku systemów kom puterow ych pracujących w czasie rzeczywistym. Problem złożoności obliczeniowej w rozprawie został całkowicie pominięty. Odsyłam do pracy - klasyki literatury serii Inform atyka (elem entarza złożoności obliczeniowej algorytmów i problem ów szeregow ania zadań).
W trakcie czytania rozprawy pojaw iły się pytania do doktoranta.
1 Jacek B łażew icz, W ojciech C ellary, Rom an S łow iński, Jan W ęglarz: B adania operacyjne dla inform atyków , W N T 1983, rozdz. 5, D eterm inistyczne p ro b le m y szeregow ania zadań, str. 18, 161-227
1. Jaka je st złożoność obliczeniowa zaproponowanego w rozdziale 4.4.2 algorytm u komunikacji zadań, przedstawionego na stronach 80-81?
2. Jak m ożna rozbudować przedstaw iony w rozprawie algorytm kom unikacji zadań, aby umożliwić kom unikację jednego zadania producenta z w ielom a zadaniam i konsum enta?
3. Jak m ożna w ykorzystać opracowane metody analizy czasowej w projektow aniu system ów czasu rzeczywistego, niewykorzystujących sterowniki PLC?
O ceniając rozpraw ę od strony edytorskiej m ożna stwierdzić, że została ona starannie przygotow ana, napisana popraw nym językiem , estetycznie wykonano wszystk i e rysunki.
N ie mniej jednak rozprawa zawiera kilka usterek edytorskich i językow ych, np. a) brak definicji systemu czasu rzeczywistego "odpowiedzialnego" (str. 17,
7wd),
b) na stronie 19 doktorant wyróżnia trzy kategorie ograniczeń czasowych i używ a term inologii polskiej, natomiast poniżej w podpisie rysunku 2.2 jest użyta term inologia angielska.
c) niepełny wykaz oznaczeń na str. 9, np. brak symbolu X str. 63 (czas procesora),
d) w tekście w ystępują drobne (nieliczne) literówki.
5. W niosek końcowy
W podsum ow aniu należy stwierdzić, że przedstaw iona do oceny rozprawa doktorska zaw iera oryginalne i wartościowe wyniki rozwiązania problemu naukowego, które stanowią znaczący wkład do nowoczesnej inżynierii oprogram ow ania związanej z modelowaniem system ów czasu rzeczywistego w ykorzystyw anych w sterowaniu procesami przemysłowymi.
D oktorant wykazał się wiedzą teoretyczną w tej dyscyplinie naukowej i w ykazał się um iejętnościam i samodzielnego prowadzenie pracy naukowej. Posiada dorobek naukow y w postaci 6 publikacji samodzielnych i 6 publikacji zespołowych. W ym ienione w poprzednim punkcie uwagi m ają charakter dyskusyjny i w żadnym stopniu nie um niejszają osiągnięć doktoranta.
W zw iązku z powyższym stwierdzam, że rozprawa doktorska pt. :
„Zastosowanie w ielozadaniow ości do poprawy param etrów czasowych
w ykonania aplikacji w węźle rozproszonego systemu czasu rzeczyw istego” zdecydow anie spełnia wym agania stawiane rozprawom doktorskim określonym w art. 13, ust. 1 i ust. 2 Ustawy z dnia 14 m arca 2003 r. o stopniach i tytule naukowym i wnoszę o dopuszczenie mgr inż. Arkadiusza Jestratjewa do dalszych etapów przewodu doktorskiego.
Zygmunt Mazur
