Сучасний електронний пристрій дедалі рідше є лише набором з’єднаних між собою компонентів. Промисловий контролер, система опалення, видобувна машина або побутовий прилад сьогодні працюють як кіберфізична система, у якій апаратна частина нерозривно пов’язана з програмним забезпеченням.
Що за таких умов визначає надійність пристрою – правильно спроєктована схема чи безпомилковий код? Про це говоримо з Андрієм Бубліковим – доктором технічних наук, професором, завідувачем кафедри кіберфізичних та інформаційно-вимірювальних систем НТУ «Дніпровська політехніка».
Андрію Вікторовичу, то що важливіше для надійності сучасного електронного пристрою — схема чи код?
Таке протиставлення корисне для постановки питання, але в реальному пристрої відокремити одне від іншого вже неможливо. Схема визначає фізичні можливості системи: які сигнали вона може отримувати, з якою точністю їх вимірювати, які навантаження комутувати та як реагувати на відмову окремого компонента. Код визначає поведінку пристрою: як він інтерпретує отриману інформацію, яке рішення ухвалює і що робить у нестандартній ситуації. Тому надійність виникає не всередині окремої мікросхеми або програмного модуля. Вона формується в замкненому контурі:
датчик → передавання та оброблення інформації → алгоритм ухвалення рішення → виконавчий механізм → зворотний зв’язок.
Якщо хоча б одна ланка працює неправильно, формально справний пристрій може виконувати помилкові дії.
Чи означає це, що програмна помилка сьогодні може бути такою самою небезпечною, як несправність електронного компонента?
Саме так. А в окремих випадках вона навіть складніша для виявлення. Пошкоджений датчик або силовий елемент часто залишає фізично вимірювані ознаки: змінюється напруга, струм, температура чи опір. Помилка алгоритму може проявлятися лише за певного поєднання умов, яке не було враховане під час проєктування і тестування.
Особливо це стосується систем автоматичного керування складними технологічними об’єктами. Вони працюють в умовах неповної інформації, змінних навантажень і зовнішніх збурень. Тут недостатньо перевірити, чи правильно виконується кожна команда програми. Необхідно з’ясувати, чи залишається правильною поведінка всієї системи в різних режимах роботи. Тому я б розділив три поняття: працездатність апаратної частини, коректність програмної реалізації та адекватність закладеного алгоритму. Лише їх поєднання дає функціонально надійну систему.
Як ця системна логіка проявилася у Ваших дослідженнях?
Один із головних напрямів моєї роботи — автоматизація керування видобувними машинами. Така машина працює у складному й мінливому середовищі. Властивості гірського масиву змінюються, навантаження на приводи коливаються, а рішення щодо швидкості руху, положення виконавчих органів та режиму різання взаємопов’язані. У межах докторського дослідження ми розробляли підхід до узгодженого керування кількома компонентами видобувної машини на основі алгоритмів нечіткого виведення. Система оцінює не лише миттєве значення струму або потужності двигуна, а й закономірності їх зміни в часі. Це дає змогу розпізнавати режими роботи машини та формувати координовані керувальні впливи.
Тут добре видно, чому самої надійної електричної схеми недостатньо. Вона може точно виміряти струм двигуна, але саме алгоритм має визначити, що означає характер його зміни: нормальне навантаження, перехід до різання породи чи небезпечне перевантаження. Водночас навіть найскладніший алгоритм не допоможе, якщо система отримує недостовірні дані від датчиків.
Результати цієї роботи узагальнено в докторській дисертації з автоматизації керування видобувними машинами.
Чи можна зробити алгоритм достатньо гнучким, щоб не переписувати програму контролера після кожної зміни технологічного процесу?
Це одне з актуальних завдань сучасної автоматизації. Традиційно алгоритм жорстко закладається у програмний код контролера. Якщо змінюється технологічна логіка, фахівець має редагувати програму, повторно її компілювати, завантажувати й перевіряти.
Разом із колегами ми запропонували інший підхід: подавати алгоритм керування у вигляді продукційних правил — конструкцій типу «якщо виконується певна умова, необхідно здійснити відповідну дію». Далі ці правила перетворюються на сукупність числових матриць, які можна передати через локальну мережу або інтернет до контролера.
Таким чином, у контролері залишається перевірене програмне ядро, а схема алгоритму змінюється через структурований набір даних. Для складних багаторівневих систем це відкриває можливість дистанційно оновлювати тактику керування без повної заміни програмного забезпечення. Звичайно, дистанційна зміна алгоритму потребує контролю версій, перевірки цілісності, автентифікації джерела команди та можливості повернення до попередньої конфігурації. Гнучкість не повинна створювати нові ризики.
Цей метод представлено у статті «Спосіб дистанційної зміни схеми алгоритму в контролері для автоматизації процесів керування технологічними об’єктами».
Чи мають ці дослідження практичне застосування?
Для інженерної науки принципово важливо, щоб алгоритм не залишався лише математичною конструкцією.
Один із напрямів нашої роботи пов’язаний з енергоефективним керуванням групами електричних нагрівальних пристроїв. Разом із колегами було розроблено децентралізовану систему, яка розподіляє доступну електричну потужність між обігрівачами, підтримуючи заданий температурний режим. Пристрої координують роботу так, щоб використовувати наявний енергетичний ресурс без одночасного створення надмірного навантаження на мережу.
Технічне рішення захищене патентом України №121219. Результати досліджень кафедрального проєкту з енергоефективного розподілу та споживання електроенергії на основі концепції Smart Grid були впроваджені на підприємстві МГК «Облік». Інший приклад — інтелектуальне керування технологічними об’єктами гірничо-металургійного виробництва. Результати відповідного наукового напряму кафедри впроваджувалися в АТ «Харківський машинобудівний завод “Світло шахтаря”», на машинобудівному заводі «Лазер» та в Інституті технічної механіки НАН України і Державного космічного агентства України.
Окремі алгоритми проходять перевірку спочатку на математичних та імітаційних моделях. Наприклад, моделювання автоматичного керування шахтною водовідливною установкою показало можливість зменшення витрат на електроенергію приблизно на 5–10% завдяки перенесенню частини роботи насосів за межі пікових тарифних періодів. У цьому випадку важливо уточнювати: йдеться про результат моделювання, який визначає потенціал рішення та умови його подальшого промислового застосування.
Наскільки змінилася сама архітектура електронних пристроїв?
Раніше пристрій здебільшого мав фіксовану функцію. Сьогодні він стає елементом розподіленої системи, обмінюється даними з іншими пристроями, отримує оновлення та може коригувати власну поведінку. Саме так працюють технології інтернету речей і кіберфізичні системи. Їхні компоненти обмінюються не лише показниками датчиків. Вони можуть передавати фрагменти баз знань, правила поведінки та координувати спільну роботу.
Тому до традиційних критеріїв надійності додаються нові:
- достовірність і своєчасність даних;
- стійкість алгоритму до неповної або суперечливої інформації;
- захищеність каналів зв’язку;
- передбачувана поведінка під час втрати мережі;
- можливість переходу в безпечний стан;
- контроль програмних оновлень;
- збереження працездатності після відмови окремого компонента.
Сучасний пристрій має залишатися безпечним не лише тоді, коли все працює правильно, а й тоді, коли частина системи вже працює неправильно.
Чого потрібно навчати майбутніх інженерів, щоб вони могли створювати такі системи?
Інженер має бачити не окрему плату, контролер або програму, а весь технологічний об’єкт. Потрібно розуміти фізику процесу, вміти працювати з датчиками, проєктувати алгоритми, програмувати контролери, аналізувати дані та оцінювати можливі наслідки помилкового рішення.
Саме тому в освітніх програмах кафедри поєднуються автоматизація технологічних процесів, моделювання систем керування, промислові контролери, інтернет речей та кіберфізичні системи. Важливо, щоб студент не просто написав код, який запускається, а міг обґрунтувати, чому система поводиться саме так і що станеться у випадку відмови датчика, втрати зв’язку або виходу параметра за допустимі межі. У лабораторіях кафедри студенти працюють із промисловими контролерами та SCADA-системами, створюють цифрові й фізичні моделі технологічних процесів, досліджують енергоспоживання, системи розпізнавання та автоматичного керування. Це формує головну інженерну компетентність — відповідальність за поведінку створеної системи в реальних умовах.
Отже, якою є коротка відповідь: схема чи код?
Надійність сьогодні визначає не окрема схема і не окремий код, а якість їхньої взаємодії.
Правильна схема забезпечує можливість отримати достовірну інформацію та безпечно виконати команду. Правильний алгоритм перетворює інформацію на обґрунтоване рішення. Якісний код точно реалізує цей алгоритм, а випробування підтверджують, що система залишається передбачуваною за нормальних, граничних і аварійних умов. Саме тому сучасний електронний пристрій потрібно проєктувати не як набір компонентів, а як цілісну систему керування. Надійним є не той пристрій, у якому ніколи нічого не відмовляє, а той, у якому можливі відмови передбачені, своєчасно виявляються і не призводять до небезпечної поведінки.
Прес-служба НТУ «Дніпровська політехніка»
