вестник южно уральского-государственного_университета._серия_компьютерные_технологии,_управление,_радиоэлектроника_№1_2013
1. Учредитель – Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный
университет» (национальный исследовательский университет)
Редакционная коллегия серии:
д.т.н., профессор Шестаков А.Л.
(отв. редактор);
д.т.н., профессор Казаринов Л.С.
(зам. отв. редактора);
к.т.н., доцент Плотникова Н.В.
(отв. секретарь);
д.ф.-м.н., профессор, чл.-кор. РАН
Ушаков В.Н.;
д.т.н., профессор Войтович Н.И.;
д.т.н., профессор Карманов Ю.Т.;
д.т.н., профессор Логиновский О.В.;
д.т.н., профессор Лысов А.Н.;
д.ф.-м.н., профессор Танана В.П.;
д.т.н., профессор Тележкин В.Ф.;
д.ф.-м.н., профессор Ухоботов В.И.;
к.т.н., доцент Кафтанников И.Л.
Серия основана в 2001 году.
Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-26455
выдано 13 декабря 2006 г. Федеральной службой по
надзору за соблюдением законодательства в сфере
массовых коммуникаций и охране культурного на-
следия.
Журнал включен в Реферативный журнал и Базы
данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно
публикуются в международной справочной системе
по периодическим и продолжающимся изданиям
«Ulrich’s Periodicals Directory».
Решением Президиума Высшей аттестационной
комиссии Министерства образования и науки Рос-
сийской Федерации от 19 февраля 2010 г. № 6/6 жур-
нал включен в «Перечень ведущих рецензируемых
научных журналов и изданий, в которых должны
быть опубликованы основные научные результаты
диссертаций на соискание ученых степеней доктора и
кандидата наук».
Подписной индекс 29008 в объединенном каталоге
«Пресса России».
Периодичность выхода – 4 номера в год.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3. CONTENTS
KLYGACH D.S., KHASHIMOV A.B. Optimization method for geometry of mirror antennas
with special pattern ............................................................................................................................... 4
BOTOV D.S. Review of modern development and support tools for domain-specific program-
ming language ...................................................................................................................................... 10
SADOV V.B. Simulation of dynamometer cards with various defects of oil well equipment ............ 16
BELOUSOV M.D., DYACHUK V.V., MIRZAEV D.A., SHESTAKOV A.L. Self-calibrating
thermometer based on melting points. Construction and operation algorythms .................................. 26
KHANKIN K.M. Efficiency comparison of OpenMP, nVidia CUDA and StarPU technologies by
the example of matrix multiplication ................................................................................................... 34
PANFEROV S.V., PANFEROV V.I. Automatic control for heating systems with water jet pump
accession ............................................................................................................................................... 42
BESSONOVA V.A., KUZNETSOV V.L., SKOMOROKHOV D.S., CHEPUSOV A.S. Automa-
tization of experiments by means of input-output device RL-88AC .................................................... 48
SALIKHOV R.R., KHASHIMOV A.B. Supercomputer simulation of scattered fields on complex
shape objects ......................................................................................................................................... 55
SADOV V.B. Definition of defects of equipment of oil well on dynomometer card .......................... 61
KUZNETSOVA Ya.V., UMANETS K.A., BELOUSOV M.D., DYACHUK V.V., MIRZAEV D.A.,
SHESTAKOV A.L. Experimental check of Curie point determination algorithm of thermocouple
electrode in accordance with results of thermoelectric power measurements ...................................... 72
VSTAVSKAYA E.V., KONSTANTINOV V.I., KHAZHIEV R.A. Remote control of lighting
systems condition ................................................................................................................................ 76
ASTAKHOVA L.V. Problem of identification and evaluation of personnel exposure of informa-
tion security .......................................................................................................................................... 79
Brief reports
KHANKIN K.M. Method of conformance evaluation of energy consumption of computing task
and requirements to energy consumpion, its implementation with the help of StarPU ....................... 84
ARGUTIN A.V. Energy optimization method based on message passing mechanism applied for
stereo-vision problems ......................................................................................................................... 87
KAZARINOV L.S., BARBASOVA T.A., ZAKHAROVA A.A. Effective prediction of energy
resources consumption by cost criterion .............................................................................................. 90
KOSHIN A.A., NURKENOV A.K. Workability evaluation of statistical control for CNC machine ..... 94
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4. Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника»
4
Введение1
Зеркальные антенны с диаграммами направ-
ленности (ДН) специального вида широко исполь-
зуются при построении радиолокационных и ра-
дионавигационных комплексов, радиотехнических
систем дистанционного зондирования и картогра-
фирования [1]. Для систем связи особое значение
имеют зеркальные антенны со сверхнизким (до
–60 дБ) уровнем боковых лепестков ДН. Форми-
рование таких ДН с помощью зеркальных антенн
имеет ряд преимуществ в сравнении с фазирован-
ными антенными решетками, прежде всего вслед-
ствие компактности и простоты конструкции зер-
кальных антенн, состоящих из рефлектора специ-
альной формы и облучателя. ДН специального
вида в радиолокационных и радионавигационных
комплексах должны обеспечивать равномерность
мощности излучения в пределах заданной угловой
области. В этом случае цели, характеризуемые
одинаковыми рассеивающими свойствами (напри-
мер, радиолокационным сечением рассеяния), в
Клыгач Денис Сергеевич – аспирант кафедры конст-
руирования и производства радиоаппаратуры, Южно-
Уральский государственный университет; 86kds@mail.ru
Хашимов Амур Бариевич – канд. физ.-мат. наук, до-
цент кафедры конструирования и производства радио-
аппаратуры, Южно-Уральский государственный универ-
ситет; xab@kipr.susu.ac.ru
одинаковой степени воспринимаются в границах
зоны перекрытия, обеспечивая высокую эффек-
тивность обработки радиолокационной информа-
ции. Примером ДН специального вида может слу-
жить косекансная ДН, которая используется как
для наземных, так и для бортовых комплексов.2
Для синтеза поверхности рефлектора зеркаль-
ной антенны с ДН специального вида наиболее
часто используются методы геометрической опти-
ки (ГО) [1, 2], следовательно, результаты синтеза
тем точнее, чем больше размеры и радиус кривиз-
ны рефлектора по сравнению с длиной волны .
Вместе с тем, методы ГО принципиально не могут
быть использованы для анализа дифракционных
явлений, возникающих на кромках рефлектора и
существенно искажающих ДН. Кроме того, эти
методы неприменимы для оптимизации поверхно-
сти рефлектора в заданном частотном диапазоне.
Следовательно, методы ГО являются приближен-
ными методами синтеза, и в основном использу-
ются для нахождения профиля сечения цилиндри-
Klygach Denis Sergeevich – Post-Graduate Student of Ra-
dio Equipment Design and Production Department, South
Ural State University; 86kds@mail.ru
Khashimov Amur Barievich – Candidate of Science
(Physics and Mathematics), Associate Professor of Radio
Equipment Design and Production Department, South Ural
State University; xab@kipr.susu.ac.ru
УДК 621.396.6(07), 537.8(07)
МЕТОД ОПТИМИЗАЦИИ ГЕОМЕТРИИ ЗЕРКАЛЬНЫХ АНТЕНН
С ДИАГРАММОЙ НАПРАВЛЕННОСТИ СПЕЦИАЛЬНОГО ВИДА
Д.С. Клыгач, А.Б. Хашимов
OPTIMIZATION METHOD FOR GEOMETRY OF MIRROR ANTENNAS
WITH SPECIAL PATTERN
D.S. Klygach, A.B. Khashimov
Предложен метод оптимизации геометрии рефлектора зеркальной антенны двой-
ной кривизны. Рассматривается формирование косекансной диаграммы направленно-
сти в полосе частот, определяемой свойствами облучателя. Математическая модель
зеркальной антенны основана на использовании методов геометрической оптики.
Использование вычислительных методов повышенной точности позволяет существен-
но ускорить предложенный метод последовательных приближений.
Ключевые слова: зеркальная антенна, косекансная диаграмма направленности, мате-
матическая модель, геометрическая оптика.
This paper proposes the optimization method for geometry of the double curvature re-
flector of mirror antenna. The forming of the cosecant pattern for given frequency range,
which is determined by irraditor properties, is considered. Mathematical model of the mirror
antenna is based on the methods of geometrical optics. The usage of computational methods of
high accuracy allows to accelerate the proposed method of successive approximation.
Keywords: mirror antenna, cosecant pattern, mathematical model, geometrical optics.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5. Метод оптимизации геометрии зеркальных антенн
с диаграммой направленности специального вида
2013, том 13, № 1
5
ческого рефлектора. При этом для расчета ДН в
вертикальной плоскости используется апертурный
метод, не учитывающий строгую картину фазовых
распределений в апертуре антенны. Поэтому на
практике полученные результаты часто приходит-
ся корректировать, но простота и ясность физиче-
ских концепций, лежащих в основе методов ГО,
определила их широкое применение в инженерной
практике проектирования зеркальных антенн.
Методы расчёта профиля зеркальной
антенны двойной кривизны с заданной ДН
Рассмотрим методы оптимизации геометри-
ческих характеристик рефлектора зеркальной ан-
тенны двойной кривизны для формирования косе-
кансной ДН в вертикальной плоскости. В прибли-
жении ГО обычно определяют профиль сечения
цилиндрического рефлектора, профиль рефлектора
в горизонтальной плоскости выбирают параболи-
ческим, исходя из заданных требований к ДН в
горизонтальной плоскости. Основные геометриче-
ские характеристики профиля центрального сече-
ния рефлектора в вертикальной плоскости и лучи в
апертуре антенны изображены на рис. 1.
Для кривой сечения, которая предполагается
дифференцируемой, из рис. 1 следует дифферен-
циальное уравнение [2]
ln tg
2
d
d
, (1)
где – расстояние в сечении профиля от точ-
ки расположения облучателя до точки отражения
на кривой; – угол, образуемый падающим лу-
чом с горизонтальной плоскостью; – угол, об-
разуемый отраженным лучом с горизонтальной
плоскостью. Уравнение (1) путем интегрирования
в заданном угловом секторе можно преобразовать
в нелинейное интегральное уравнение
2
1
1
ln tg
2
d
, (2)
для решения которого необходимо знание функ-
ции . Необходимо отметить, что решение
нелинейных интегральных уравнений затруднено
вследствие существования неопределенных точек
ветвления, поэтому решение (2) обычно проводят
методом последовательных приближений [3].
В другом методе функцию находят как
решение нелинейного дифференциального урав-
нения второго порядка [2]:
22
2
1
2
dPd d
P d dd
1
0
dG
G d
, (3)
где P – заданная косекансная ДН по мощно-
сти; G – заданная ДН облучателя по мощно-
сти. Дифференциальное уравнение (3) можно по-
лучить из условия баланса энергии электромаг-
нитного поля облучателя и отраженного от реф-
лектора электромагнитного поля в единичном те-
лесном угле. Решить это уравнение можно мето-
дом последовательных приближений, на каждом
шаге которого производится линеризация уравне-
ния, приводящая к краевой задаче с заданными
граничными условиями.
После определения функции уравнение
профиля центрального сечения рефлектора можно
записать в следующем виде:
2
1
1 exp tg
2
d
, (4)
где расстояние 1 определяется из условия
допустимого уровня ДН облучателя в секторе уг-
лов 2 1 .
Решение дифференциального уравнения (1)
можно упростить, используя основные закономер-
ности метода геометрической оптики. Вводя усло-
вие баланса энергии электромагнитного поля в
Рис. 1. Геометрия задачи
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6. Д.С. Клыгач, А.Б. Хашимов
Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника»
6
единичных телесных углах для падающего поля
облучателя и отраженного поля от рефлектора,
получим калибровочное соотношение равенства
полной мощности излучения, падающей на реф-
лектор, и мощности излучения:
2
1 1
1
G d G d
2 2
1
1
P d P d
. (5)
С учетом этого условия решение дифферен-
циального уравнения (1) для косекансной ДН при-
нимает следующий вид [2]:
1 2 1ctg ctg ctg ctg
2
1 1
1
G d G d
. (6)
Следует отметить, что рассмотренные методы
являются приближенными, поэтому практическая
реализация расчетного профиля рефлектора может
потребовать определенной коррекции, особенно
для рефлекторов относительно небольших разме-
ров, при этом внутри допустимой области измене-
ния размеров рефлектора существует оптимальное
расстояние до облучателя. Угловой сектор 2 1
обычно выбирают с учетом требования небольших
уровней мощности первичного поля облучателя за
пределами рефлектора (ослабление плотности по-
тока мощности на 10 дБ) и равномерности ДН об-
лучателя в апертуре антенны. Изменяя в неболь-
ших пределах расчетный профиль рефлектора,
можно получить приемлемый уровень искажений
ДН антенны.
Общим недостатком рассмотренных методов
является раздельное определение функции и
уравнения профиля рефлектора. При этом приме-
няемые численные методы имеют разные уровни
точности, что приводит дополнительным погреш-
ностям синтеза ДН антенны. В приближенных ме-
тодах особую важность имеют численные методы
с контролем точности промежуточных вычисле-
ний для введенной математической модели антен-
ны, когда синтез геометрии профиля рефлектора и
синтез ДН антенны производится одновременно на
каждом шаге последовательных приближений с
заданной точностью.
Метод последовательных приближений
для синтеза профиля рефлектора
Рассмотрим развитие метода последователь-
ных приближений для решения нелинейного инте-
грального уравнения (2). Введем модифицирован-
ное уравнение баланса полной мощности излуче-
ния, падающей на рефлектор, и мощности излуче-
ния [2]:
2
1 1
1
G G
d d
2 2
1
1
P d P d
. (7)
Это уравнение учитывает реальную картину
распределения плотности потока мощности поля
облучателя, отвечающую условию излучения [2].
В дальнейших вычислениях будем использовать
квадратурные формулы Гаусса, число узлов в ко-
торых будем определять из заданной точности
синтеза. Выбор этих формул обусловлен требова-
нием контроля точности и простотой программной
реализации. Структура программного комплекса
для синтеза заданной ДН выглядит следующим
образом.
1. Введем номер шага 1n и начальное при-
ближение уравнения профиля рефлектора в виде
параболической функции
1
1 cos
1 cos
n
. (8)
2. Из соотношения (7) находим функцию
с использованием подпрограмм нахождения кор-
ней нелинейных уравнений и квадратурных фор-
мул Гаусса с числом узлов 28N . Вычислитель-
ные эксперименты показывают, что относительная
погрешность вычислений этого этапа имеет поря-
док 10–9
. Вычисления производятся в цикле для
углового сектора 2 1 с заданным дискретом
, для каждого угла решается нелинейное
уравнение (7) для нахождения соответствующего
значения .
3. Присваиваем номер шага 1n n , из вы-
ражения (4) находим уравнение профиля 1n .
4. Находим норму разности 1n n , на-
пример, в виде чебышевского критерия.
5. Если величина меньше заданной точно-
сти синтеза, то программа завершает работу; иначе
1n n и переходим к пункту 2.
Отметим, что вычисления с повышенной точ-
ностью обеспечивают меньшее количество шагов
метода последовательных приближений в сравне-
нии с менее точными расчетными соотношениями.
Для рефлекторов относительно небольших разме-
ров количество итераций не превышает 10.
Расчет ДН антенны апертурным методом
производится по следующему выражению:
2
1
exp 1 cosF G ik d
, (9)
где 2k , следовательно, частотные свойства
антенны зависят как от поля излучения облучате-
ля, так и от расчетного профиля рефлектора. Для
оптимизации ДН антенны в заданном частотном
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7. Метод оптимизации геометрии зеркальных антенн
с диаграммой направленности специального вида
2013, том 13, № 1
диапазоне синтез профиля рефлектора необходимо
проводить на нескольких фиксированных
тах, одновременно контролируя ДН антенны. С п
мощью среднеквадратичного критерия можно о
ределить оптимальный вариант профиля, если т
кой выбор затруднен, то производится коррекция
профиля. Эта коррекция заключается в процедуре
сегментации профиля, так как в бол
чаев удается выделить общую, слабо меняющуюся
в диапазоне частот параболическую часть рефле
тора. Варьируя сегментами, соответствующих о
тимальным ДН для фиксированных частот, в
большинстве случаев удается получить синтезир
ванный профиль, для которого ДН антенны наиб
лее полно соответствует заданным требованиям.
Кроме того, существует еще одна характерная
особенность рассматриваемой задачи
Рис. 2. Синтезированная косекансная ДН для частоты 1750 МГц
Рис. 3. Синтезированная косекансная ДН для частоты 2000 МГц
Метод оптимизации геометрии зеркальных антенн
с диаграммой направленности специального вида
диапазоне синтез профиля рефлектора необходимо
проводить на нескольких фиксированных часто-
дновременно контролируя ДН антенны. С по-
среднеквадратичного критерия можно оп-
ределить оптимальный вариант профиля, если та-
кой выбор затруднен, то производится коррекция
профиля. Эта коррекция заключается в процедуре
сегментации профиля, так как в большинстве слу-
чаев удается выделить общую, слабо меняющуюся
в диапазоне частот параболическую часть рефлек-
тора. Варьируя сегментами, соответствующих оп-
тимальным ДН для фиксированных частот, в
большинстве случаев удается получить синтезиро-
которого ДН антенны наибо-
лее полно соответствует заданным требованиям.
Кроме того, существует еще одна характерная
особенность рассматриваемой задачи – возмож-
ность выбора расположения облучателя, так как в
отличие от зеркальных параболических антенн с
фиксированным расположением облучателя в то
ке фокуса для косекансной ДН можно варьировать
координаты облучателя в верт
для оптимизации ДН антенны в полосе частот.
Примеры синтеза ДН и профиля рефлектора
В качестве примера рассмотрим следующую
задачу: синтезировать профиль центрального с
чения цилиндрического рефлектора для получения
косекансной ДН в угловом секторе 7
ный диапазон 1750–2250 МГц; облучатель
порный с горизонтальной поляризацией; ширина
ДН в горизонтальной плоскости
Примеры синтезированных ДН приведены на
рис. 2–4.
Рис. 2. Синтезированная косекансная ДН для частоты 1750 МГц
Рис. 3. Синтезированная косекансная ДН для частоты 2000 МГц
7
ность выбора расположения облучателя, так как в
отличие от зеркальных параболических антенн с
фиксированным расположением облучателя в точ-
ке фокуса для косекансной ДН можно варьировать
координаты облучателя в вертикальной плоскости
для оптимизации ДН антенны в полосе частот.
Примеры синтеза ДН и профиля рефлектора
В качестве примера рассмотрим следующую
задачу: синтезировать профиль центрального се-
чения цилиндрического рефлектора для получения
ловом секторе 7–85°; частот-
2250 МГц; облучатель – ру-
порный с горизонтальной поляризацией; ширина
ДН в горизонтальной плоскости – 3°.
Примеры синтезированных ДН приведены на
Рис. 2. Синтезированная косекансная ДН для частоты 1750 МГц
Рис. 3. Синтезированная косекансная ДН для частоты 2000 МГц
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8. Вестник ЮУрГУ
8
Из этих графиков следует, что в верхней ча
ти частотного диапазона в ДН антенны появляю
ся дополнительные осцилляции, амплитуда кот
рых относительно невелика и в целом ДН больше
соответствует заданным требованиям. Это можно
объяснить быстрым изменением приведенного
фокусного расстояния для верхних частот, что в
свою очередь приводит к дополнительным фаз
вым искажениям в апертуре антенны. Наибольшие
отклонения в ДН наблюдаются в интервале углов
10–20°, особенно на нижних частотах диапаз
Для заданного набора исходных данных целесоо
разно синтез профиля произвести на нижней ча
тоте диапазона. Если эти отклонения превышают
заданные, то необходимо произвести коррекцию
профиля по предложенной методике.
Рис. 5. Синтезированный рефлектор
Рис. 4. Синтезированная косекансная ДН для
Д.С.
ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника»
Из этих графиков следует, что в верхней час-
ти частотного диапазона в ДН антенны появляют-
ся дополнительные осцилляции, амплитуда кото-
рых относительно невелика и в целом ДН больше
соответствует заданным требованиям. Это можно
быстрым изменением приведенного
фокусного расстояния для верхних частот, что в
свою очередь приводит к дополнительным фазо-
вым искажениям в апертуре антенны. Наибольшие
отклонения в ДН наблюдаются в интервале углов
, особенно на нижних частотах диапазона.
Для заданного набора исходных данных целесооб-
разно синтез профиля произвести на нижней час-
тоте диапазона. Если эти отклонения превышают
заданные, то необходимо произвести коррекцию
профиля по предложенной методике.
двойной кривизны
На рис. 5 приведена форма синтезированного
рефлектора двойной кривизны для формирования
ДН с заданными свойствами в полосе частот.
Практическая реализация проектируемой а
тенны требует выполнения определенного допуска
на точность соответствия геометрии рефлектора и
синтезированного профиля. В соответствии с [2]
этот допуск определяется следующим образом:
1
8 1 cos
.
Следовательно, наибольшую точность соо
ветствия поверхности рефлектора антенны нео
ходимо обеспечивать для центральной части, на
краях рефлектора требования к точности могут
быть несколько снижены, что упрощает практич
скую реализацию антенны.
Необходимо отметить, что, оставаясь в ра
ках апертурного метода и основных положений
метода ГО, принципиально невозможно опред
лить искажения ДН антенны, вызванные дифра
ционными явлениями на кромках рефлектора.
Строгие электродинамические методы для ра
сматриваемой задачи приводят к интегральным
уравнениям для распределений токов на поверхн
сти рефлектора. Для рефлекторов больших эле
трических размеров эти уравнения приводят к н
обходимости решения систем линейных алгебра
ческих уравнений очень большой размерности,
требующих вычислительных ресурсов суперко
пьютеров. Вместе с тем, как показано в статье [4],
для решения поставленной задачи строгими эле
тродинамическими методами, учитывающими р
альные фазовые распределения в апертуре анте
ны и векторный характер задачи, можно воспол
зоваться результатами решения более простой
двумерной скалярной задачи для
При этом ДН в вертикальной плоскости будут
совпадать.
Рис. 4. Синтезированная косекансная ДН для частоты 2250 МГц
Клыгач, А.Б. Хашимов
«Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника»
форма синтезированного
рефлектора двойной кривизны для формирования
ДН с заданными свойствами в полосе частот.
Практическая реализация проектируемой ан-
тенны требует выполнения определенного допуска
соответствия геометрии рефлектора и
синтезированного профиля. В соответствии с [2]
этот допуск определяется следующим образом:
(10)
Следовательно, наибольшую точность соот-
ветствия поверхности рефлектора антенны необ-
обеспечивать для центральной части, на
краях рефлектора требования к точности могут
быть несколько снижены, что упрощает практиче-
Необходимо отметить, что, оставаясь в рам-
ках апертурного метода и основных положений
пиально невозможно опреде-
лить искажения ДН антенны, вызванные дифрак-
ционными явлениями на кромках рефлектора.
Строгие электродинамические методы для рас-
сматриваемой задачи приводят к интегральным
уравнениям для распределений токов на поверхно-
. Для рефлекторов больших элек-
трических размеров эти уравнения приводят к не-
обходимости решения систем линейных алгебраи-
ческих уравнений очень большой размерности,
требующих вычислительных ресурсов суперком-
пьютеров. Вместе с тем, как показано в статье [4],
для решения поставленной задачи строгими элек-
тродинамическими методами, учитывающими ре-
альные фазовые распределения в апертуре антен-
ны и векторный характер задачи, можно восполь-
зоваться результатами решения более простой
двумерной скалярной задачи для E-поляризации.
При этом ДН в вертикальной плоскости будут
частоты 2250 МГц
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
9. Метод оптимизации геометрии зеркальных антенн
с диаграммой направленности специального вида
2013, том 13, № 1
9
Выводы
1. Предложенный метод синтеза профиля
рефлектора двойной кривизны позволяет произво-
дить контроль точности вычислений и соответст-
вия ДН в вертикальной плоскости на каждом шаге
последовательных приближений.
2. Использование вычислительных процедур
повышенной точности ускоряет сходимость пред-
ложенного метода последовательных приближе-
ний.
3. Синтез профиля рефлектора и ДН в полосе
частот требует предварительных расчетов на сетке
фиксированных частот. Сегментация профиля реф-
лектора и компоновка его из различных участков
профилей для разных частот позволяет выбрать
наиболее приемлемый вариант для выбранного
критерия соответствия.
4. Более точные методы синтеза должны ос-
новываться на строгих электродинамических
принципах, так как они позволяют учитывать ди-
фракционные явления, которые для рефлекторов
относительно небольших размеров приводят к су-
щественным искажениям ДН.
Литература
1. Галимов, Г.К. Зеркальные антенны: в 3 т. /
Г.К. Галимов. – М.: Адвансет Солюшенз, 2010. –
Т. 1. – 204 c.
2. Кюн, Р. Микроволновые антенны / Р. Кюн. –
М.: Судостроение, 1967. – 520 с.
3. Драбкин, А.Л. Антенно-фидерные устрой-
ства / А.Л. Драбкин, В.Л. Зузенко, А.Г. Кислов. –
М.: Советское радио, 1974. – 536 с.
4. Войтович, Н.И. О соответствии асим-
птотических решений двумерных и трехмерных
задач в антенной технике / Н.И. Войтович, А.Б. Ха-
шимов // Радиотехника и электроника. – 2010. –
Т. 55, № 12. – С. 1471–1476.
Поступила в редакцию 3 декабря 2012 г.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
10. Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника»
10
Введение1
В современной индустрии разработки про-
граммного обеспечения постепенно набирает силу
и становится все более популярной новая парадиг-
ма, новый подход – языково-ориентированное про-
граммирование (ЯОП). ЯОП – это такой подход к
программированию, который основывается на соз-
дании специальных языков программирования –
предметно-ориентированных языков (domain-specific
language, DSL) для решения задач в конкретной
предметной области [1]. В ЯОП программист сна-
чала создает один или несколько DSL для решения
определенного набора задач, а затем применяет соз-
данные DSL при разработке программной системы.
Различают два основных вида предметно-
ориентированных языков: внешние (external DSL)
и внутренние (internal DSL или embedded DSL).
Внешние DSL имеют собственный синтаксис, отде-
ленный от основного языка приложения. Внутрен-
ние DSL используют в своей основе язык програм-
мирования общего назначения, но отличаются тем,
что используют конкретное подмножество возмож-
ностей этого языка в определенном стиле [2].
В статье приведен обзор современных средств
(языки, платформы, среды разработки), позволяю-
щих создавать как внешние, так и внутренние DSL.
Стоит отметить, что одной из важных проблем
в создании и дальнейшем использовании DSL
Ботов Дмитрий Сергеевич – аспирант кафедры ЭВМ,
Южно-Уральский государственный университет; dm@
comp.susu.ac.ru
является наличие языкового инструментария
(language workbench). Языковые инструментальные
средства представляют собой специализированные
интегрированные среды разработки (integrated
development environment, IDE) для определения и
создания DSL [2]. Именно сложность создания
языковой инфраструктуры, необходимой для реа-
лизации DSL различного рода и комфортной рабо-
ты с ними, является одной из причин малого при-
менения DSL в промышленной разработке про-
граммного обеспечения (ПО), где важна высокая
производительность разработчиков.2
В данном обзоре особое внимание уделяется
технологиям, позволяющим обеспечить поддержку
разработки в стиле ЯОП средствами языкового
инструментария.
1. Средства поддержки разработки
внешних DSL
Процесс создания языка с собственным син-
таксисом, т. е. внешнего DSL, можно представить в
виде последовательности из трех шагов:
– определение семантической модели;
– определение синтаксической модели (абст-
рактный и конкретный синтаксис);
– определение правил трансформации (прави-
ла, по которым абстрактное представление транс-
лируется в исполнимое).
Botov Dmitry Sergeevich – Post-Graduate Student of Elec-
tronic Computer Department of South Ural State University;
dm@comp.susu.ac.ru
УДК 004.423
ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ СРЕДСТВ СОЗДАНИЯ И ПОДДЕРЖКИ
ПРЕДМЕТНО-ОРИЕНТИРОВАННЫХ ЯЗЫКОВ
ПРОГРАММИРОВАНИЯ
Д.С. Ботов
REVIEW OF MODERN DEVELOPMENT AND SUPPORT TOOLS
FOR DOMAIN-SPECIFIC PROGRAMMING LANGUAGE
D.S. Botov
Приводится обзор современных средств создания предметно-ориентированных
языков программирования и языкового инструментария для их поддержки.
Ключевые слова: предметно-ориентированный язык программирования, языковой ин-
струментарий, языково-ориентированное программирование, метапрограммирование, рас-
ширяемое программирование.
In this article the review of modern development tools for domain-specific programming
languages and language workbenches is given.
Keywords: DSL, domain-specific language, language workbench, language-oriented pro-
gramming, metaprogramming, extensible programming.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
11. Обзор современных средств создания и поддержки
предметно-ориентированных языков программирования
2013, том 13, № 1
11
Если для определения конкретного синтаксиса
языка и задания правил трансформации путем по-
строения транслятора языка есть готовые средства
различного рода, начиная от связки программ lex +
yacc, входящих в стандарт POSIX, для генерации
лексического и синтаксического анализатора соот-
ветственно и заканчивая современными средства-
ми автоматизации построения трансляторов языка,
например ANTLR.
ANTLR [3] – генератор парсеров, позволяю-
щий конструировать компиляторы, интерпретато-
ры, трансляторы с различных формальных языков
по описанию LL(*)-грамматики на языке, близком
к РБНФ. ANTLR предоставляет визуальную среду
разработки, которая позволяет создавать и отлажи-
вать грамматики с поддержкой подсветки синтак-
сиса, автодополнения, с визуальным отображением
грамматик, отладчиком, инструментами для рефак-
торинга и т. д.
Для определения же семантической модели
языка [2] (той части языка, описывающей семан-
тику предметной области или определенный ас-
пект системы, для конфигурирования которого
разрабатывается внешний DSL) не существует
специальных программных средств, каждая ко-
манда разработчиков решает проблему представ-
ления семантики DSL самостоятельно, обычно
описывая метамодель языка на одном из языков
программирования (как правило, языков програм-
мирования общего назначения). Кроме того, не
существует и средств отображения семантики DSL
на синтаксис. Задача такого отображения опять же
решается конкретной группой разработчиков са-
мостоятельно.
Из-за отсутствия языкового инструментария
для поддержки семантической модели языка и
поддержания отображения семантики на синтак-
сическую модель возрастают затраты на создание
внешних DSL. Сами внешние DSL становятся
замкнутыми языками для решения узких задач, и
на практике практически невозможно и нерацио-
нально их повторное использование для решения
задач в других предметных областях (смежных,
аналогичных по характеру или по содержанию).
Среду разработки, которая поддерживала и
облегчала бы написание сценариев на внешнем
DSL, обычно разрабатывают либо с нуля, либо как
плагин к уже существующей современной IDE.
Практически все современные среды разработки
(например, Eclipse IDE, Microsoft Visual Studio и
др.) имеют гибкую плагинную архитектуру и по-
зволяют добавлять поддержку новых языков про-
граммирования.
2. Средства поддержки разработки внутренних
DSL, основанных на грамматиках языков
программирования общего назначения
В простейшем случае при создании внутрен-
него DSL мы выбираем один из языков програм-
мирования общего назначения в качестве базового
языка и разрабатываем на его основе библиотеку,
своего рода надстройку над языком [4], которую
затем используем в определенном стиле, как пра-
вило, для управления отдельными аспектами раз-
рабатываемой программной системы.
Нужно понимать, что в отличие от внешнего
DSL при разработке внутреннего DSL грамматика
базового языка накладывает ограничения на выра-
зительные возможности языка. Чем менее гибка
грамматика базового языка, тем менее удобен и эф-
фективен будет внутренний DSL. Таким образом,
выразительные возможности базового языка долж-
ны соответствовать сфере и способу применения
создаваемого на его основе внутреннего DSL.
При создании внутренних DSL чаще всего ос-
новываются на грамматике современных языков
программирования общего назначения, предостав-
ляющих гибкие возможности, которые позволяют
создавать удобные DSL. Например, это такие языки
как Ruby, Python, Scala, C#, F#, Haskell. Можно за-
метить, что в списке таких языков преимуществен-
но языки мультипарадигмальные, как правило, на-
следующие выразительные возможности от не-
скольких, чаще всего неродственных языков. За счет
такого сочетания разнообразных возможностей в
грамматике языка мы получаем эффективный гиб-
кий инструмент для создания внутренних DSL.
Особенно стоит отметить эффективность исполь-
зования выразительных возможностей парадигмы
функционального программирования, хотя даже на
нефункциональных языках со статической типиза-
цией можно создавать удобные внутренние DSL,
например, на C++ за счет механизма шаблонов
(templates).
Выбирая современный язык программирова-
ния общего назначения как основу для создания
внутреннего DSL, мы сразу получаем и готовый
набор средств поддержки разработки – современ-
ные IDE, которые поддерживают базовый язык.
Таким образом, создавая внутренние DSL, мы
жертвуем полной свободой определения граммати-
ки, оставаясь в рамках грамматики базового языка,
но при этом получаем возможность использовать
современные интегрированные среды разработки.
3. Средства поддержки разработки DSL,
основанных на языках и средствах
программирования с настраиваемой
грамматикой
Еще одним подходом для создания DSL (по
сути внутренних DSL) является использование
языков программирования с настраиваемым син-
таксисом, т. е. языков, ориентированных на техни-
ки метапрограммирования. Такой подход называ-
ется «extensible programming»; он активно разви-
вался в 1960-х годах, потом его развитие приоста-
новилось, и интерес к этому подходу вновь возник
только в XXI веке [4].
«Extensible programming» – это стиль про-
граммирования, ориентированный на использова-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
12. Д.С. Ботов
Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника»
12
ние механизмов расширения языков программиро-
вания, трансляторов и сред выполнения [5].
Примерами языков программирования, кото-
рые могут использоваться в качестве базовых язы-
ков для создания внутренних DSL в стиле «extensi-
ble programming», могут служить:
– Forth – один из первых конкатенативных
языков программирования (появился в 1971 году),
в котором программы записываются последова-
тельностью лексем в виде постфиксной записи
при использовании стековой нотации. Язык имеет
простую грамматику и ориентирован на исполь-
зование механизмов метарасширения синтаксиса.
У Forth существует преемник – язык Factor [6].
Оба языка достаточно сложны в изучении и ис-
пользовании.
– Common Lisp [7] – диалект языка Lisp,
стандартизированный ANSI. Common Lisp вклю-
чает в себя CLOS – систему Lisp-макросов, позво-
ляющую вводить в язык новые синтаксические
конструкции, использовать техники метапрограм-
мирования и обобщенного программирования.
Существуют текстовые среды разработки на
Common Lisp (например, SLIME, Superior Lisp
Interaction Mode for Emacs [8] – режим Emacs для
разработки приложений на Common Lisp).
– Nemerle [9] – статически типизированный
язык, сочетающий в себе возможности функцио-
нального и объектно-ориентированного програм-
мирования, для платформ .NET и Mono с макроса-
ми и расширяемым синтаксисом. Nemerle имеет
бесплатную полноценную IDE, основанную на
Visual Studio 2008 Shell, а также может интегриро-
ваться с полноценной Visual Studio 2008, Visual
Studio 2010. Однако на возможности расширения
синтаксиса наложены существенные ограниче-
ния.
– Racket [10] – это язык и платформа про-
граммирования, являются реализацией и расшире-
нием языка Scheme – еще одного диалекта Lisp.
Платформа поддерживает концепцию переключе-
ния между разными языками и позволяет создавать
новые языки, используя при этом генератор парсе-
ров в стиле yacc. Интегрированная среда разработ-
ки (DrRacket) и ее отладчик работают с этими язы-
ками. Более того, DrRacket также написан на языке
Racket, что открывает возможности для модифика-
ции среды под язык и распространения ее в каче-
стве IDE для создаваемого DSL.
– Helvetia [11] – инструментарий, интегриро-
ванная среда, написанная на Smalltalk, для произ-
вольного расширения синтаксиса языка Smalltalk.
Позволяет расширять и адаптировать среду разра-
ботки под расширение языка с сохранением отлад-
ки, с подсветкой синтаксиса, автодополнением.
Это становится возможным благодаря однородно-
сти базового языка и среды. В качестве недостатка
можно отметить, что Helvetia работает только на
Pharo Smalltalk версии 1.1 и не портирована на
современную версию Pharo 1.3.
4. Языки для поддержки разработки DSL
без текстовых грамматик
Синтаксис всех популярных языков програм-
мирования общего назначения (в том числе приве-
денные в качестве примеров выше в п. 2 и 3) осно-
вывается на текстовых грамматиках. У таких
грамматик есть один существенный недостаток:
при попытке расширения грамматики она может
стать неоднозначной, т. е. возможно несколько ин-
терпретаций одной и той же строки исходного кода
на таком расширенном языке [12]. Особенно остро
данная проблема встает в случае, если мы пытаем-
ся соединить несколько разных расширений грам-
матики одного и того же языка, которые в отдель-
ности являются однозначными, но при их совме-
щении результирующая грамматика вполне может
потерять однозначность и ее дальнейшее исполь-
зование будет уже невозможно.
Проблема неоднозначности грамматик может
быть решена путем отказа от использования тек-
стовой грамматики как таковой и в этом случае
программа будет задаваться как экземпляр некото-
рой синтаксической метамодели. Обычно метамо-
дель программы представляется в виде абстракт-
ного синтаксического дерева [4]. Создание нового
DSL в таком подходе сводится к заданию метамо-
дели DSL средствами базового языка. Ярким при-
мером использования такого подхода к разработке
DSL является семейство языков Lisp: Common
Lisp [7], Scheme [13], Clojure [14] (Common Lisp
уже упоминался выше, так как его можно исполь-
зовать и в подходе «extensible programming»).
Lisp (от англ. LISt Processing language – «язык
обработки списков») – семейство языков програм-
мирования, программы и данные в которых пред-
ставляются системами линейных списков симво-
лов. Lisp является вторым в истории (после Фор-
трана) используемым по сей день высокоуровне-
вым языком программирования [15]. Изначально
Lisp создавался как средство моделирования раз-
личных аспектов искусственного интеллекта, но
затем сфера применения языка расширилась.
Благодаря минималистичному собственному
синтаксису языка, его динамической типизации,
развитой системе компилируемых макросов, куль-
туре инкрементальной разработки и другим осо-
бенностям языкам семейства Lisp, пожалуй, нет
равных в быстроте и удобстве создания внутрен-
них (встроенных) DSL. Однако при создании DSL
на Lisp мы сталкиваемся с другой проблемой –
сложностью создания языковой инфраструктуры,
необходимой для реализации нового DSL и ком-
фортной работы с ним.
5. Современные языковые инструменталь-
ные средства для поддержки разработки DSL
без текстовых грамматик
Языковые инструментальные средства, по су-
ти, представляют собой инструменты, которые не
только помогают создать собственный DSL, но и
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
13. Обзор современных средств создания и поддержки
предметно-ориентированных языков программирования
2013, том 13, № 1
13
обеспечивают его поддержку в стиле современных
интеллектуальных сред разработки, предоставляя
возможности для построения современных IDE
под создаваемые языки [2]. В результате програм-
мисты, которые будут писать сценарии на DSL,
получат такую же инструментальную поддержку,
как и программисты, разрабатывающие на языках
программирования общего назначения (C/C++,
Java, C# и т. д.). Среды разработки для DSL смогут
предоставлять такие возможности, без которых
немыслима современная промышленная разработ-
ка ПО, как например:
– автодополнение, генерация кода, средства
рефакторинга;
– средства удобной отладки сценариев на
DSL;
– средства управления версиями;
– средства модульного и интеграционного тес-
тирования;
– средства обратной разработки (reverse engi-
neering).
Существуют фреймворки для создания интел-
лектуальных редакторов, например, IntelliJ IDEA
Language API [16], Xtext [17] (на базе платформы
Eclipse) и другие, но ни один из этих фреймворков
не поддерживает расширяемые языки на должном
уровне. Даже если нам не нужна расширяемость,
создание поддержки языка с использованием этих
средств требует хороших знаний в области языков
программирования и занимает очень много време-
ни [12].
Частично проблему создания языковой ин-
фраструктуры для DSL решала система Helvetia,
кратко описанная выше. Разберем еще один из
подходов для решения проблем при создании DSL,
который предлагает компания JetBrains в своем
продукте JetBrains MPS.
JetBrains MPS (MetaProgramming System) [18] –
это система метапрограммирования, которая реа-
лизует парадигму языково-ориентированного про-
граммирования, является средой разработки язы-
ков и в то же время IDE для разрабатываемых
языков.
Для того чтобы поддержать совместимость
расширений языка друг с другом, MPS не работает
с программами как с текстом. Вместо этого MPS
хранит их как синтаксическое дерево, и редакти-
рование происходит напрямую, без промежуточно-
го использования текста. В результате вместо кон-
кретного синтаксиса языка в MPS определяется
абстрактный синтаксис (структура синтаксическо-
го дерева) для создаваемого DSL [12]. Способ опи-
сания структуры абстрактного синтаксического
дерева чем-то напоминает XML Schema – язык
описания структуры XML-документа.
Система JetBrains MPS позволяет вставлять
код на языке программирования общего назначе-
ния внутрь относительно замкнутого DSL. Наи-
большее число экспериментов проводится с рас-
ширением и использованием вставок на Java, так
как сама MPS написана на этом языке программи-
рования.
Поскольку в MPS не используется традицион-
ное текстовое представление, то вместо обычного
текстового редактора для работы с кодом на DSL
предлагается использовать специальный проекци-
онный редактор [12]. Для каждого узла синтакси-
ческого дерева, он создает проекцию – часть экра-
на, с которой может взаимодействовать пользова-
тель. Такой редактор ведет себя достаточно близко
к тестовому редактору, но чтобы освоить его в
полной мере требуется время на обучение (по сло-
вам разработчиков из JetBrains на освоение проек-
ционного редактора может потребоваться около
2 недель).
Такой подход позволяет существенно упро-
стить создание IDE, поскольку постоянное нали-
чие синтаксического дерева и созданного для ра-
боты с ним проекционного редактора позволяет
легко реализовать подсветку ошибок, автоматиче-
ское дополнение, контекстные подсказки и т. п.
Среда разработки JetBrains MPS была создана
на основе IntelliJ IDEA [16], в которой была реали-
зована поддержка интеллектуального редактирова-
ния для многих языков. Реализация такой под-
держки для нового DSL, создаваемого вне MPS,
потребовала бы больших усилий. С MPS анало-
гичные возможности могут быть реализованы с
минимальными затратами. Это возможно, по-
скольку для разработки языков используются спе-
циальные языки, которые конфигурируют сущест-
вующую языковую инфраструктуру. Таким обра-
зом, MPS – это не просто редактор кода, а среда
для создания полноценных IDE для DSL.
Компания JetBrains сама в свою очередь ак-
тивно использует MPS в своих разработках. Так,
например, с помощью MPS был создан багтрекер
YouTrack и Realaxy ActionScript Editor – первая
IDE, основанная на MPS.
Заключение
Подводя итоги обзора, можно отметить, что
весьма невелико число языков и средств, которые
позволяют не только создавать DSL, но и могут
обеспечить эффективные средства и способы мо-
дернизации самих DSL и поддержки разработки на
созданных языках. Пожалуй, только JetBrains MPS
и частично Helvetia (но в отличие от JetBrains MPS
эта система практически не развивается) представ-
ляют собой современные языковые инструмен-
тальные средства, покрывающие не только этапы
создания, но и этапы эксплуатации и модерниза-
ции DSL, без чего невозможно представить их эф-
фективное использование в индустрии разработке
ПО сегодня.
Использование языкового инструментария
требует детального изучения и наработки опыта
применения таких инструментов при создании
DSL. Продукт JetBrains MPS, рассматриваемый в
данном обзоре, имеет достаточно высокий порог
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
14. Д.С. Ботов
Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника»
14
вхождения, что затрудняет его широкое распростра-
нение и применение. Кроме того еще одним недос-
татком современных языковых инструментариев
является отсутствие стандартов и возможности пе-
реноса разрабатываемых DSL между различными
средами. Так, начав создание DSL в JetBrains MPS,
разработчик языка становится заложником этого
инструментария, так как в нем отсутствуют воз-
можности экспорта создаваемого DSL. Это обу-
словлено отсутствием каких-либо общепринятых
форматов для представления DSL и существенным
различием в подходах к созданию DSL [2, 4].
Стоит обратить особое внимание на то, что ни
один из инструментов для создания DSL не позво-
ляет в полной мере представить семантическую
модель языка и настроить отображение семантики
языка на синтаксис. В основном все средства со-
средоточены на представлении текстовой грамма-
тики DSL либо на представлении метамодели, под
которой обычно понимается абстрактное синтак-
сическое дерево. Однако М. Фаулер в [2] справед-
ливо отмечает, что семантические модели DSL, как
правило, отличаются от абстрактного синтаксиче-
ского дерева. Если синтаксическое дерево соответ-
ствует структуре сценариев DSL – форме (как на-
пример, в JetBrains MPS), то семантическая модель
языка в свою очередь основывается на том, как
будет обрабатываться информация сценария – это
смысл, содержание.
Семантическая модель должна отражать суть,
специфику предметной области. И именно наличие
семантической модели является одним из важных
отличий работы с DSL от работы с языками про-
граммирования общего назначения. Можно пред-
положить, что отсутствие эффективных средств
представления семантики DSL и отображения се-
мантики на синтаксис осложняет широкое приме-
нение DSL в разработке ПО.
Разнообразие подходов к созданию DSL на-
глядно представлено на рисунке. Как обобщение
данного обзора на схеме изображены подходы и
средства создания и поддержки DSL, которые бы-
ли рассмотрены выше.
На схеме также упомянут подход визуального
метапрограммирования, рассмотрение которого
выходит за рамки данной статьи, так как он суще-
ственно отличается по своим принципам и инст-
рументарию от других подходов и требует отдель-
ного детального изучения и рассмотрения.
Литература
1. Language-oriented programming. – http://
en.wikipedia.org/wiki/Language_oriented_programming
2. Фаулер, М. Предметно-ориентированные
языки программирования: пер. с англ. / М. Фаулер. –
М.: ООО «И.Д. Вильямс», 2011. – 576 с.
3. ANTLR, ANother Tool for Language Recogni-
tion. – http://www.antlr.org
Подходы к созданию внешних и внутренних DSL, языки и инструментарий
создания и поддержки DSL
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
15. Обзор современных средств создания и поддержки
предметно-ориентированных языков программирования
2013, том 13, № 1
15
4. Как создавать DSL. – http://shmat-razum.
blogspot.ru/2011/09/dsl.html
5. Extensible programming. – http://en.wikipedia.
org/wiki/Extensible_programming
6. Factor programming language. – http://
factorcode.org/
7. Common Lisp. – http://common-lisp.net/
8. SLIME, The Superior Lisp Interaction Mode
for Emacs. – http://common-lisp.net/project/slime/
9. Nemerle, programming language. – http://
nemerle.org/
10. Racket, programming language. – http://
racket-lang.org/
11. Helvetia. – http://scg.unibe.ch/research/helvetia
12. Соломатов, К. Как система JetBrains MPS
позволяет достичь более широкого использования
DSL-й (языков специфичных для предметной об-
ласти) / К. Соломатов. – http://habrahabr.ru/post/
66094/
13. Scheme, dialect of Lisp. – http://schemers.org/
14. Clojure, dialect of Lisp. – http://clojure.org
15. LISP, LISt Processing language. – http://
ru.wikipedia.org/wiki/Lisp
16. IntelliJ IDEA, code-centric IDE. – http://
www.jetbrains.com/idea/
17. Xtext, framework for development of pro-
gramming languages and domain specific languages. –
http://www.eclipse.org/Xtext/
18. JetBrains MPS, MetaProgramming System. –
http://www.jetbrains.com/mps/
Поступила в редакцию 27 ноября 2012 г.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
16. Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника»
16
Введение1
При синтезе алгоритмов диагностики состоя-
ния скважины и добывающего оборудования по
динамограмме (график зависимости усилия на по-
лированном штоке от его перемещения) возникает
одна специфическая проблема: виды динамограмм
даже при одном виде дефектов сильно отличаются
друг от друга. Поэтому накопление информации
по динамограммам может занимать очень дли-
тельное время. Например, в [1] описан алгоритм
определения параметров скважин. При этом для
достижения достоверности классификации дина-
мограммы с точностью 70 % и более количество
обработанных динамограмм превышало 1200
(в эксперименте было задействовано 483 насосные
установки). Поэтому отладка алгоритмов диагно-
стики требует либо наличие базы данных по дина-
мограммам, полученным с различных скважин,
либо наличие модели, с помощью которой можно
получить варианты динамограмм с разными де-
фектами. Для получения же модели необходимо в
первую очередь определить виды дефектов сква-
жины, диагностируемых по устьевым динамо-
граммам.
Виды динамограмм
Типовая (нормальная) динамограмма приве-
дена на рис. 1 [2, с. 650].
Садов Виктор Борисович – канд. техн. наук, доцент
кафедры систем управления, Южно-Уральский государ-
ственный университет; sv_2005@inbox.ru
Рис. 1. Типовая динамограмма
В ходе съема динамограммы могут получать-
ся разные ее формы, которые говорят о различных
неисправностях насоса, колонны штанг, скважины
и неправильно выбранных режимах работы обору-
дования. Типовые формы динамограмм приведены
на рис. 2–8 [2, с. 649–654].
Рис. 5 и 6 характеризуют влияние свободного
газа на работу насоса. Причем линии 1, 2, 3 на
рис. 6 расположены в порядке уменьшения давле-
ния, линия 4 – срыв подачи насосом.2
Рис. 7 и 8 характеризуют неправильную уста-
новку штока привода глубинного штангового на-
соса.
Sadov Viktor Borisovich – Candidate of Science (Techni-
cal), Associate Professor of Control System Department of
South Ural State University; sv_2005@inbox.ru
УДК 622.276: 519.688
МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМОГРАММ
С РАЗЛИЧНЫМИ ДЕФЕКТАМИ ОБОРУДОВАНИЯ
НЕФТЯНОЙ СКВАЖИНЫ
В.Б. Садов
SIMULATION OF DYNAMOMETER CARDS
WITH VARIOUS DEFECTS OF OIL WELL EQUIPMENT
V.B. Sadov
Рассматривается задача моделирования динамограммы в системе оборудование
скважины – станок-качалка. Приведены основные формулы моделирования для раз-
личных дефектов скважины и оборудования и результаты моделирования.
Ключевые слова: динамограмма, моделирование.
In the article the task of simulation of the dynamometer cards in the system of oil well
equipment - beam pumping unit is considered. The basic formulas of simulation for various
defects of oil well and equipment and the results of simulation are presented.
Keywords: dynamometer card, simulation.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
17. Моделирование динамограмм с различными
дефектами оборудования нефтяной скважины
2013, том 13, № 1
Рис. 2. Утечка в нагнетательной части насоса
Рис. 4. Подача насоса превышает приток продукции
в скважину (2–4, 1 – норма
Рис. 6. Небольшие давления газа у
Рис. 8. Высокая посадка плунжера и срыв
нижнего конуса захватным штоком
Моделирование динамограмм с различными
дефектами оборудования нефтяной скважины
Рис. 2. Утечка в нагнетательной части насоса Рис. 3. Утечка в приемной
Рис. 4. Подача насоса превышает приток продукции
норма)
Рис. 5. Большое давление газа у приема насоса
Рис. 6. Небольшие давления газа у приема насоса Рис. 7. Удар плунжера о всасывающий клапан
Рис. 8. Высокая посадка плунжера и срыв
нижнего конуса захватным штоком
Рис. 9. «Запарафинивание» скважины
17
Рис. 3. Утечка в приемной части насоса
Рис. 5. Большое давление газа у приема насоса
Рис. 7. Удар плунжера о всасывающий клапан
Рис. 9. «Запарафинивание» скважины
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
