Održivost ugradbenih računalnih sustava upravljanja za tračnička vozila i proizvodne elektroagregate

The objective of this thesis is technological sustainment of embedded control systems for rail vehicles and power generation units. They belong to the group of real-time embedded systems and often involve some safety-critical features and non-functional requirements. Such systems are produced in low-volumes and their life cycle is expected to be up to several decades. Therefore, the risk of the obsolescence of its constituent HW and SW components is very high and this threatens the expected long-life. This thesis suggests the concept of platform-based approach that enables the development of different products based on the same platform architecture. Modularity, commonality and reuse of HW and SW components increase possible backward and forward compatibility, thus minimizing obsolescence threats. Suggested approach has been verified by means of different real-life products developed during the past twenty years. Commonality indices for comparing products or product variants on different levels of internal product structures were suggested. It has been demonstrated that proposed commonality indices were also suitable for tracking the introduction of new components and new technologies during the development of new products. The appropriateness of proposed commonality indices has been demonstrated for both software and hardware components and products.Tema ove disertacije je održivost ugradbenih računalnih sustava upravljanja koji se rabe u vozilima na tračnicama i proizvodnim elektroagregatima. Na takve sustave nameću se pri razvoju, proizvodnji i održavanju drugačiji kriteriji u odnosu na većinu industrijskih proizvoda ili proizvoda potrošačke elektronike. Oni pripadaju kategoriji sustava za rad u stvarnom vremenu i to s nametnutim vremenskim ograničenjima, a često moraju podržavati i sigurnosno kritične funkcije. Istodobno moraju ispuniti i niz dodatnih zahtjeva koji nisu povezani s osnovnom funkcionalnošću, prije svega klimo-mehaničke zahtjeve i zahtjeve elektromagnetske kompatibilnosti. Budući da se uglavnom proizvode u vrlo malim serijama, a razvojni ciklus zbog složenosti traje i do nekoliko godina, izloženi su zastarijevanju elektroničkih dijelova, programske podrške i primijenjenih tehnoloških procesa. To ugrožava njihovo održavanje i ponovljivost, pogotovo što se redovito zahtijeva mogućnost programskih i sklopovskih proširenja i tijekom eksploatacije. Zbog toga je zahtijevani životni vijek od nekoliko desetljeća redovito teško ostvariti, što rezultira čestim, tehnički neopravdanim, zamjenama opreme. U disertaciji se predlaže, analizira i verificira koncepcija održive platforme koja se sastoji od modularnih programskih i sklopovskih komponenata te odgovarajuće definiranih međusobnih sučelja. Pretpostavljeno je i dokazano da ta koncepcija omogućuje kontinuirani razvoj, proizvodnju i održavanje spomenutih ugradbenih sustava upravljanja. Kao podloga za istraživanje korišteni su detaljni primjeri vlastitih rješenja industrijskih uređaja, tj. ugradbenih sustava upravljanja za primjenu u vozilima na tračnicama i postrojenjima za proizvodnju električne energije. Ti uređaji zasnovani su na jedinstvenoj arhitekturi koja je omogućila razvoj različitih proizvoda za primjenu u sljedećim objektima: sustavi upravljanja i energetski pretvarači u lokomotivama i elektromotornim vlakovima, sustavi upravljanja i energetski pretvarači u tramvajskim vozilima, sustavi upravljanja vjetroagregatima te sustavi digitalne regulacije napona sinkronih generatora u hidro i termo-elektranama. Pri analizi su korišteni, u manjem opsegu, i rezultati razvoja proizvoda zasnovanih na nešto drugačijoj arhitekturi, a koji se također primjenjuju u vozilima na tračnicama. Predložene su i provjerene odgovarajuće metode i indeksi za podršku analize istovjetnosti i ponovne uporabe programskih i sklopovskih komponenata promatranih proizvoda. Kroz jedinstvene kriterije za analizu istovjetnosti povezane su sve tri domene koje čine tipičan ugradbeni računalni sustav, tj. programske, sklopovske i pomoćne komponente. Pri tome je analiza provedena usporedbom inačica istog proizvoda, familije proizvoda i linije proizvoda zasnovane na istoj ili različitim arhitekturama. Isto tako predložena je analiza istovjetnosti na različitim hijerarhijskim razinama arhitekture proizvoda jer je uočeno kako je istovjetnost nekih komponenti kritičnija u odnosu na druge s obzirom na održivost proizvoda i platforme na kojoj je razvijen. Nadalje, demonstriran je značajan utjecaj ponovne uporabe pojedinih komponenta u okviru istog proizvoda (unutarnja istovjetnost) na indekse istovjetnosti promatrane grupe proizvoda. Taj utjecaj je iskorišten kao podloga za definiranje tzv. virtualne istovjetnosti koja eliminira nedostatak predloženih metoda. Isto tako, uočena je manjkavost predloženih indikatora koja je nazvana paradoks istovjetnosti te je predložen alternativni pristup. Dokazano je da su predloženi indeksi istovjetnosti korisni ne samo pri proizvodnji već i pri razvoju novih proizvoda jer njihove promjene ukazuju na uvođenje novih rješenja, komponenata i tehnologija. Kao potpora analizi razvijeni su i namjenski programi koji omogućuju automatizirano učitavanje i obradu projektne i proizvodne, kako sklopovske tako i programske dokumentacije, te primjenu predloženih metoda za analizu istovjetnosti na različitim hijerarhijskim razinama proizvoda. Nakon provedenih istraživanja sugerirano je da se pri razvoju održive platforme kao presudan kriterij nameće što je moguće veća razina funkcionalne kompatibilnosti između prethodnih i budućih sklopovskih i programskih komponenta. Na taj način novorazvijene komponente mogu se, unatoč tome što redovito nude niz novih funkcija, upotrijebiti i kao zamjenske komponente za postojeće proizvode kod kojih je došlo do tehnološkog zastarijevanja prvotno ugrađenih komponenti