Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современные технологии автоматизации решения геоинформационные задач при проектировании магистральных газопроводов 15
1.1. Геоинформационные задачи, решаемые при проектировании магистральных газопроводов 15
1.2. Жизненный цикл программного комплекса 17
1.2.1. Каскадная модель жизненного цикла 18
1.2.2. Спиральная модель жизненного цикла 20
1.3. Технологии обработки данных 21
1.4. Технологии автоматизации проектирования программных комплексов 24
1.4.1. Информационная статическая модель объекта 26
1.4.2. Аналоговая модель дискретной динамической системы. 27
1.4.3. Алгоритмическая модель вычислений 29
1.5. Выводы 33
ГЛАВА 2. Математическое моделирование вычислительного процесса 36
2.1. Функциональное описание прикладной задачи 36
2.2. Архитектура вычислительного комплекса 44
2.3. Информационно-алгоритмическая модель функционального процессора 45
2.4. Алгебра вычислительных процессов 50
2.5. Сетевая модель вычислительного процесса как графическое изображение уравнений алгебры 52
2.5.1. Алгоритмическая сетевая модель вычислительного прогресса 53
2.5.2. Ролевая сетевая модель вычислительного процесса 54
2.6. Управление как выбор пути в сетевой модели 57
2.7. Способы управления, алгоритмы управления 59
2.7.1. Автоматическое управление вычислительным процессом59
2.7.2. Директивное управление вычислительным процессом 61
2.7.3. Интерактивное управление вычислительным процессомб2
2.8. Формализмы граф-моделей 64
2.8.1. Формализм информационно-алгоритмической модели функционального процессора 66
2.8.2. Формализм ролевой сетевой модели вычислительного процесса 67
2.9. Контроль совместимости данных при использовании сетевой модели вычислительного процесса 67
2.9.1. Контроль на этапе моделирования 68
2.9.2. Контроль на этапе выполнения 73
2.10. Технология автоматизированного конструирования пк автоматизации инженерных расчетов в проектировании 74
2.10.1. Проектирование прикладных программных комплексов на базе граф-моделей 75
2.10.2. Конструирование прикладных программных комплексов на ~ базе граф-моделей 79
2.10.3. Инструментальные средства поддержки технологии. 80
2.10.4. Использование инструментальных средств для создания граф-моделей и их интерпретации 81
ГЛАВА 3. Информационное и алгоритмическое обеспечение конструктора программ 84
3.1. Архитектура системы поддержки граф-моделей 85
3.1.1. Информационно-алгоритмическая модель редактора шаблонов 87
3.1.2. Информационно-алгоритмическая модель редактора граф-
моделей 88
3.2. Представление граф-моделей в базе данных системы поддержки граф-моделей 89
3.2.1. Представление шаблона граф-модели в базе данных системы поддержки граф-моделей 93
3.2.2. Представление экземпляра граф-модели в базе данных системы поддержки граф-моделей 96
3.3. Информационно-алгоритмическая модель интерпретатора конструктора прикладных программ 99
3.4. Сетевая модель вычислительного процесса интерпретации сетевых моделей вычислительного процесса 101
3.5. Концепция сетевого использования конструктора прикладных программ 103
3.5.1. Архитектура сетевого варианта конструктора прикладных программ 103
3.5.2. Преимущества и недостатки 105
3.6. Концепция использования граф-моделей для организации параллельных вычислений 106
ГЛАВА 4. Экспериментальная проверка технологии проектирования 109
4.1. Использование граф-моделей при создании прикладных геоинформационных справочных систем 109
4.2. Система автоматизированного вычисления характеристик местности прохождения трассы магистральных газопроводов по данным электронной карты 1 15
Заключение 118
Список литературы
- Жизненный цикл программного комплекса
- Информационно-алгоритмическая модель функционального процессора
- Информационно-алгоритмическая модель редактора шаблонов
- Система автоматизированного вычисления характеристик местности прохождения трассы магистральных газопроводов по данным электронной карты
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Проектирование магистральных газопроводов является сложной
инженерной задачей, решение которой, в настоящее время, немыслимо без
применения систем автоматизации проектирования (САПР) и
геоинформационных систем (ГИС). Особенность проектирования
магистральных газопроводов заключается в их сложности как протяженного
линейного технологического объекта, имеющего развитую сопутствующую
инфраструктуру, и относящегося к классу высокоопасных инженерных
сооружений, имеющих важное стратегическое значение для отрасли, а
зачастую и для государства. Использование специализированных
автоматизированных программных комплексов для решения
геоииформационных задач, задач получения и предварительной обработки исходных данных из геоинформационных систем (ГИС), являющихся, по сути, системами автоматизации инженерных расчетов в рамках применяемой САПР, позволяет существенно ускорить процесс проектирования и повысить качество проектных работ. Важным фактором при ускорении процесса проектирования является необходимость обеспечить возможность сборки программного комплекса для каждого конкретного типа расчетных задач непосредственно инженеру-проектировщику (разбирающемуся в предметной области, но не специалисту в области информационных технологий). Решение такой задачи возможно в случае наличия базы готовых программных модулей, решающих определенные расчетные задачи, и методики конструирования программного комплекса, доступной для использования инженером-проектировщиком.
Примером подобной задачи является типичная геоинформационная
задача: получение характеристик прохождения трассы магистрального
газопровода по данным электронной карты. В зависимости от проекта, его
стадии, комплекса имеющихся картографических материалов и иных
пространственно-распределенных данных, перечня необходимых
7 характеристик и других конкретных условий проектирования, зависящих от проекта, инженер-проектировщик должен иметь возможность в короткие сроки сконструировать из имеющегося набора функциональных модулей, систему автоматизации инженерных расчетов решающую данную задачу. Собранный программный комплекс позволит инженеру-проектировщику, используя различные наборы электронных карт и пространственно-распределенных данных, и соответственно программных модулей для их обработки, получать на выходе чертежи профилей и характеристик прохождения трассы, в форматах, доступных для дальнейшей обработки в САПР. В данном случае, повышение качества проектных работ обеспечивается за счет применения данных из ГИС для учета максимального количества характеристик местности, влияющих на прохождение газопровода, а автоматизация инженерных расчетов при обработке информации, получаемой из ГИС, позволяет сократить сроки проектирования.
В такой ситуации использование широко распространенных методик проектирования программных комплексов, например языка моделирования UML, равно как и ряда других существующих аналогичных технологий автоматизации создания ПО, в совокупности с инструментальными средствами, поддерживающими эти технологии, может оказаться затруднительным.
Вопросам создания таких технологий посвящено большое количество
работ зарубежных и отечественных авторов, среди которых можно выделить
публикации И. В. Вельбицкого, А. М. Вендерова, С. Д. Кузнецова,
А. А. Шалыто, П. П. Чена, Бахмана, Буча Г., С. Меллора, R. Barker, В. W. Boehm, G. Tillmann, J. A. Whittaker и др.
Таким образом, задача настоящего исследования, заключающаяся в разработке методики компьютерного моделирования функционирования программных комплексов и их конструирования, применительно к решению расчетных задач в области САПР и промышленных геоинформациопных систем, использующихся при проектировании магистральных газопроводов, является актуальной.
Цели и задачи исследования.
Цель работы заключается в создании технологии конструирования систем
инженерных расчетов для решения геоинформационных задач при проектировании магистральных газопроводов на основании граф-моделей. Цель работы достигается путем решения следующих задач:
анализ существующих методологий и технологий автоматизации проектирования прикладных программных комплексов;
создание формального аппарата представления: а) потенциальных возможностей прикладного программного комплекса для решения определенного класса задач в виде информационно-алгоритмической граф-модели и, б) конкретной прикладной схемы из данного класса в виде сетевой граф-модели вычислительного процесса;
разработка алгоритмов компьютерной реализации программного комплекса па основании его граф-моделей;
разработка методики автоматизации конструирования программных комплексов из имеющейся базы функциональных модулей (номенклатура модельного и алгоритмического обеспечения, состав инструментальных средств и дисциплина конструирования);
создание визуальных инструментальных средств поддержки технологии конструирования граф-моделей, и их апробация на примерах конструирования конкретных программных комплексов, решающих геоинформационные и расчетные задачи в рамках автоматизации проектирования магистральных газопроводов.
Методы исследования.
В работе применялись как теоретические, так и экспериментальные
методы исследования.
Теоретические исследования основаны на основных положениях теории графов, теории формальных языков и теории конечных автоматов. Кроме этого в работе применялись некоторые методы и основные положения теории множеств.
В экспериментальных исследованиях созданных моделей и алгоритмов использовались методы представления знаний в экспертных системах и базах знаний.
При проектировании структур хранения данных в разрабатываемых программных системах применялась теория ролевых графов (R-графов).
На защиту выносятся.
На защиту выносятся следующие основные научные результаты:
информационно-алгоритмическая граф-модель служащая для описания функционального процессора системы инженерных расчетов решения геоинформационных задач при проектировании магистральных газопроводов;
сетевая граф-модель вычислительного процесса, служащая для управления вычислительным процессом в системах инженерных расчетов решения геоинформационных задач при проектировании магистральных газопроводов;
методика автоматизированного конструирования систем инженерных расчетов для решения геоинформационных задач при проектировании магистральных газопроводов, базирующаяся на концептуальном моделировании;
информационное, алгоритмическое и программное обеспечение инструментальных средств;
результаты использования разработанной методики и системы проектирования граф-моделей («Система Поддержки Граф-Моделей») и системы конструирования программных комплексов на базе граф-моделей («Конструктор Прикладных Программ»), внедренные в процесс проектирования магистральных газопроводов.
Научная новизна.
Автором самостоятельно разрешены следующие научные вопросы:
предложена алгебра вычислительных процессов, позволяющая
сконструировать модель вычислительного процесса для решения
10 каждой конкретной геоинформационной задачи в проектировании магистральных газопроводов в виде алгебраического выражения;
предложена граф-модель функционального процессора системы
инженерных расчетов -решения геоинформационных задач при
проектировании магистральных газопроводов, представляющая собой
ориентированный граф с двумя типами вершин (данные и команды
преобразования данных). Предложена процедура трансформации
алгебраического выражения в графовую структуру. Показано, что она
может рассматриваться в качестве сетевой модели вычислительного
процесса и являться моделью управления вычислительным процессом;
Практическая ценность работы.
Постановка задачи отвечает актуальным потребностям информационной
индустрии в области разработки расчетных программных комплексов для обеспечения решения прикладных задач в САПР и промышленных геоинформационных системах, так как решает проблему быстрого конструирования таких программных комплексов для нужд проектирования объектов газотранспортной системы.
Практическая значимость результатов обусловлена тем, что предложена и реализована технология автоматизированного конструирования программных комплексов автоматизации инженерных расчетов для САПР и ГИС, включающая в себя:
методику автоматизированного конструирования системы инженерных расчетов решения геоинформационных задач при проектировании магистральных газопроводов;
разработанные алгоритмы управления вычислительным процессом и алгоритм контроля совместимости данных в конструируемых, с помощью предлагаемой методики, программных комплексах автоматизации проектирования и решения геоинформационных задач в проектировании магистральных газопроводов.
программную инструментальную систему поддержки визуального проектирования граф-моделей различной проблемной ориентации («Система Поддержки Граф-Моделей») и программную инструментальную систему визуального моделирования и реализации программных комплексов, на основании граф-моделей («Конструктор Прикладных Программ»);
Спроектирована и реализована структура хранения данных граф-модели и шаблона, которая представляет собой расширение языка C++ для работы с граф-моделями и шаблонами граф-моделей. Используя созданное расширение языка C++ для работы с граф-моделями и шаблонами граф-моделей, выделена СУБД доступа к файлам граф-моделей и файлам шаблонов которая может использоваться и в других работах, применяющих графовые структуры.
Реализация и внедрение результатов исследования.
Предложенные алгоритмы, связанные с обработкой граф-моделей,
реализованы автором в виде программного продукта: «Система Поддержки Граф-Моделей» и ее приложения — «Конструктор Прикладных Программ». Эти инструментальные средства позволяют создавать экземпляры произвольных граф-моделей (в том числе и используемых в технологии), а также собирать на их основе программные комплексы для автоматизации инженерных расчетов в САПР и ГИС, применяющихся при проектировании магистральных газопроводов.
Особенность реализации данных программных продуктов — использование предлагаемой технологии и моделей непосредственно при их проектировании и реализации.
Данные программные продукты, являясь средством поддержки технологии конструирования программных комплексов, использованы при построении ряда программных систем, что подтверждают соответствующие акты о внедрении. Все работы по реализации и внедрению технологии и программных систем производились при косвенном или непосредственном
12 участии автора как консультанта или ответственного исполнителя. В частности, имеются акты внедрения и отзывы по следующим работам:
Создание программного комплекса «Система автоматизированного вычисления характеристик местности прохождения трассы магистральных газопроводов по данным электронной карты». Программный комплекс внедрен в промышленную эксплуатацию в ОАО «Гипрогазцентр».
Создание компьютерной обучающей системы «Практическая работа студентов по изучению заболеваний связанных с нарушением обмена веществ». Система внедрена в учебный процесс в Нижегородском Медицинском Базовом Колледже.
Программные комплексы, построенные с использованием предлагаемого подхода использованы в ряде проектов, выполненных ОАО Гипрогазцентр. В частности, программный комплекс вычисления характеристик местности прохождения трассы магистрального газопровода по данным электронной карты, применялся в проектировании следующих крупных объектов:
Реконструкция системы газопроводов Средняя Азия — Центр (как на территории Российской Федерации, так и на территории стран Средней Азии).
Магистральный газопровод Починки - Грязовец.
Реконструкция системы технологической связи вдоль системы магистральных газопроводов Уренгой - Ужгород.
Магистральный газопровод Сахалин — Хабаровск - Владивосток.
Все работы, выполняемые при проектировании магистральных газопроводов, являлись уникальными с точки зрения использования пространственно-распределенных данных, представленных в используемых при проектировании САПР и ГИС системах. В частности в данных проектах, с помощью предлагаемой технологии были созданы программные комплексы для автоматизированного анализа и передачи структурированной комплексной
13 оценки характеристики прохождения вариантов трасс магистральных газопроводов в САПР по следующим электронным картам.
Карта опасных природных и техноприродных процессов (ОПТП) России масштаба 1 :5 000 000 [31], оригинал которой был составлен под руководством А. Л. Рогозина (институт «Геоэкологии» РАН).
Карта экзогенных геологических процессов России масштаба 1 :2 500 000 [31] (Гл. редактор А. И. Шеко, Москва, «ВСЕГИНГЕО», 2000 г).
Карта общего сейсмического районирования России масштаба 1 :8 000 000 [31]. Оригинал карты создан Объединенным институтом физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН в 1999 г. (гл. редакторы В. Н. Страхов и В. И. Уломов).
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертации докладывались и
обсуждались на следующих международных и всероссийских научных конференциях:
«Вычислительная математика и кибернетика 2000» (Нижний Новгород 2000).
11-й международной конференции по компьютерной графике и машинному зрению «ГрафиКон'2001» (Нижний Новгород 2001).
VI всероссийской с участием стран СНГ конференции «Методы и средства обработки сложной графической информации» (Нижний Новгород 2001).
«Математика и кибернетика 2002» (Нижний Новгород 2002).
II Межрегиональная конференция "Новейшие информационные технологии - инструмент повышения эффективности управления" (Нижний Новгород, 2002).
Международная конференция «Теоретические и прикладные аспекты построения программных систем». (Украина, Киев, 2004).
— Pattern Recognition and Image Analysis: New Information Technologies
(PRIA-8-2007). 8th international conference. (Yoshkar-Ola, 2007).
- 7-ая международная научно-техническая конференция
«Перспективные технологии в средствах передачи информации»
(Владимир, 2007).
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 17 работ, из них 10 статей и 7 тезисных публикаций. Среди статей имеется 7 публикаций в изданиях из перечня ВАК. Работа над диссертацией проводилась в плане решения задач согласно проекту № 96-5-97220 РФФИ и в соответствии с проектом К 0392 ФЦП "Интеграция".
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из 155 страниц машинописного текста, иллюстрирована 72 рисунками, 2 таблицами, 15 формулами и содержит описание 1 алгоритма. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 60 наименований.
Жизненный цикл программного комплекса
Одним из базовых понятий любой методологии проектирования программных комплексов является понятие жизненного цикла программного комплекса (ЖЦ ПК). ЖЦ ПК - это непрерывный процесс, который начинается с момента принятия решения о необходимости его создания и заканчивается в момент его полного изъятия из эксплуатации.
Структура ЖЦ ПК по стандарту ISO/IEC 12207 [8,9] базируется на трех группах процессов: основные процессы ЖЦ ПК (приобретение, поставка, разработка, эксплуатация, сопровождение); вспомогательные процессы, обеспечивающие выполнение основных процессов (документирование, управление конфигурацией, обеспечение качества, верификация, аттестация, оценка, аудит, решение проблем); организационные процессы (управление проектами, создание инфраструктуры проекта, определение, оценка и улучшение самого ЖЦ, обучение).
К настоящему времени наибольшее распространение получили следующие две основные модели ЖЦ [28]: каскадная модель (70-85 г.г.) спиральная модель (86-90 г.г.)[2].
В изначально существовавших однородных программных комплексах каждое приложение представляло собой единое целое. Для разработки такого типа приложений применялся каскадный способ. Его основной характеристикой является разбиение всей разработки на этапы, причем переход с одного этапа на следующий происходит, только после того, как будет полностью завершена работа на текущем. Каждый этап завершается выпуском полного комплекта документации, достаточной для того, чтобы разработка могла быть продолжена другой командой разработчиков (Рисунок 1).
Каскадный подход хорошо зарекомендовал себя при построении программных комплексов, для которых в самом начале разработки можно достаточно точно и полно сформулировать все требования, с тем, чтобы предоставить разработчикам свободу реализовать их как можно лучше с технической точки зрения [28]. В эту категорию попадают сложные расчетные системы, системы реального времени и другие подобные задачи. Несмотря на это обстоятельство, использование данной модели ЖЦ плохо применимо при конструировании ПК для автоматизации инженерных расчетов в проектировании магистральных газопроводов, поскольку в данном случае невозможно точно и полно сформулировать требования к ПК на начальном этапе. Поскольку каждый проект магистрального газопровода уникален, то и ПК для автоматизации инженерных расчетов для обработки данных в ГИС будут наследовать эту уникальность, хотя используемые в различных ПК функциональные модули, возможно, будут пересекаться.
В процессе использования этой модели ЖЦ обнаружился ряд её недостатков, вызванных, прежде всего тем, что реальный процесс создания ПК никогда полностью не укладывался в такую жесткую схему. В процессе создания ПК постоянно возникала потребность в возврате к предыдущим этапам и уточнении или пересмотре ранее принятых решений (Рисунок 2).
Положительные стороны применения каскадного подхода: на каждом этапе формируется законченный набор проектной документации, отвечающий критериям полноты и согласованности; выполняемые в логичной последовательности этапы работ позволяют планировать сроки завершения всех работ и соответствующие затраты.
Основным недостатком каскадного подхода является существенное запаздывание с получением результатов. Согласование результатов с пользователями производится только в точках, планируемых после завершения каждого этапа работ, требования к программному комплексу "заморожены" в виде технического задания на все время его создания. Таким образом, пользователи могут внести свои замечания только после того, как работа над системой будет полностью завершена. В случае неточного изложения требований или их изменения в течение длительного периода создания ПК, пользователи получают комплекс, не удовлетворяющий их потребностям. Модели (как функциональные, так и информационные) автоматизируемого объекта могут устареть одновременно с их утверждением.
Применение каскадного подхода при проектировании ПК автоматизации инженерных расчетов для САПР магистральных газопроводов затруднительно по следующим обстоятельствам.
1. Уникальность каждого проекта магистрального газопровода диктует уникальность ПК автоматизации инженерных расчетов для обработки данных из ГИС систем и передачи их в САПР.
2. Жесткое ограничение по времени проектирования и изменчивость требований к ПК не позволяет составлять детальный проект таких ПК.
Информационно-алгоритмическая модель функционального процессора
Таким образом, информационно-алгоритмическая модель, представляет собой описание программной системы с точки зрения движения информационных потоков между функциональными модулями. Данная модель позволяет определить спецификацию каждого модуля, и необходима для согласования модулей по данным.
Понятие файла для приведенного примера введено условно для общности рассуждений.
В результате вышесказанного, можно привести следующее содержательное определение информационно-алгоритмической модели функционального процессора. Под информационно-алгоритмической моделью функционального процессора понимается: граф-модель, отражающая системную увязку программных модулей и данных. Такая модель представляет собой направленный граф, имеющий следующую специфику: имеются, по крайней мере, два основных типа вершин: вершины "модули" и вершины "данные". каждая вершина типа "модуль" имеет уникальную метку, соответствующую команде операционного процессора. каждая вершина типа "данные" имеет уникальную метку, соответствующую некоторой совокупности данных. имеется, по крайней мере, одна вершина типа "данные" в которую не входит ни одна дуга — исходные данные. имеется, по крайней мере, одна вершина типа "данные" из которой не выходит ни одна дуга - результирующие данные. имеется единственный тип дуги - "передача данных".
Особенность информационно-алгоритмической модели заключается в том, что для любой вершины исходных данных существует хотя бы один путь, ведущий из этой вершины в вершину результирующих данных. Команды функционального процессора информационно-алгоритмической модели должны строго соответствовать командам функционального процессора в сетевой модели.
Пример обобщенной информационно-алгоритмической модели для прикладной программы для расчета характеристик прохождения магистрального газопровода по данным электронной карты, представлен на рисунке 13.
Перед тем, как перейти к моделям управления, рассмотрим алгебру вычислительных процессов. Далее будет показано, что сетевая модель вычислительного процесса является графическим представлением выражений данной алгебры.
Под вычислительным процессом обычно понимается реализация некоторого алгоритма. А алгоритм, в свою очередь, трактуется как способ преобразования любого набора исходных данных, из области допустимых, в область результирующих наборов данных.
В работах Клини, Айзермана и Глушкова [17,29], применительно к конечным автоматам, определена прикладная алгебра событий. Объектом этой алгебры является событие, которое интерпретируется как множество последовательностей символов входного алфавита. В качестве операций алгебры событий используются: объединение, умножение и итерация.
В данной работе предлагается для конструирования управляющей подсистемы сложного программного комплекса использовать прикладную алгебру вычислительных процессов, изоморфную алгебре событий.
Пусть Е е ез,... } конечное множество элементарных вычислительных процессов. Элементарность процесса предполагает его определенность априори, или, говоря другими словами, существование некоторого функционального процессора, способного исполнить этот процесс. Введем следующие операции над вычислительными процессами.
Бинарная операция и альтернации вычислительных процессов: если Xj, х2 вычислительные процессы, то Хі х2 также вычислительный процесс, который определяется как альтернативное исполнение: либо процесса Х] либо процесса
Бинарная операция х мультипликации вычислительных процессов: если Xi, Х2 вычислительные процессы, то Ххх2 также вычислительный процесс, который определяется как последовательное исполнение сначала процесса хІ5 затем процесса х2.
Унарная операция іп возведение в степень вычислительного процесса: если х - вычислительный процесс то х1 также вычислительный процесс, который определяется как п - кратное повторение процесса х. По определению, - пустой вычислительный процесс, т.е. отсутствие какого-либо вычислительного процесса. По сути дела, операция возведения в степень \7 X X X XV является обозначением специфического алгебраического выражения: її— п раз
Унарная операция итерация вычислительного процесса , если х — вычислительный процесс, то х также вычислительный процесс, который определяется как исполнение процесса х произвольное число раз (в том числе и ни одного раза). По сути дела, операция итерации является обозначением оо специфического алгебраического выражения: (jx11 п=0 Пусть [Е] - замыкание множества Е относительно операций J, х и . Тогда прикладная алгебра вычислительных процессов А (над базисом элементарных вычислительных процессов Е) определяется следующим образом:
Информационно-алгоритмическая модель редактора шаблонов
Данный этап является заключительным этапом фазы анализа прикладной задачи и его результатом является построение ролевой сетевой модели вычислительного процесса, будущего ПК, которая и определяет его поведение. Ролевая сетевая модель вычислительного процесса является, по сути дела, моделью диалога и необходима для формализации процесса управления при решении расчетной геоинформационной задачи. Вершины ролевой сетевой модели определяют способ управления, а дуги - команды управления.
Результатом данного этапа является ролевая сетевая модель вычислительного процесса решения расчетной геоинформационной задачи, для которой проведен контроль совместимости данных с помощью алгоритма, описанного выше. Другими словами, ролевая сетевая модель вычислительного процесса и информационно-алгоритмическая модель функционального процессора должны быть непротиворечивы.
Программирование функциональных модулей и отладка ролевой сетевой модели вычислительного процесса.
Оба этих этапа начинают следующую фазу реализации и могут выполняться параллельно.
Программирование функциональных модулей может производиться на любом языке и с использованием любых инструментальных средств, в том числе и средств поддерживающих Rapid Application Development (RAD). Результатом программирования каждого функционального модуля должен являться исполняемый файл. В дальнейшем, с развитием инструментальных средств технологии, в качестве функциональных модулей, возможно использование отдельных процедур, сосредоточенных в динамически-подключаемых библиотеках.
Отладка сетевой модели начинается без использования функционального процессора, путем замены соответствующих исполняемых модулей «заглушками». Таким образом, отлаживается механизм диалога. Затем, по мере создания функциональных модулей, они подключаются к программному комплексу. В конце данного этапа должна быть произведена сборка и отладка всего программного комплекса.
Опытная эксплуатация.
Данный этап является заключительным этапом фазы реализации, который обеспечивает выявление ошибок. Кроме этого, данный этап позволяет сформулировать предложения по модернизации созданного программного комплекса со стороны заказчика, которые могут быть далее учтены при разработке следующей версии данного программного комплекса.
Все этапы за исключением программирования функциональных модулей могут выполняться инженером-проектировщиком в небольших расчетных задачах, или специалистом, отвечающим за описание системных требований в крупных проектах. Как правило, в проектировании магистральных газопроводов не предполагаются крупные расчетные ПК, поэтому выполнение основных этапов инженером-проектировщиком позволит сэкономить значительную часть времени на начальном этапе проектирования магистрального газопровода.
Наличие уже существующей библиотеки функциональных модулей позволяет, в данном случае, сократить цикл разработки, представленный на рисунке 27. Сокращению подлежит фаза программирования функциональных модулей и, кроме этого, фаза отладки сетевой модели вычислительного процесса объединяется с фазой создания этой модели. Возможность такого объединения также обусловлена наличием функциональных модулей уже в самом начале конструирования.
Для инструментальной поддержки технологии конструирования вычислительных программных комплексов на базе граф-моделей необходимо наличие такого программного инструментария, который позволит: визуально создавать, хранить и обрабатывать граф-модели как минимум двух видов: информационно-алгоритмические модели функционального процессора и ролевые сетевые модели вычислительного процесса; конструировать вычислительные программные комплексы на базе созданных граф-моделей. Реализация такого инструментария свелась к разработке программного комплекса «Система Поддержки Граф-Моделей» (СПГМ), которая решает первую задачу. Для решения второй из поставленных задач, было создано приложение СПГМ, которое названо - «Конструктор Прикладных Программ» (КПП). Полное описание данных программных комплексов находится в приложении.
Перед реализацией данного инструментария, был проведен обзор существующих систем, позволяющих создавать и редактировать граф-модели. Такие системы можно условно разделить на два класса [32].
К первому (более широкому) классу относятся узкоспециальные системы, которые ориентированы на граф-модели с определенной семантикой и топологией, и она жестко задана внутри самой системы. Использование таких систем в качестве инструментария для поддержки технологии невозможно.
Второй класс - это универсальные системы визуальной обработки граф-моделей среди которых можно выделить следующие: daVinchi [4], GraphEd [6] и GraphLet [7], HIGRES [44, 45]. Несмотря на значительный прогресс в создании универсальных систем, следует отметить ряд недостатков, которые не позволили выбрать подходящую для указанных выше задач систему. Прежде всего, общим недостатком подавляющего большинства таких систем является их ориентация на ОС UNIX. Другим существенным недостатком является невозможность оперировать граф-моделью, представленной в формате такой системы из сторонней программы, т. е. система может использоваться только для решения задачи рисования граф-модели и реализации специфических вычислительных алгоритмов.
Система автоматизированного вычисления характеристик местности прохождения трассы магистральных газопроводов по данным электронной карты
Особенность проектирования магистральных газопроводов, как уже отмечалось ранее, заключается в их сложности как протяженных линейных технологических объектов, имеющих большую сопутствующую инфраструктуру, и относящихся к классу высокоопасных инженерных сооружений, имеющих важное стратегическое значение для страны.
Автоматизация получения и предварительной обработки исходных данных из специализированных ГИС, которую обеспечивает система автоматизированного вычисления характеристик местности прохождения трассы магистральных газопроводов по данным электронной карты, позволяет повысить качество проектных работ. Возможность сборки программного комплекса непосредственно инженером-проектировщиком позволяет сократить срок проектирования.
Задача конструирования системы автоматизированного вычисления характеристик местности прохождения трассы магистральных газопроводов по данным электронной карты, являющейся по сути дела типичной прикладной системой автоматизации проектирования (САПР), применительно к нашей технологии, имеет ряд существенных особенностей. Функциональные модули данного программного комплекса зачастую разнородны, т.е. спроектированы и реализованы с помощью различных технологий и языков программирования соответственно. В процессе эксплуатации, программный комплекс подвергается интенсивной модификации.
При решении задачи автоматизированного вычисления характеристик местности прохождения трассы магистральных газопроводов по данным электронной карты были построены сетевые модели, представленные на рисунках 48, 49, 50, 51.
В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие основные научные и практические результаты:
1. Предложена алгебра вычислительных процессов, позволяющая сконструировать модель конкретного сложного вычислительного процесса в виде алгебраического выражения через более простые вычислительные процессы. Представление выражения такой алгебры в виде сетевой модели позволяет построить модель вычислительного I I процесса, которую можно отнести к классу концептуальных моделей.
2. Предложена процедура трансформации алгебраического выражения в графовую структуру. Показано, что она может рассматриваться в качестве алгоритмической (синтаксической) сетевой модели вычислительного процесса. Предложена процедура трансформации алгоритмической сетевой модели в ролевую (семантическую) сетевую модель вычислительного процесса. Показано, что она может рассматриваться как модель управления вычислительным процессом. Сетевая модель вычислительного процесса позволяет использовать стандартные процедуры обхода графа при разработке алгоритма интерпретации модели.
3. Расширено понятие сетевой модели до понятия граф-схемы. В предыдущих работах, выполненных М. В. Кошелевым, С. Г. Кузиным использовалось понятие сетевой модели, у которой допускалось лишь изменение количества атрибутов дуг и вершин. В настоящей работе введено понятие граф-схемы, которое расширяет прошлое понятие сетевой модели путем ряда следующих допущений. Введено понятие типа вершины и типа дуги. Стало возможно использовать в модели произвольное число типов вершин и дуг, каждому из которых сопоставляется некоторое число атрибутов. Если проводить аналогию с сетевой моделью прошлых систем, то там использовался только один тип вершины и только один тип дуги. Введенное понятие граф-схемы позволило использовать предложенные модели, не только для управления вычислительным процессом, но и для создания различных унифицированных компонент ПК, в частности это иллюстрируется на практической работе по созданию прикладных геоинформационных систем, приведенной в настоящей работе [31,48].
4. Для описания класса граф-схем введено понятие шаблона. В шаблоне выделяются типы вершин и дуг, которые могут использоваться при создании граф-схем, принадлежащих классу.
5. Расширено понятие граф-схемы до граф-модели. При этом выдвинуто допущение на использование нескольких граф-схем в пределах одной граф-модели и использование дуг специального типа в качестве рекурсивных ссылок на граф-схемы. Данное расширение позволяет создавать многоуровневые граф-модели различного прикладного назначения. В дальнейшем, с помощью данного расширения, в интерпретаторе КПП реализована возможность рекурсивного вызова подсетей.
6. Разработан алгоритм, позволяющий автоматизировать проектирование объектно-ориентированной структуры хранения данных в программных модулях на основании граф-модели в виде ролевого графа. С помощью разработанного алгоритма спроектирована и реализована структура хранения данных граф-модели и шаблона. Реализация структур данных представляет собой систему классов на языке C++, использующей библиотеку MFC и является, по сути, расширением языка C++ для работы с граф-моделями и шаблонами [50].
7. Определена Информационно-алгоритмическая модель, которая специфицирует функциональный процессор программного комплекса с точки зрения взаимосвязей модулей и потоков данных между ними [14].
