Введение к работе
Актуальность. В настоящее время все большее и большее применение во всем мире находят различные методы автоматизации программирования,или CASE-технологии. Данные методики создаются в расчете на значительное сокращение затрат времени, труда, материальных затрат при разработке современного программного обеспечения, повышение надежности программного продукта, удобство его восприятия и модификации.
Развитие сложных технических систем и их автоматизация привели к необходимости создания программных комплексов объемом в сотни тысяч и миллионы команд. Их написание возможно только при использовании тех или иных технологий автоматизированного программирования. В случае же написания алгоритмов управления бортовой аппаратурой, исполняемых в реальном времени на Сорту летательного аппарата, предъявляются повышенные требования. При возникновении ошибки в работе такого алгоритма возможны катастрофические последствия,неприемлемые материальные, финансовые потери. При этом разработка бортовой вычислительной системы и ее математического обеспечения является в настоящее время критической фазой по отношению к проектированию всего летательного аппарата в целом. Надежность ВВС и ее программного обеспечения зачастую определяет надежность ЛА.
Данная проблематика рассматривалась в работах зарубежных проектировщиков при разработке управляющего программного обеспечения для различных космических проектов.При этом был сделан вывод о том, что разработка в приемлемые сроки программного обеспечения достаточного качества и степени надежности может быть обеспе-чена при внедрении специальных технологий программирования. Так, в частности, для написания программного обеспечения воздушно-космического самолета Space Shuttle был создан специальный язык высокого уровня - HAL/S. Из работ отечественных ученых следует отметить прежде всего, разработки профессора В.В. Липаева по созданию технологий проектированиянадежного и качественного программного обеспечения АСУ реального времени.
Известны несколько основополагающих подходов к построению систем автоматизированного программирования. Приведем основные из них:
- структурированная (иерархическая) модель проектирова-
- 2 -ния программного комплекса;
- создание систем, облегчающих в рамках традиционной па
радигмы программирования проведение рутинных процедур
(комплексные оболочки редактор-компилятор-компоновщик,
интерфейсы универсальных текстовых редакторов с различными трансляторами и др.);
сведение программирования к построению программы из набора готовых модулей из библиотек;
программирование с применением различных непроцедурных подходов (объектно-ориентированное, логическое, функциональное, ориентированное на стек и др.
методы, основанные на объединении предыдущих двух подходов, предлагающие при объектно-ориентированном программировании библиотеки классов (Turbo Vision, OWL в системе Borland C++ 3.x,4.x и т.д.);
системы с графическим интерфейсом, заменяющим либо дополняющим текстовое описание , такие, например, как Visual Basic или Borland C++ Builder);
системы программирования, ориентированные на синтаксис либо на запись программы в каком-то специфическом представлении (Е-язык, Ц-схемы и др.) ,
системы, объединяющие в себе несколько вышеперечисленных подходов.
Представляется очень важным ответ на вопрос, какая же из CASE-технологий является самой перспективной. Аналитические обзоры на эту тему показывают, что применяемые подходы к процессам анализа и проектирования настолько различны, что их сравнение зачастую неправомочно.
В диссертации предлагается оригинальный CASE-подход для автоматизированного проектирования управляющих алгоритмов (и на их базе управляющих программ) бортовой аппаратурой реального времени с использованием текстового и графического входных языков, на базе алгебраической модели управляющего алгоритма реального времени и исчисления (формальной системы) УА.
Бортовая аппаратура (БА), например, космического летательного аппарата (ЛА), представляет собой сложный комплекс различ-
- з -ных систем, агрегатов, датчиков, взаимосвязанных по данным, по управлению, по энергетике и т.д. Для решения задачи управления Сортовой аппаратурой используется автоматизированный Сортовой комплекс управления (БКУ) реального времени. При этом управление некоторыми приборами и системами автоматизировано на нижнем уровне, т.е. используются встроенные микропроцессоры и другие устройства цифровой автоматики. БКУ всегда имеет одну или несколько центральных БЦВМ, на которых исполняются специальные управляющие программы, реализующие алгоритмы управления.
Таким образом, разработка CASE-подходов к созданию управляющих алгоритмов и программ БА РВ является актуальной в силу следующих причин:
постоянное увеличение сложности комплекса БА и сложности управления этим комплексом,
отсутствие промышленных систем автоматизации программирования для УА РВ,
существенное влияние качества и надежности управляющего программного обеспечения на параметры и надежность летательного аппарата в целом.
Целью работы является создание CASE-подхода для автоматизированной разработки УА БА РВ, решение задачи формализованного описания бортовых алгоритмов управления, построение на этой базе программного обеспечения многоязыкового процессора автоматизированного описания УА.
В соответствии с поставленной целью определены следующие основные задачи диссертации:
-
построить концептуальную модель УА БА РВ на основе системного анализа комплекса бортовой аппаратуры и бортового комплекса управления.
-
разработать математическую модель управляющего алгоритма реального времени.
-
построить математическую модель множества управляющих алгоритмов,
-
на основе разработанных моделей создать CASE-технологию автоматизированного описания УА РВ БА, наиболее удобную для пользователя-проектанта,
-
разработать информационные и лингвистические средства реализации CASE-технологии,
-
разработать алгоритмы решения проектных задач:
трансляции входных языков,
эквивалентных преобразований описаний УА,
выявления семантики УА.
7) разработать программное обеспечение реализации
CASE-технологии описания УА РВ БА.
Научная новизна. Анализ литературы, посвященной разработке различных CASE-систем, показал оригинальность предлагаемого CASE-подхода к созданию управляющих алгоритмов реального вре-мени, координирующих параллельную работу программ, управляющих работой отдельных приборов и агрегатов, на базе алгебраической системы УА.
В диссертации автором получены следующие новые результаты.
-
Построена математическая модель алгоритма управления реального времени бортовой аппаратурой в виде набора четверок целых чисел, отражающих моменты запуска, длительность и логическую обусловленность выполнения функциональных управляющих программ.
-
Построена математическая модель множества УА РВ БА в виде алгебраической системы с основным множеством -множеством управляющих алгоритмов и операциями в логическом и временном пространствах.
-
Разработаны входные языки описания УА на базе исчисления управляющих алгоритмов - символический и графический языки.
-
Установлено соответствие описаний УА на различных входных языках.
-
Разработаны алгоритмы:
трансляции текстового входного языка,
трансляции графического входного языка,
эквивалентных преобразований описаний УА РВ БА,
выявления семантики УА.
6) На основе разработанного математического, лингвистичес
кого и информационного обеспечения реализовано програм-
- 5 -мное обеспечение многоязыкового процессора УА БА РВ. Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
-
Концептуальная модель комплекса БА и алгоритмического обеспечения БКУ.
-
Математическая модель УА РВ БА и множества УА РВ БА в виде алгебраической системы.
-
Методы построения символьного и графического входных языков и средств построения многоязыкового процессора CASE-системы разработки УА.
-
Алгоритмы решения проектных задач.
-
Результаты решения реальных задач, анализ которых показал практическую ценность созданного CASE-подхода.
Реализация и практическая ценность работы. Разработанная информационная технология дает возможность на новом уровне подойти к решению задач создания комплекса программ управления реального времени, отвечает современным требованиям к CASE-технологиям (гибкость, графический интерфейс, легкость в изучении). Получаемые преимущества при разработке алгоритмов и программ комплексного функционирования бортовой аппаратуры ЛА дают возможность снизить трудоемкость и сроки разработки, а также повысить надежность создаваемого программного обеспечения что имеет огромное значение особенно применительно к ПО космических летательных аппаратов.
Работа выполнялась в рамках хоздоговоров с ЦСКБ (договора 2-1/94, 2-1/95, 2-1/96), ее результаты отражены в пяти научно-технических отчетах по теме, созданных при непосредственном участии автора. Результаты работы внедрены на предприятии, что отражено в Приложении диссертации.
Работа выполнялась также в рамках российской научно-технической программы "Перспективные информационные технологии в высшей школе" (целевая подпрограмма "Автоматизация научных исследований") в 1994-1995 гг.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1) Концептуальная модель комплекса БА и алгоритмического обеспечения БКУ в виде гомоморфного отображения одной иерархической модели на другую.
- б -
2) Математическая модель УА РВ БА в виде набора
четверок, описывающих алгоритм, и модель множества УА
в виде алгебраической системы с операциями
во временном и логическом пространствах.
-
Методы построения символьного и графического входных языков и средств построения многоязыкового процессора CASE-сисгемы разработки УА.
-
Алгоритмы решения проектных задач.
-
Результаты решения реальных задач, анализ которых показал практическую ценность созданного CASE-подхода.
Апробация работы.
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Туполевских чтениях (г. Казань, 1990 г.), Гагаринских чтениях (г. Москва, 1991 и 1992 гг.), Всероссийской научной школе по компьютерной алгебре, логике, интеллектному управлению и проблемам анализа стратегической стабильности (г. Иркутск, 1994 г.), V межвузовской научной конференции по математическому моделированию и краевым задачам (г. Самара, 1995 г.), I Поволжской научно-технической конференции по научно-исследовательским разработкам и высоким технологиям двойного применения, VII Всероссийском семинаре с международным участием по управлению движением и навигации летательных аппаратов (г. Самара, 1995 г.). Международных научно-технических конференциях по актуальным проблемам анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем (г. Пенза, 1995 и 1996 гг.), на научной конференции по перспективным информационным технологиям, посвященной 20-летию факультета информатики СГАУ (г. Самара, 1995 г.).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, из них три статьи.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Объем работы 159 страниц основного текста, включая 41 рисунок. Список литературы содержит 116 наименований.
Похожие диссертации на Многоязыковый процессор автоматизированного описания управляющих алгоритмов
