Введение к работе
Актуальность темы. Одной из характерных особенностей современного этапа научно - технического прогресса является широкое и интенсивное использование математических методов, средств информатики и вычислительной техники в системах управления. Разрабатывается, вводится в действие и модернизируется большое число автоматизированных информационно - управляющих систем (АИУС) в самых различных отраслях народного хозяйства России и стран СНГ. В это» связи повышение качества и эффективности создаваемых систем, сокращение сроков и затрат на их разработку и внедрение являются важными народно - хозяйственными задачами.
Эффективное использование вычислительной техники в АИУС требует значительных трудозатрат на создание программного и информационного обеспечения соответствующих систем обработки данных (СОД). Одним из направлений повышения эффективности создаваемых в массовом масштабе систем является использование при их разработке принципов модульности и типизации, реализуемых применением адекватных экономическим и организационным условиям моделей и методов синтеза типовых модульных систем обработки данных.
Под типизацией при разработке СОД в АИУС понимается процесс анализа требований и характеристик заданного множества объектов автоматизации (задач обработки данных) и выбора методов сведения многообразия индивидуальных проектных решений к ограниченному множеству типовых решений, достаточно эффективно реализующих требования объектов автоматизации.
Возможности синтеза типовых решений при- проектировании СОД основаны на существовании достаточной степени общности технологий решения задач обработки данных в АИУС. Использование принципов модульности и типизация при разработке СОД позволяет свести их проектирование к синтезу систем функционально независимых типовых модулей, совместно реализующих заданное множество функций на множестве выбранных объектов автоматизации с требуемой эффективностью.
Основные преимущества разработки СОД с использованием методов синтеза системы типовых программных модулей и информационных
массивов заключаются в следующем: уменьшаются общие затраты . и время разработки и внедрения системы за счет однократного проектирования и многократного._ использования синтезированных типовых модулей; увеличивается надекносгь созданного программного обеспечения благодаря многократной проверке типовых модулей; значительно облегчаются тиражирование и последующая эксплуатация системы, подготовка конечных пользователей; повышается научный потенциал и квалификация разработчиков за счет сравнительного анализа и обобщения большого числа систем и задач обработки данных: существенно увеличивается степень автоматизации этапов предпроектного анализа и технического проектирования СОД.
По отечественным и зарубежным данным затраты и общее время разработки и внедрения типовых модульных СОД в АИУС сокращаются не менее, чем в 1.5 - 2 раза по сравнению с традиционным индивидуальным проектированием систем, ориентированном на автоматизацию отдельных задач обработки данных.
Имеющиеся в отечественной и зарубежной литературе публикации по отдельным аспектам проблемы типизации проектных решений при создании АИУС отражают в основном опыт разработки систем для так называемых базовых объектов, характеризующихся наиболее полным набором требований к системе обработки данных. В них не рассмотрены общий подход и методология типового модульного проектирования, базирующиеся на анализе общности требований и характеристик заданного множества задач обработки данных, выявлении их общих и специфических частей и последующем синтезе системы типовых модулей с использованием методов оптимизации.
Крупные масштабы работ по созданию и внедрению СОД в АИУС, необходимость автоматизации большого числа задач переработки информации и управления, близких по технологии решения, отсутствие единой методологии, теоретических основ, моделей и методов автоматизации разработки типовых модульных СОД обусловливают высокую актуальность выполненных научных исследований.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с координационными планами научных исследований АН СССР по комплексной проблеме "Киберентика" на 1981-1985 гт.и на 1986-1990 гг. (раздел 1.12.4 "Разработка методологии проектирования проблемно-ориентированных АСУ); в рамках Общесоюзной научно-технической программы ГК ВТИ (0.80.21) на 1985-1990 гг. "Разработка и внедрение комплексов типовых прикладных программных
средств общесистемного и функционального назначения, прогрессивной технологии и автоматизированных систем проектирования АСУ"; планами научных работ Института проблем управления по темам: 19-84 "Автоматизация проектирования типовых модульных информационно-управляющих систем"; 19-86 "Методы синтеза типовых модульных систем работки данных в АСУ"; заданием 2.II "Разработка теоретических основ и промышленной технологии автоматизированного проектирования информационного и программного обеспечения на Оазе типовых модульных СОД" в рамках комплексной программы НШ СЭВ.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка теоретических основ, моделей и вычислительных методов, а также методологии их практического использования при анализе требований пользователей АИУС к системам обработки данных и синтезе оптимальной типовой структуры программного и информационного обеспечения локальных и распределенных модульных СОД на этапе их технического проектирования.
Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены и математически обоснованы с использованием аппарата теории графов, теории мнокеств, матричной алгебры, теории автоматической классификации, теории активных систем и методов математического программирования.
Научная новизна состоит в том, что впервые: - разработаны общий подход и универсальная стратегия типового модульного проектирования, включающая анализ оощности технологий решения заданного множества задач обработки данных, выявление их общих и специфических частей и последующий синтез структуры типовых модульных СОД в АИУС с использованием методов оптимизации. Предложенный подход базируется на введенных понятиях и определениях функционального типового модуля обработки данных, интегрированного графа технологий, уровней типовосте программных модулей и информационных массивов СОД, областей типового и индивидуального проектирования и заключается в последовательном использовании разработанных моделей и методов анализа и оптимизации структуры программного и информационного обеспечения модульных СОД на этапах предпроектного обследования и технического проектирования с целью повышения эффективности типовых проектных решений, сокращения затрат и сроков разработки систем;
- разработана общая методика анализа технологий решения
множества задач обработки данных, основанная на выделении по функциональным и технологическим признакам множества задач одного класса, определении параметров и мер их общности, процедурах кластеризации и построения структуры интегрированного графа технологий. В рамках методики формализованы процедуры выделения подмножеств задач и подграфов интегрированного графа технологий, характеризующихся различными уровнями типовости, а также процедуры формирования исходных данных и ограничений, используемых при синтезе оптимальной структуры типовых модульных СОД;
- разработаны методы и процедуры анализа предметных областей
и запросов пользователей, обеспечивающие выделение и определение
характеристик типовых и специфических сегментов данных для синтеза
оптимальной ..типовой логической структуры информационного
обеспечения распределенных модульных СОД (распределенной базы
данных);
- разработана формализованные постановки задач синтеза
оптимальных структур типовых модульных СОД с использованием
общесистемных и минимаксных критериев стоимостного, временного и
технологического типа применительно к организационным системам
полностью централизованного и частично централизованного типового
проектирования;
поставлены и решены задачи оптимизации структуры программного и информационного обеспечения модульных СОД РВ различной конфигурации, использующих различные дисциплины обслуживания поступающих заявок на решение задач обработки данных;
- поставлены и решены задачи синтеза оптимальных типовых
логических структур распределенных баз данных СОД с использованием
критериев оптимизации общесистемного и минимаксного типов с
целевой функцией, задаваемой на множестве типовых сегментов
данных;
- полученные теоретические результаты использованы для
решения практических задач разработки оптимальных структур типовых
модульных СОД в АИУС, имепцих важное народнохозяйственное
значение.
Разработанные теоретические положения, модели, методы и алгоритмы анализа и синтеза по сравнению с ранее используемыми методами проектирования, ориентированными в основном на индивидуальную разработку и опыт разработчиков, позволяют формализовать, алгоритмизировать и автоматизировать основные
операции процесса проектирования оптимальных типовых модульных СОД в АИУС различного класса и назначения.
Практическая ценность. Разработанные в диссертации методологический подход, модели и методы синтеза оптимальных типовых модульных СОД позволяют на основе формализованного анализа технологий решения множества задач функциональных подсистем АИУС синтезировать оптимальную типовую структуру программного и информационного обеспечения АИУС по общесистемным и минимаксным критериям оптимизации.Использование разработанного комплекса методов, алгоритмов и программ анализа и синтеза типовых модульных СОД позволяет снизить трудоемкость и приведенные общие затраты на их разработку и внедрение, в зависимости от уровня типовости систем, на 50-70Ж.Разработанные алгоритмы реализованы на языке ФОРГРАН-ІУ и могут быть использованы при разработке программного и информационного обеспечения типовых модульных СОД в отраслевых автоматизированных системах управления и информационно-управляющих системах производственных и научно-производственных объединений, научно-исследовательских и проектно-конструкторских организаций, а так же в вычислительных центрах, разрабатывающих, внедряющих и эксплуатирующих системы обработки данных на ЭВМ и средства их автоматизированного проектирования.
Внедрение. Эффективность разработанных в диссертационной работе моделей и методов анализа и синтеза типовых модульных СОД подтверждена положительным опытом их широкого использования в различных отраслях народного хозяйства при проектировании ряда АСУ и АИУС. При непосредственном участии автора они внедрены при разработке типовой автоматизированной системы управления метрополитенами страны (АСУ "Метро"), типовых подсистем АСУ-Тяхиаш-11, РАСУ-Быт, АСУ "Ергорсовет", АСУ Гродненского ПО "Азот", АСУ Сумского ПО, национальнной автоматизированной системы управления страхованием в Венгерской республике и ряда других систем.
Опыт практического использования результатов исследований, выполненных в диссертации, обобщен и положен в основу следупщх методических материалов, разработанных по заданиям ПСНТ СССР: "Методика анализа множества задач обработки данных в интегрированных автоматизированных системах управления*' (01 .Д2), "Методические указания го синтезу типовых модульных СОД в ИАСУ" (02.Д2), "Методические указания по синтезу логических и
физических структур баз данных в ИАСУ" (03.Д2).
Суммарный подтвержденный экономический эффект от внедрения результатов диссертации составил около 2,0 млн. рублей и 4 млн. форинтов (в ценах 1990 г.).
Личный вклад. Все основные положения и результаты, выносимые на защиту, получены автором самостоятельно.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуадались на УШ и X Всесоюзных совещаниях по проблемам управления (Таллинн, 1980; Алма-Ата, 1986); Всесоюзной конференции "Автоматизация разработки программного обеспечения АСУ и информационно-вычислительных систем" (Москва, 1977); Всесоюзных семинарах-совещаниях по управлению большими системами (Алма-Ата, 1978, 1983); IV Всесоюзном симпозиуме "Проблемы системотехники" (Ленинград, 1978); Всесоюзном совещании по автоматизации проектирования систем управления (Суздаль, 1979); Всесоюзном семинаре по системам управления перераспределением ресурсов (Москва, 1979); Всесоюзном совещании по оптимизационным задачам в АСУ (Нальчик, 1981); Всесоюзных семинарах по методам синтеза типовых модульных систем обработки данных (Звенигород, 1981, 1985); Школе-семинаре по проблемам управления качеством продукции (Москва, 1983); Меадународной конференции "Диагностическое обеспечение цифровых систем" (Брно, 1983); Всесоюзной конференции по автоматизации проектирования систем управления (Ереван, 1984); Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства решения задач в интегрированных АСУ" (Ташкент, 1984); Национальной конференции с международным участием "Надежность электронно-вычислительных машин и систем" (София, 1984); Ш Мевдународной конференции "Системы, допускающие неисправности, и диагностика" (Катовице, 1985); X Всесоюзном совещании-семинаре "Управление иерархическими активными системами" (Тбилиси, 1986); Мевдународных конференциях "Компоконтроль" (Москва, 1987; Братислава, 1989); Всесоюзной научно-технической конференции "Системы управления и средства автоматизации в агропромышленном комплексе" (Кишинев, 1987); семинаре ИФАК/КМАКС "Автоматизация проектирования систем управления" (Алма-Ата, 1989); Ш Всесоюзном совещании по распределенным автоматизированным системам массового обслуживания (Винница, 1990); Всесоюзном совещании "Экспертные системы" (Суздаль, 1990).
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 50
печатных работ, в том числе четыре монографии.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, списка литературы и приложений.
Работа содеркиг S6I стр., в том числе 305 стр. машинописного текста, 32 рис., таблиц, а также список литературы (/9стр., »гаименования).
