Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА I. Задачи структурных исследований при моделировании
сложных систем 15
1.1. Математические модели и исследование сложных
систем .16
1.2. Проблемы технологии моделирования сложных систем. Системное моделирование .21
1.3. Объекты структурных исследований. Примеры их построения и использования при решении задач системного моделирования
1.3.1. Примеры задач структурных исследований связанных с моделями системной динамики 28
1.3.2. Примеры задач структурных исследований связанных с моделями метода графов связей • 38
Выводы ,50
ГЛАВА 2. Разработка требований к системе языковых и программных средств структурных исследований .51
2.1. Моделирующий центр как среда проведения структурных исследований 51
2.2. Языки обработки графов 55
2.3. Метод разработки программных средств на основе абстрактных типов данных 62
2.4. Требования предъявляемые к системе языковых и программных средств структурных исследований .69
Выводы 80
ГЛАВА 3. Разработка архитектуры системы языковых и программных средств структурных исследований 81
3.1. Состав и функции компонент системы языковых и программных средств структурных исследований 82
3.2. Логическая организация среды хранения информации пользователя 87
3.3. Пакеты прикладных программ как элементы прикладного программного обеспечения системы языковых и программных средств структурных исследований 90
3.3.1. Типы организации пакетов прикладных программ 91
3.3.2. Модель предметной области пакета прикладных программ. Форма обращения к пакету 94
3.4. Язык пользователя системы языковых и программных средств структурных исследований 98
3.4.1. Операторы действия 99
3.4.2. Справочные операторы 102
3.4.3. Служебные операторы 105
3.5. Взаимодействие монитора с информационно справочной службой 109
Выводы ИЗ
ГЛАВА 4. Пакеты прикладных программ системы языковых и программных средств структурных исследований 114
4.1. Агрегация понятий 115
4.2. Операции обработки понятий 1
4.2.1. Модели декомпозиции и агрегации понятий 119
4.2.2. Реализация операций обработки на основе моделей понятий 125
4.3. Организация хранения экземпляров понятий в среде хранения информации 131
4.4. Пакеты прикладных программ сложной структуры 133
4.5. Требования к системе управления программами и
данными в интерактивной среде 139
Выводы 142
ГЛАВА 5. Опыт реализации программного обеспечения структурных исследований 144
5.1. Состав и особенности функционирования БСМЦ СОД/СИМ.. 145
стр.
5.2. Формы организации прикладного программного обеспечения БСМЦ СОД/СИМ 150
5.3. Опыт применения БСМЦ СОД/СИМ для разработки ШШ структурных исследований 155
5.4. Использование ШШ структурных исследований при
расчете систем подачи и распределения воды 163
5.4.1. Применение ШШ при исследовании схемы системы водоснабжения 165
5.4.2. Применение ШШ для построения математической модели системы водоснабжения
1 5.5. Перспективы развития БСМЦ СОД/СИМ 175
5.6. Методика разработки ШШ СПС/СИ в операционной среде БСМЦ СОД/СИМ 178
Выводы 181
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 183
ЛИТЕРАТУРА 185
Введение к работе
В настоящее время важное место в решении вопросов повышения эффективности управления сложными системами,внедрения результатов моделирования в научную и хозяйственную практику занимает организация моделирующих центров (МЦ).Выполнение структурных исследований как одного из этапов системного моделирования связано с разработкой и эксплуатацией комплексов информационного и программного обеспечения, которые строятся с использованием языковых и программных средств, средств интеграции и проблемной ориентации, предлагаемых МЦ.В связи с этим особое значение приобретают вопросы построения системы языковых и программных средств структурных исследовании (СПС/СИ),основанные на анализе предметной области и процесса структурных исследований, существующих средств интеграции и проблемной ориентации.Разработка такой системы позволяет определить целесообразные формы организации специализированных средств Щ.
Диссертационная работа выполнялась по программе научных исследований, предусмотренных координационным планом АН СССР по проблеме "Системный анализ,исследование операций и имитационное моделирование" (1.12.8)Л1роблематика и результаты диссертационной работы определялись также договорами о научно-техническом сотрудничестве ЛЭТИ им.В,И.Ульянова (Ленина) с Техническим университетом и Высшей инженерной школой Г.Дрездена (ІДР) на 1975-1984 г.г.
Настоящая работа является составной частью исследований по проблемам технологии и инструментальных средств системного моделирования, выполняемых в ЛЭТИ им.В.И.Ульянова (Ленина) в рамках хоздоговоров с организациями г.Ленинграда.
Существенное влияние на содержание и задачи диссертационной работы оказали научные труды В.М.Брябрина, Ю.А.Бухштаба, А.А.
Вавилова, Д.М.Івишиани, С.В.Емельянова, А.П.Ершова, В.В.Калашникова, Б.Лисков, Н.Н.Моисеева, А.А.Самарского, Б.Г.Тамма,Э.Х.Ты угу.
Целью диссертации является разработка научных основ построения СПС/СИ,определение путей реализации СПС/СИ и пакетов прикладных программ (ШШ),функционирующих под управлением СПС/СИ в условиях МЦ.
В диссертационной работе получены и выносятся на защиту следующие новые научные результаты:
1. На основе анализа процесса и объектов структурных исследований, современных средств разработки программного обеспечения сформулированы требования к СПС/СИ,которые учитывают концептуальный уровень специалистов,выполняющих структурные исследования в МЦ.
2. Определены и обоснованы архитектурные принципы построения СПС/СИ как системы,предназначенной для управления функционированием совокупностью ПШІ в процессе структурных исследований,для хранения и предоставления по запросам пользователя результатов работы ППП. Разработан машинно-независимый язык высокого уровня для управления ШШ.Предложено использовать интерактивную среду в качестве среды функционирования СПС/СИ .Выдвинуты требования к системе управления программами и данными в интерактивной среде (СУЦЦИС), предоставляемой МЦ.
3. Предложен способ реализации отдельных операций предметной области ППП на основе "Понятий".Дано формальное определение термина "Понятие" как типа данного,снабженного специальным набором операпий.Введены модели декомпозиции и агрегации понятий.Реализация операций на основе этих моделей обеспечивает множественность форм хранения понятий,независимость реализаций операций от форм хранения понятий.
4. Разработан унифицированный алгоритм функционирования ШШ, вшюлнящий непроцедурное планирование вычислительного процесса. Алгоритм учитывает особенности динамических,статических,неоднозначных и однозначных ШШ и позволяет кодировать ШШ на распространенных языках высокого уровня без использования специальных систем построения ШШ.
5. Предложена методика разработки ШШ СПС/СИ с ручным и автоматическим планированием вычислительного процесса, обеспечиващая реализацию ШШ в машинно-независимой форме. Предложенная методика ориентирована на использование возможностей СУІЩИС, которая в настоящее время реализуется при участии автора для МЦ ЦНИИ "Румб" и ГОИ им.С.И.Вавилова.
Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в следующем:
1. Предложен эффективный комплекс средств построения, и управления функционированием программного обеспечения структурных исследований. Наличие в составе СПС/СИ развитых возможностей для проблемной ориентации программного обеспечения,х ранения информации пользователя и выдачи справочной информации позволяет организовывать работу пользователей МЦ на уровне понятий, операций над понятиями, экземпляров понятий,связей между экземплярами понятий.
2. Обеспечен широкий выбор средств программирования ШШ СПС/СИ за счет использования интерактивной среды в качестве среды функционирования СПС/СИ,что позволяет применять на практике современные языковые и программные средства структурных исследований,
внедрять в промышленности новые перспективные приемы структурных исследований.
3. Методика и средства разработки ШШ, предложенные в диссертации, обеспечивают стандартную технологию изготовления ШШ и могут ,применяться для построения однозначных, неоднозначных, статических
и динамических ШШ структурных исследований.
4. За счет использования множественности форм хранения понятий, независимости реализаций операций над понятиями от их форм хранения обеспечено активное применение средств существующих фондов алгоритмов и программ в процессе создания ШШ.
5. Использование в языках высокого уровня непроцедурного способа автоматического планирования вычислительного процесса, предложенного в диссертационной работе, позволяет повысить качество, надежность и общезначимость разработок, значительно снизить затраты на реализацию управляющей части ШШ (в случае однозначных ШШ такие затраты практически отсутствуют).
Были реализованы ШШ структурных исследований КОНТУР,ПУТИ, ДОСТИЖИМОСТЬ, СВЯЗНОСТЬ. Расчетный годовой экономический эффект от эксплуатации этих ШШ составляет 29,3 тыс.рублей (по методике, утвержденной "Центрпрограммсистем" от 18.12,1980г.). ШШ внедрены в эксплуатацию в составе прикладного программного обеспечения моделирующих центров ГОИ им.С.И.Вавилова и ЦНИИ "Румб".
Диссертационная работа состоит из введения,пяти глав,заключения и списка литературы.
В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ с позиций системного подхода и системного анализа рассматриваются вопросы моделирования сложных систем: основные методы моделирования и типы моделей; проблемы технологии моделирования; системное моделирование; структурные исследования в системном моделировании; примеры задач структурных исследований, возникающих в связи с построением и использованием формальных схем системной динамики,графов связей и системных графов для описания и исследования сложных систем.
В качестве типов моделей сложных систем рассматриваются аксиоматические, статистические, оптимизационные и имитационные модели. Каждый тип моделей характеризуется назначением,схемой составления и областями использования.
Проблемы технологии моделирования рассматриваются в связи с развитием наук о системах, совершенствованием инструментальной базы исследований сложных систем на ЭВМ,опытом реализации системных проектов .Выделяются два аспекта технологии - методологический и практический. В центре внимания находится задача о путях и способах раскрытия обусловленности функционально-целевых свойств сложных систем их организацией.На методологическом уровне решение такой задачи связано с созданием концептуальных схем исследований на конкретном - с построением программных средств,обеспечивающих решение практических задач на ЭВМ в соответствии с данной концептуальной схемой.
Рассматривается конкретная концептуальная схема технологии,в рамках которой определяются задачи построения и использования стратифицированных ансамблей неизбыточных формальных структур моделирования крупномасштабных составных систем в ракурсах феноменологии их различных свойств.Практическое воплощение этой концептуальной схемы в машинную технологию решения прикладных задач составляет программу системного моделирования по А.А,Вавилову.
Системное моделирование как технология решения задач системного анализа на ЭВМ использует специальные приемы, в числе которых: последовательное раскрытие неопределенности моделей, функционально-целевая интеграция,неизбыточность и однозначность представлений оценок системных свойств и другие.
Важную роль в задачах системного моделирования играют вопросы исследования сложных систем на структурном уровне их описания. Главу заключают примеры объектов и задач структурных исследований, построенные применительно к моделям линейных стационарных составных систем,моделям системной динамики и графам связей.Показано, каким образом различные феноменологические модели сложных систем преобразуются в модели для структурного анализа, выполняемого методами теории графов, теории матриц комбинаторики.
ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ рассматриваются вопросы,связанные с организацией структурных исследований в МЦ, определяется место СПС/СИ в составе программного обеспечения МЦ,предлагается обзор языковых и программных средств,которые могут иметь применение в задачах структурных исследований сложных систем, формулируются требования к СПС/СИ.
МЦ является человеко-машинной системой,организационная структура, операционные возможности и инструментальная база которой обеспечивают эффективную разработку и использование прогрессивных технологий системного моделирования.Системное моделирование в целом и,в том числе, структурные исследования имеют итерационный ха-рактер.Процесс обработки информации и анализ результатов конечными пользователями или системными аналитиками могут привести например, к необходимости расширения (сужения) задачи исследований, переформулировке задачи, предварительному решению ряда других задач. Этим объясняется необходимость иметь в составе МЦ систему СПС/СИ,языковые средства которой соответствуют концептуальным уровням конечных пользователей и системных аналитиков МЦ и, кроме того, остаются однородными при изменении объектов и методов исследования.
Для обработки информации ,представляемой в форме графов, разработаны языки обработки графов (ЯОГ) .Анализ ЯОГ показал, что эффективность их применения к задачам на графах повышается в условиях МЦ за счет использования интегрирующих возможностей МЦ. Однако и в рамках МЦ проблемная ориентация ЯОГ отвечает только концептуальному уровню прикладных программистов.
Метод программирования, базирующийся на абстрактных типах данных (АТД),позволяет создавать программное обеспечение, обладающее
- II свойствами модульности, независимости от внутренних форм хранения данных и,в принципе, соответствующее концептуальным уровням системных аналитиков и конечных пользователей. В работе обоснована перспективность метода АТД для построения программных компонент СПС/СИ.
Главу заключает перечень основных требований, предъявляемых к СПС/СИ.
В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ предлагаются основные архитектурные решения по реализации СПС/СИ.В состав СПС/СЙ входят: монитор, информационно-справочная служба (ИСС), среда хранения информации (СХИ) пользователя и ШШ. Монитор, ИСС и СХИ являются универсальными компонентами СПС/СИ,которые настраиваются на работу с конкретной конфигурацией ШШ в зависимости от информации,заложенной в СХИ. ШШ СПС/СЙ составляют предметно-ориентированную часть СПС/СИ.
В качестве СХИ предлагается использовать интерактивную среду, которая обеспечивает требуемый режим доступа к хранимым объектам, интегрированное использование языковых и программных средств различных типов на машинно-независимой основе,пригодна для хранения компонент СПС/СИ.
ШШ СПС/СИ представляют собой программные средства, реализующие операции над проблемно-ориентированными понятиями.Поскольку ШШ работают в СЇЇС/СИ под управлением монитора,а автоматизацию межмодульного интерфейса в ШШ обеспечивают средства интерактивной среды, в СПС/СИ различаются ШШ простой и сложной структуры в зависимости от наличия в них средств автоматического планирования вычислений.
Динамическое формирование монитором обращений к ШШ связано с унификацией обращений к ШШ.Предлагается оформлять ШШ СПС/СИ как подпрограммы с фиксированным числом параметров,которые формируются по разработанным правилам.
Монитор СПС/СИ предназначен для приема и расшифровки директив пользователя СПС/СИ, организации их выполнения на основе взаимодействия с ЇЇЕІЇІ и ИСС,выдачи выходных сообщений пользователю,Воз-можности ШШ описываются для пользователя множеством типов взаимосвязей между экземплярами понятий предметной области пользователя. Состояние СХИ в конкретный момент времени отражается для пользователя через множество экземпляров понятий и множество связей между ними,Формирование состояния СХИ производится при помощи операторов языка пользователя (ЯП) СПС/СИ.
Б работе описывается синтаксис и семантика операторов ЯП СПС/СИ, раскрывается взаимодействие монитора,ИСС и ШШ СПС/СИ в процессе выполнения операторов ЯП СПС/СИ,определяются функции ИСС, показывается,что ИСС можно рассматривать как составную часть монитора, действия которой закрыты для пользователя.
В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ рассматриваются вопросы, связанные с построением ШШ СПС/СИ,формально определяется термин "Понятие" как АЗД, множество операций доступа к которому ограничено специальными операциями,
В работе предлагается способ построения программных средств, реализующих операции обработки понятий (операции, не являющиеся операциями доступа) на основе моделей декомпозиции и агрегации понятий, операций доступа к понятиям .Этот способ позволяет активно использовать существующие программные фонды, обеспечивает множественность форм хранения экземпляров понятий.
В настоящее время средства непроцедурного планирования вычислительного процесса встраиваются в системы построения ШШ.С целью построения ШШ СПС/СИ сложной структуры в работе предлагается непроцедурный способ кодирования на распространенных языках высокого уровня ШШ, выполняющих планирование вычислений, Разработан унифицированный алгоритм работы управляющей части ШШ, учитывающий особенности однозначных, неоднозначных ,статических и динамических ППП.К языку программирования, который применяется для кодирования этого алгоритма, предъявляется единственное требование: в нем должна существовать возможность передачи управления по метке, являющейся элементом некоторого массива.
В основе алгоритма работы управляющей части ППП сложной структуры лежит использование трех процедур: ПЛАН,ВЫБОР,МОДИФИКАЦИЯ. Процедуры ПЛАН и МОДИФИКАЦИЯ носят универсальный характер. Они предоставляются программисту, применяющему данный способ построения ППП. Процедура ВЫБОР должна отражать специфику предметной области ППП. Она применяется только в случае неоднозначных ППП.
Главу заключает перечень требований к интерактивной среде, выдвинутых в процессе разработки архитектуры СПС/СИ и способа построения ППП СПС/СИ.
В ПЯТОЙ ГЛАВЕ исследуются вопросы, связанные с реализацией СПС/СИ в условиях реальной системы управления программами и данными в интерактивной среде (СУЦЦИС).
В качестве СУПДИС используется система СОД/СИМ, которая разработана в ЛЭТИ им.В.И.Ульянова (Ленина) при участии автора. В условиях ограничений, накладываемых СОД/СИМ, разработаны формы организации ППП, основанные на использовании возможностей макросредств СОД/СИМ. Показана нецелесообразность реализации монитора и ИСС СПС/СИ в существующей версии СОД/СИМ.
Разработан унифицированный алгоритм функционирования ППП для структурных исследований в СОД/СИМ, обеспечивающий работу пользователя на уровне проблемно-ориентированных понятий. Реализованные в соответствии с этим алгоритмом ШШ КОНТУР,ДОСТИЗШ(ЮТЬ,ШЩЮС СВЯЗНОСТЬ, СЕРВИС предназначены для решения задач на орграфах. Модели предметных областей ППП включают более 30 стандартных величин, основанных на б понятиях. Объем реализации ППП составил 9 тыс. операторов.
Рассматривается пример использования ШШ при технико-экономических расчетах систем водоснабжения. Разработанные ППП обеспечивают проведение структурных исследований, направленных на качественное решение вопроса о пригодности предлагаемого варианта системы водоснабжения по надежности функционирования и правильности структуры системы водоснабжения.В работе также предлагается алгоритм автоматизированного построения линейной математической модели системы водоснабжения, использующей возможности ППП.
Описывается проект развития СОД/СИМ и предлагается способ построения СПС/СИ в операционной среде СОД/СИМ, обладающей новыми расширенными возможностями .Предлагается методика построения ШШ СПС/СИ.
Теоретические и методические рекомендации диссертации используются при изучении спецкурсов "Алгоритмизация и управление производственными системами", "Алгоритмизация сложных систем и системное моделирование" в ЛЭТИ им.В.И.Ульянова (Ленина),материалы диссертации вошли в учебное пособие / 81 /,включены в отраслевые методические рекомендации ЦНИИ "Румб" за 1984 г.
