Введение к работе
Актуальность темы.
Научно - технический прогресс в современном производстве характеризуется усложнением конструкций, повышением качества и технико-экономических характеристик выпускаемых изделий, а также расширением номенклатуры изделий, увеличением темпов сменяемости их моделей. Кроме того, ежегодно значительно расширяется номенклатура изделий при одновременном сокращении времени их нахождения в производстве, что требует использования мелкосерийного производства. В этих условиях особую роль начинают играть гибкие автоматизированные производства (ГАП), что позволяет:
резко (в 7-10 раз) повысить производительность труда;
сократить длительность производственного цикла;
повысить технический уровень и качество выпускаемой продукции;
снизить материале- и энергоемкость продукции;
увеличить коэффициент сменности оборудования;
высвободить значительную часть специалистов, работающих на производстве;
сократить производственные площади.
Эффективность применения ГАП в значительной мере зависит от качества используемых в них информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС ГАП).
Характерными особенностями ИИУС ГАП являются:
сложные взаимосвязи структурных элементов, размещаемых на обширной
территории;
способность выполнять возложенные на ИИУС функции при выходе из строя ряда подсистем, блоков или узлов;
значительные затраты ресурсов;
длительные сроки создания ИИУС.
Главной целью при проектировании таких систем является организация оперативного и надежного обмена информацией между элементами, а также сокращение затрат на передачу и обработку данных.
При этом совершенствование современных ИИУС должно производиться не только в области повышения степени автоматизации процессов управления, но и в сфере информационных потенциалов за превосходство над конкурентами в количестве, качестве и скорости получения, анализа и применения информации.
Как показывает анализ практической деятельности, при рациональном использовании средств автоматизации, доля времени на сбор и обработку информации может быть снижена до 10-15%, а общий цикл управления может сократиться в 3-5 раз. Существенно (в 10-100) раз может возрасти достоверность доведения информации.
Устойчивость функционирования ИИУС ГАП в значительной степени определяется свойствами и характеристиками средств передачи данных (каналами связи и др.). Поскольку данные системы обычно строятся на базе уже существующих каналов и сетей связи и передачи данных, вопросы их устойчивости к воздействию помех различного рода решаются при их проектировании и в данной работе не рассматриваются.
Практическая реализация в ИИУС ГАП концепции распределенной системы обработки информации требует решения целого комплекса научно-технических проблем, связанных с созданием общих информационных массивов, пересылки и оперативного их использования, защиты от несанкционированного воздействия, определения номенклатуры технических средств и программных средств в каждом локальном пункте и
ДР-
Состояние проблемы
Существует большое число работ, посвященных ИИУС ГАП, в которых
предлагаются различные модели и методы количественного обоснования
принимаемых решений по выбору рациональных вариантов построения и организации функционирования ИИУС.
В работах В.М. Глушкова, В.В. Слепцова, В.И. Картавцева излагаются основные принципы построения ИИУС ГАП, организация передачи данных и связи, их анализ и синтез. В работе Г.Т. Артамонова и В.Д. Тюрина исследуются влияние топологических характеристик систем на их надежность, пропускную способность, стоимость и ряд других системных характеристик. В работе Г.Ф. Янбых и Б. А. Столярова рассматривается проблема оптимизации физической структуры информационно-вычислительных систем. Математические постановки задач формулируются в терминах нелинейного дискретного программирования. Методы и алгоритмы синтеза и оптимизации структуры централизованных и распределенных систем с единых методологических позиций рассмотрены Ю.П. Зайченко и Ю.В. Гонта, Гарипова В.К..
В работах В.А. Балыбердина предложены единый метод исследования системы вычислительных средств, основанный на выделении и рассмотрении совокупностей взаимодействующих информационных процессов, протекающих в системах вычислительных средств, комплекс аналитических моделей совокупностей информационных процессов для решения задач анализа и методы многоуровневой оптимизации для решения задач синтеза систем.
Работы В.В. Хорошевского, Е.Н. Турута, O.K. Кондратьева посвящены отражению прогресса, достигнутого при решении задач повышения устойчивости информационно вычислительных процессов. Работы А.Г. Мамиконова, В.В. Кульбы, С.К. Сомова, А.Б. Шелкова посвящены решению вопросов повышения достоверности и сохранности программных модулей и информационных массивов в вычислительных системах за счет организации оперативного и восстановительного резервирования.
Практическое решение вопросов синтеза систем и организации их функционирования связано с развитием теории и практики оптимизации, которым посвящены работы О.Г. Алексеева, B.C. Михалевича, И.В.Сергиенко.
Получаемые в процессе синтеза программного обеспечения проектные решения (структура программных модулей, содержание межмодульного интерфейса) определяются обычно без учета наличия взаимосвязей между решаемыми задачами, возможности параллельной реализации отдельных процедур, программных модулей и заявок в целом. По этой причине возникает необходимость в разработке моделей и методов синтеза программного обеспечения, позволяющих преодолеть отмеченные выше недостатки и способных в значительной мере автоматизировать наиболее трудоемкие процедуры проектирования таких систем.
Цель диссертационной работы - повышение эффективности организации вычислительного процесса в ИИУС ГАП. Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
выбрать критерии оптимизации вычислительных процессов в ИИУС ГАП;
разработать математические модели и методы оптимизации вычислительных процессов в верхнем контуре ИИУС ГАП;
разработать математические модели и методы оптимизации вычислительных процессов в нижнем контуре ИИУС ГАП;
провести анализ функционирования ИИУС ГАП в условиях функциональной деградации ее элементов;
адаптировать метод ветвей и границ для решения задач оптимизации
вычислительных процессов в ИИУС ГАП.
Объектом исследования являются информационно-вычислительные процессы в существующих и перспективных ИИУС ГАП.
Предметом исследования являются математические модели, методы и алгоритмы комплексного решения задач оптимизации распределения программных средств в системе вычислительных средств ИИУС ГАП.
Методы исследований
Решение задач диссертационной работы основано на использовании системного подхода, теорий вероятности и случайных процессов, математического моделирования, графов при разработке математических моделей оптимизации вычислительного процесса в ИИУС, теории математического программирования при совершенствовании методов и алгоритмов решения указанных задач.
Научная новизна работы заключается в том, что:
Предложен общий подход к решению задачи повышения надежности и и эффективности функционирования ИИУС ГАП за счет рационального построения в них вычислительного процесса;
Разработаны математические модели оптимизации распределения задач и составляющих их программных модулей по узлам ИИУС ГАП;
Предложены и экспериментально проверены методы анализа разработанных математических моделей оптимизации вычислительного процесса в ИИУС ГАП.
Достоверность результатов диссертационной работы определяется следующими факторами:
Результаты получены на базе теорий вероятностей, графов, с использованием математических моделей, отражающих реальные процессы и системы.
Правильность основных положений, а также возможность практического применения разработанных моделей, методов и алгоритмов подтверждена результатами экспериментов и актами внедрения.
Практическая ценность работы заключается в том, что предложенные методики, методы, модели и алгоритмы могут быть использованы при разработке, эксплуатации и совершенствовании существующих и разрабатываемых ИИУС ГАП; методы и алгоритмы доведены до рабочих программ и позволяют решать широкий круг научно-технических задач.
Положения, выносимые на защиту
Математические модели оптимизации вычислительного процесса на уровне контуров (структурных элементов ИИУС ГАП верхнего уровня), позволяющие осуществлять распределение и перераспределение задач, решаемых в системе на этапах проектирования, эксплуатации и совершенствования ГАП.
Математические модели распределения программных модулей, составляющих решаемые задачи по узлам локальных УВК (структурных элементов ИИУС ГАП низшего уровня).
3. Методика повышения эффективности метода ветвей и границ при решении задач
оптимизации вычислительного процесса на основе применения теории двойственности
для определения порядка ветвления переменных.
4. Методика применения разработанного математического аппарата оптимизации
вычислительного процесса в ИИУС ГАП.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на кафедре «Приборы и информационно-измерительные системы» Московского государственного университета приборостроения и информатики, на двух российских и одной международной научно-технических конференциях.
Личный вклад автора Основные научные результаты, содержащиеся в диссертационной работе, получены автором самостоятельно. В работах, выполненных в соавторстве, соискателю
принадлежит ведущая роль в постановке задач, выборе и обосновании методов их решения, интерпретации полученных результатов.
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ в виде статей в журналах, трудах российской и международных научно-технических конференций, из них 4 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования научных положений диссертационных работ.
Реализация результатов работы.
Результаты исследований внедрены в учебный процесс кафедры «Приборы и информационно-измерительные системы» Московского государственного университета приборостроения и информатики, использованы в НИР, проводимых в ОАО «Центральный научно-исследовательский технологический институт» при разработке, эксплуатации и совершенствовании существующих и разрабатываемых ИИУС ГАП, что подтверждено соответствующим актом об использовании.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа изложена на 149 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 141 наименований, а также включает рисунки и таблицы в количестве 65 шт.
