Введение к работе
Диссертация посвящена разработке принципов автоматической генерации программ для решения задач определенного класса - моделирования непрерывных процессов. Основу непроцедурных формулировок задач составляют системы эволюционных дифференциальных уравнений, в общем случав, не представленные в форме Ноши. Базу для такой генерации составляют разработанные и исследованные автором формализованные теоретико-графовые модели исходных задач и эффективные алгоритмы планирования вычислений, а также метода синтеза вычислительных операторов и генерации результирующей программа, обеспечивающие высокую степень надежности,эффективности и мобют-ности генерируемых программ. Практическим приложением диссертации является создание на основе проведенных исследования системы автоматической генерации программ для моделирования непрерывных процессов с входным языком, приближенным к традиционной математической записи, использование созданной системы для разработки большое программных комплексов, моделирующих динамические процессы з ядерных энергетических установках а других сложных инженерных объектах, а также использование ее как основы для создания прикладных пакетов автоматизации моделирования различного назначения, о ориентацией на конечного пользователя,
Актуальность проблемы.- Наблюдаемая в настоящее время интенсивная компьютеризация, обусловленная доступность» и значительным здачшением параметров современной вычислительной техники, сопро-воадается резким увеличением числа конечных пользователей, непрофессионалов в области программирования, а также количественным к качественным усложнением решаемых задач. Это ставит перед системным программированием сложные проблемы разработки соответствующих программных средств и технологий, максимально облегчающих процесс общения человека о ЭВМ и в то же время позволяющих эффективно решать актуальные практические задачи, рационально использовать вычислительную технику. Особенно остро эти проблемы стоят в сфере применения ЭВМ для научных и инженерных расчетов, где наиболее вакнуи область образует математическое моделирование динамических процессов, протекающих в различных сложных технических и природних систвмэх и объектах. Достаточно указать на некоторые из области, где необходимы комплексные математические модели динамики:
автоматизация проектирования сложных объектов и их систем управления;
расчеты нормальных и аварийных переходаых процессов для обоснования безопасности натурных испытаний объектов на стендах;
создание тренажеров Потенциально опасных технических объектов.
Разработка и реализация комплексных математических моделей динамики сложных объектов непрерывного типа является длительным и дорогостоящим процзссом. Применение рпя этой цели пакетов прикладных программ снимает проблему лишь частично, поскольку пакетам свойственна довольно узкая специализация и аэсткая заденность принятых в них физических допущений. Традиционные языки непрерывного моделирования для разработки моделирующих программ также мило эффективны из-за весьма жестких ограничений на форму представления исходной формулировки задачи, приведение к которой може* быть сравнимо да трудоемкости с ручным составлением программ. Не решает проблемы и использование систем модульного программирове-ния и инструментальных систем построения пакетов тіша ПРИЗ, если отсутствуют средства автоматической генерации самих модулей. Поэтому актуальной является задача создания системы машинного построения программ, с входным языком математического моделированиес обладающим существенно более высоким уровнем и степенью непроцс-дурности, чем имеющиеся языки аналогичного назначения,,
Целью диссертационной работы является разработка и исследование формальных моделей автоматической генерации программ, вф;ч-ктивных алгоритмов и методов генерации программ моделирования не -прерывных процессов, а также практическая реализация на ЭВМ системы автоматической генерации, основывающейся на разработанных, алгоритмах и методах.
Методика исследования. В раосте примеклются методы построения и исследования математических моделей, основанные на отдельных разделах теории графов, компьютерной алгебры, методов вычислений, теории языков и трансляторов. Теоретические разработке проверялись практически путем программной реализации их в систем^ машинного построения програм;:.
Научная новизна. Построены и исследованы новые формализованные теоретико-графовые модели, отражающие топологическую структуру исходных задач, представляющих собою еволюционныв раврвакэннь »
оиотемы алгеСро-даЗДеренциальных уравнений, включая топологически вырожденные. Разработаны эффективные беспереборные алгоритмы планирования вычислений, позволяющие проверять исходные модели и задачи на структурную корректность и разрешимость по входным и начальным данным, устранять топологические выроадения в системе уравнений, раскладывать исходную задачу в последовательность неразложимых подзадач, формировать план вычисления производных, промежуточных и неинтегрируемых переменных. Введен в рассмотрение класс формализованных моделей систем уравнений регулярного вида, содержащих многомерные массивы. Доказан ряд утверждений относительно корректности и разрешимости задач на таких моделях. Алгоритмы планирования обобщены на этот класс моделей. Разработвны ч исследованы принципы синтеза вычислительных операторов решения конечных уравнений и их систем, базирующиеся на рациональном сочетании алгоритмов компьютерной алгебры, численных методов и техника теории графов. Предложены принципы генерации результирующей программы, обеспечивавшие высокую степень надежности, эффективности и мобильности генерируемых программ. Разработан новый язык математического моделирования МИФ, превосходящий известные языки непрерывного моделирования по степени непроцедурности, уровню и широте круга описываемых задач. Разработана и реализована на персональной ЭВМ система автоматизации моделирования непрерывных процессов САМСОН с входным языком МИФ.
Практическая ценность. Предложенный подход к планированию решения задач на моделях эволюционных уравнений, содержащих производные по времени, может быть использован при разработке новых языков и систем непрерывного моделирования с более широким спектром возможностей, воспринимающих, например, уравнения в частных производных. Разработанные принципы синтеза вычислительных операторов и генерации результирующей программы могут быть полезны разработчикам проблемно-ориентированных систем и прикладных пакетов генерирующего типа. Разработанная система автоматизации моделирования САМСОН может быть использована в качестве инструмента для разработки и отладки крупных комплексов программ для моделирования сложных объектов непрерывного типа, а также как база для построения прикладных пакетов автоматизации моделирования генерирующего типа.
Апробация работа. Основные результаты .диссертации докладывались на:
- б -
і. Всесоюзной конференции "Высокопроизводительные вычислительные системы для комплексных центров математического моделирования", Новосибирск, 1989 г.;
-
П-и Всесоюзном совещании "Методы и программы решения оптимизационных задач на графах и сетях", Новосибирск, 1989 г.;
-
Зональном семинаре "Тренажеры и имитаторы", Пенза,1990 г;
-
Отраслевом семинаре "Тренажеры и моделирующие комплексы", Гатчина, 1990 г.;
-
Советско-американском семинаре "АСУ ТП советских АЭС", Москва, 1990 г.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 5 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 65 наименований и двух приложений. Основной текст (без приложений) изложен на 145 машинописных страницах, содержит 28 рисунков.
