Введение к работе
Актуальность темы. В последние два с половиной десятилетия большую значимость приобрели вопросы автоматизации расчетных работ в отдельных приложениях динамики систем и теории управления, в частности, в области исследования динамики и проектирования систем управления сложными движущимися объектами (СУ СПО). к числу которых относятся внеатмосферные астрономические обсерватории, орбитальные телескопы, спутники связи и другие объекты ракетно-космической техники.
Методологическую базу автоматизации расчетных работ на ЭВМ составляет сформировавшееся в программировании к концу 70-х голов самостоятельное научное направление, связанное с разработкой и применением методо- и проблемно-ориентированных программных систем, получивших название пакетов прикладных программ (ППП).
Источником идей нового направления следует считать проблемы программной реализации на ЭВМ численных методов решения задач математической физики, сформулированные впервые А.А.Самарским и Н.Н.Яненко в начале 70-х годов. Очень скоро стало понятно, что ППП являются эффективным инструментом решения расчетных задач и что методология ППП применима и во многих других проблемных областях.
Большую роль для становления и развития пакетной проблематики сыграл семинар по комплексам программ математической физики под руководством академика Н.Н.Яненко. Координация работ по пакетной тематике осуществлялась в рамкаї Научного совета АН СССР по комплексной проблеме "Математическое моделиров?.нке" (председатель совета- академик А.Н.Самарский) Инструментально-технологические вопросы обсуждались на заседаниях Комитета по технологии программирования и инструментальных средств вычислительного эксперимента (председатель комитета В.И.Легоньков) і-екции программного обеспечения математического моделирования упомянутого Научного совета. Хорошо известны таллинская школа Э.Х.Тыугуи ее направление исследований по пакетам с автоматическим синтезом программ. В Иркутском ВЦ (ныне Институт динамики систем и теории управления) СО РАН, в котором выполнена данная работа, пакетная тематика была активно поддержан! его первым директором В.М.Матросовым и с конца 70-х годов стала одним из научных направлений деятельности коллектива.
Наряду с уже упомянутыми именами, с историей формирования и развития пакетной проблематики связаны имена таких исследователей, как А.С.Алеьееев, О.Б.Арушанян, М.М.Бежанова, С.Н.Васильєв, В.М.Глушков, Н.Н.Говорун, .М.М.Горбунов-Посадов. А.Л.Дородницын. Ю.Г.Евтушенко. А.П.Ершов, В.Д.Ильин, В.П.Ильин, В.М.Ковеня, А.Н.Коновалов, Д.А.Корягин, С.С.Лавров, В.В.Липаев, Г.И.Марчук, О.Н.Перевозчикова, Г.С.Поспелов, И.В.Поттосин, И.В.Сергиенко, Л.Н.Столяров,
Б.Г.Тамм, Л.Н.Тихонов, Ю.И.Шокин, В.М.Фомин, Л.И.Эрлих и др. Из числа зарубежных следует отметить коллектив специалистов из Германии, известный под названием «Группа ПАКЕТЫ ПРОГРАММ» (П.Бахманн и др.), а также такие имена, как Ф.П.Брукс, Б.Лисков, Д.Л.Парнас к др.
В 80-х годах пакетная проблематика как в целом, так и для задач автоматизированного проектирования систем управления объектами разной природы переживает период бурного развития. Главным результатом этих исследований является осознание к концу 80-х годов (К.И.Острей, Г.С.Поспелов и др.) того факта, что одним из важнейших направлений дальнейшего развития систем автоматизации проектных расчетов является использование средств и методов искусственного интеллекта, а также создание на этой основе инструментальных систем (интегрированных системных сред, FrameWork, WorkBanch) для автоматизации разработки и применения пакетов программ нового поколения, относящяхся к классу гибридных интеллектуальных ' систем. В таких пакетах, называемых нами сокращенно пакетами знаний, возможности традиционных ППП тесно увязаны с возможностями экспертных систем, аккумулирующих опыт исследования и проектирования, а построенная на основе знаний инструментальная система (ИС) обеспечивает настройку на особенности проблемной области (ПО), требования специалиста, по управлению, позволяет расширить функциональные возможности за счет подключения новых прикладных модулей, содержит сервисные программные средства для быстрого создания и эффективного использования пакетов знаний. Дальнейшее развитие и опыт работ в этой области показывает, что отмеченная тенденция не является случайной и носит устойчивый характер.
Методы и формы организации таких гибридных интеллектных систем и инструментальных сред для их построения в большой степени зависят от особенностей ПО. В этих условиях представляются актуальными и малоисследованными вопросы разработки и применения,специализированных инструментальных средств, ориентированных на специфические требования и сложившиеся стереотипы технологии решения задач анализа и проектирования СУ СДО.
Основной целью диссертации является исследование и разработка интегрированной системной интеллектнон программной среды для автоматизации процессов конструирования, отладки, модификации, комплексирования и поддержки функционирования пакетов знаний, а также применение этих инструментальных средств для создания на единой методологической и инструментально-технологической платформе комплекса пакетов программ компьютерного моделирования, динамического анализа и параметрического синтеза систем управления некоторых объектов ракетно-
1На наш взгляд, терминологически правильнее говорить об интеллектных системах (т.е. использующих методы и средства искусственного интеллекта).
космической техники.
Методология исследования опирается на основные положения системного анализа, методы теории программирования, искусственного интеллекта, дискретной ма-ісматики, теории управления.
Научная новизна. Предложена методология и разработано инструментальное обеспечение, ориентированное на автоматизацию процессов разработки п применения пакетов программ для исследования динамики и синтеза СУ СДО. Характерно]! особенностью методологии является тесная интеграция средств и методов инженерия знаний, программной т'нженерии и доказательного программирования (в смысле \. II. Ершова).
Практическая значимость. Разработанная среда позволяет научным работникам, инженерам-проектировщикам (специалистам в области управления движением) самостоятельно, без участия высококвалифицированных системных программистов, накапливать в памяти компьютера большие массивы разнородных знанні и эффективно использовать эти зніния для решения возникающих задач. В конечном счете, применение разработанного инструментария сокращает трудозатраты на разработку и отладку системной компоненты пакетов программ, повышает качество и сокращает сроки выполнения необходимых динамических расчетов.
Внедрение. Результаты диссертационной работы являются обобщением двадцатилетней научно-производственной деятельности соискателя.
Исследование, разработка и применение рассматриваемых в диссертации программных средств выполнены в течении 1975-1998г.г. по заданию директивных органов (ГКНТ СССР, ГКВТИ СССР, президиум РАН, ГК при СМ СССР по ВПВ) в рамках следующих основных плановых тем Иркутского ВЦ СО РАН: ДИНАМИКА (1978-1980г.г.); РАУС-СО, РЕЗАРИН-СО, РЕЙД-CO, XS1096352 (1981-1985г.г.); РАПИД-СО (1981-1990г.г.); РАБКОР-СО, РАКУРС-CO, N0186.0096390 (19S6 1990г.т.); РАВНЕНИЕ-МОП, N01.9.10.0067440 (1991-1995 г.г.). Игследовани? и разработка ИС САТУРН для персональных компьютеров выполнялись также в рамках ГНТП "Информатизация России" (проект N 222.30, 1991-1995г.г.; проект 037.02.296.108/1-96, 1996-1998г.г.), а также поддержаны двумя грантами РФФИ (проект N95-07-19045, проект N98-01-00160). Темы приняты соответствующими межведомственными комиссиями. ППП ДИАНА и ИС САТУРН для МВК ЭЛЬБРУС-1 К2 приняты в ГосФАП (per.номера П006822 и 50910000253, соответственно). Версия ИС САТУРН для персональных компьютеров типа IBM PC/AT «регистрирована в РосАПО (свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ N960294). ИС САТУРН применена в ИДСТУ СО РАН для разработки десяти ППП научно-промышленного нашачения. Разработанные программные системы внедрены
в двенадцати научно-исследовательских организациях и научно-пршышленных объединениях. Результаты исследований и автор отмечены премией ГК при СМ СССР, дипломом III степени на конкурсе прикладных работ СО АН СССР и тремя медалями Федерации космонавтики России.
Апробация. Основные результаты работы докладывались на III Всесоюзной Чета-евской конференции по устойчивости движения, аналитической механаке и управлению движением (Иркутск, 1977), на Сибирских семинарах по динамике управляемых космических объектов (Новосибирск, 1978, 1981, 1983, Иркутск, 1986, Красноярск, 1988, Томск, 1990), на Советско-финском симпозиуме "Интерактивные системы" (Тбилиси, 1979), на школах по технологии разработки ППП (Иркутск, 1979,1980, 1981, 1989, Владивосток, 1982, Томск, 1984, Ярополец, 1987, Адлер, 1991), на II Всесоюзной конференции "Автоматизация производства пакетов прикладных программ и трансляторов" (Таллин, 1983), на всесоюзных конференциях "Диалог ЧЕЛОВЕК-ЭВМ" (Протвино, 1983, Серпухов, 1984, Свердловск, 1989), на VIII Всесоюзной конференции по комплексам программ математической физики (Ташкент, 1983), на Конференции рабочей группы по ППП комиссии стран СЭВ по научным проблемам вычислительной техники (Тбилиси, 1983), на III Международной конференции "Искусственный интеллект и информационно-управляющие системы роботов" (Чехословакия, 1984J, на научной конференции с участием ученых из социалистических стран "Проблемы искусственного интеллекта и распознавания образов" (Киев, 1984), на V Всесоюзної конференции по управлению в механических системах (Казань, 1985), Втором Всесоюзном совещании "Моделирование авиационных космических кибернетических систем* (Сухуми, 1985), на Школе-семинаре по комплексам программ матфизики (Шушенское, 1986), на III Всесоюзной конференции по технологии программирования (Киев, 1986), на совещаниях Комитета по технологии программирования и программным средстіам вычислительного эксперимента (Красноярск, 1987, Ленинград, 1989), на Республиканском семинаре "Численные методы и средства проектирования и испытания элементов РЭА" (Таллин, 1987, 1989), на Всесоюзном научно-техническом семинаре по управлению движением и навигации специальных летательных аппаратов (Куйбышев, 1988), на Научно-практическом семинаре "Программные системы в автоматшации проектирования изделий машиностроения" (Ижевск, 1988), на Научно-техническом совете ЦНИ-ИАГ (1988, 1989), на семинаре Кафедры математического обеспечения ЭВМ (ЛГУ, 1988), семинаре ВЦ СО РАН (1988), на II Всесоюзном совещании "Комплексирова-ние систем управления движением" ( Тбилиси, 1988), Городском (еминаре по программированию (Ленинград, 1989), на IV Всесоюзной научной конференции "Системы баз данных и знаний" (Калинин, 1989), на школе-семинаре "Программные изделия-89" (Одесса, 1989), на всесоюзных школах "Автоматизация созданш матобеспечения
и архитектуры систем реального времени" (Иркутск. 1990, Саратов, 1992), на Все-соючном совещании "Экспертные системы" (Суздаль, 1990). на Всесоюзной научно-технической конференции "Интеллектуальные системы в машиностроении" (Самара, 1991), на Международном семинаре ''Методы и программное обеспечение для систем автоматического управления" (Иркутск, 1991), на VI Всероссийском семинаре по управлению движением и навигации летательных аппаратов ('Самара, 1993), на Всероссийской школе "Компьютерная логика, алгебра и иктоллектное управление" (Иркутск, 1994), на IV Национальной конференции с международным участием "Искусственный ичтеллект-94" (Рыбинск, 1991), на IV Международной конференции "Прикладная логпка-95" (Иркутск, 1995), на Всероссийской конференции "Новые информационные технологии в исследовании дискретных структур" (Екатеринбург, 1996), на II Международном симпозиуме "Интеллектуальные системы (ИНТЕЛС'96)" (Санкт-Петербург, 1996), на семинарах ИДСТУ СО РАН (Иркутск).
Личный вклад автора. Рассматриваемые в диссертации исследования и практические работы выполнены в руководимой автором лаборатории "Технология разработки прикладных программных средств" ИДСТУ СО РАН в рамках обозначенных ранее плановых тем. по которым автор являлся отвек гвенным исполнителем и научным руководителем (или соруководителем). Лично автором выполнен обзор по пакетной проблематике, разработаны методологические основы авюматкзацип процессов разработки и применения пакетов вычислительных знаний для решения задач анализа динамики и проекіирования О СДО. сформулированы требования и выполнено проектирование всех программных систем, реализованы начальные версии ряда программных систем ц выполнены расчетные работы по анализу динамики и синтезу параметров нескольких систем управления спецобъектами. Разработка последующих версий выполнялась совместно с сотрудниками лаборатории и под руководством автора.
Публикации и структура работы. Содержание диссертации отражено в 70 публикациях в виде статей в научных журналах, препринтов, трудов и тезисов докладов конференций, семинаров и совещаний. Более детальное изложение выполненных исследований содержится в 77 научно-исследовательских отчетах ИДСТУ СО РАН и технической документации на разработанные по плановым темам программные сиг темы.
Диссертация содержит введение, пять глав, заключение, библиографию. 24 рисунка и 1 таблицу. Общий объем работы 2-7?) страниц .
