Введение к работе
Актуальность проблемы. Основными инструментами для регистрации изображений и спектров космических объектов на наземных оптических телескопах являются фотоприемные камеры на основе матричных фотодетекторов научного класса. С развитием технологий создания многоканальных приемников излучения все большую роль в наблюдательной астрономии играет эффективный сбор, обработка и передача данных большого объема.
В настоящее время для наблюдений предельно слабых источников практически не применяются массовые фотоприемные камеры из-за неудовлетворительных фотометрических характеристик. С этой целью разрабатываются и применяются специальные фотоприемные системы.
Только крупные обсерватории, например, такие как Европейская Южная Обсерватория (ESO, Европа), Национальная Обсерватория Оптической Астрономии (NOAO, США), Национальная Астрономическая Обсерватория Японии (NAOJ, Япония), Специальная астрофизическая обсерватория Российской Академии наук (САО РАН, Россия), имеют возможность комплексно разрабатывать высокоточные и высокостабильные фотоприемные устройства (ФПУ, в состав которых входит фотоприемная криостати-руемая камера, контроллер камеры и интерфейс связи с компьютером) и программное обеспечение для управления камерой и потоком видеоданных.
Самостоятельная разработка специального программного обеспечения (СПО) для ФПУ позволяет эффективно использовать все возможности камеры в процессе астрономических наблюдений и является распространенной практикой из-за небольшого выпуска изготавливаемых систем (два-три ФПУ в год) и специфических требований к каждому устройству.
Требования к скорости, точности и надежности передачи информации в фундаментальной астрономии существенно выше по сравнению с системами технического зрения в промышленности и в быту. Данные не должны теряться и подвергаться даже минимальному (в один бит) искажению информации, которое может резко снизить научную ценность наблюдения.
Сопровождение существующего СПО привело к ситуации, когда внесение необходимых изменений в действующую систему порождает ошибки, что приводит к потере невосполнимого ресурса — наблюдательного времени, а применение несистематических (ad hoc) методов при создании программного обеспечения для новых типов высокоскоростных фотоприемных камер ограничивает разработку и не решает всех поставленных задач. Программные сбои в работе приводят к потере уникальных (повторно не воспроизводимых) наблюдательных данных. Поэтому проблема повышения эффективности специального программного обеспечения для астрономических наблюдений за счет снижения числа отказов является весьма актуальной.
В настоящее время все ответственные программные системы для сбора, обработки и передачи данных являются параллельными (concurrent) приложениями и относятся к классу реагирующих (reactive) систем.
Из-за повышенной сложности и недетерминированности методы разработки асинхронных параллельных реагирующих приложений отличаются от методов создания последовательных систем, и определяются используемой моделью поведения. Поведение реагирующих систем, как правило, выражается с помощью моделей, основанных на переходах состояний.
Среди таких моделей в первую очередь необходимо выделить автоматный подход А.А.Шалыто для создания программных и аппаратных систем со сложным поведением. Суть парадигмы автоматного программирования состоит в представлении и реализации программ в виде совокупности автоматизированных объектов управления, каждый из которых состоит из системы управления (один или несколько взаимодействующих управляющих конечных автоматов) и объекта управления.
Для реагирующих систем автоматный подход обладает наибольшей эффективностью, однако эта технология имеет следующие недостатки: в ней недостаточно проработаны вопросы асинхронного и параллельного взаимодействия программных объектов, ее графическая нотация не позволяет описывать функциональные требования к системе.
Степень разработаности темы исследования. Наибольший вклад в формирование и развитие методов создания реагирующих систем оказали исследования D. Harel, I.Jacobson, B. Douglass, B. Selic, H. Gomaa, А.А.Шалыто, R.Williams, M.Samek, C.Andre.
Теоретические основы разработки систем для получения и передачи астрономических данных представлены в работах N.C.Buchholz, R.Karban, G. Chiozzi, R. Cirami, L.Andolfato, E. Pozna, I. Oya, C.Cumani, K. Honscheid, A. Farris, B. Li, N. Tamura, J.-C. Lopez-Ruiz, V. S. Dhillon.
Тема создания реагирующих программных систем, в том числе и для получения и передачи данных от различных устройств, является весьма проработанной. Однако аспекты асинхронности и параллельности реагирующих систем сбора астрономических данных изучены недостаточно.
Целью работы является разработка метода проектирования и реализации параллельных реагирующих программных систем, который позволяет снизить время создания и сложность сопровождения программного обеспечения для получения и передачи астрономических данных, а также повышает эффективность наблюдений на крупнейшем в Евразии оптическом телескопе БТА (Большой телескоп азимутальный) САО РАН.
Основные задачи диссертационной работы состоят в следующем:
-
Введение новых концепций асинхронного и параллельного взаимодействия в парадигму автоматного программирования.
-
Создание метода проектирования и реализации параллельных реагирующих программных систем на основе автоматного подхода.
-
Построение языка автоматного программирования для описания поведения асинхронных параллельных объектов.
-
Создание алгоритмов и шаблонов реализации взаимодействующих программных объектов на языках программирования с многопоточ-ностью и обработкой событий.
-
Разработка программного комплекса, реализующего созданные алгоритмы, для практического применения в качестве основы для конструирования программных систем получения и передачи астрономических данных от различных типов фотоприемных устройств.
Научная новизна диссертационного исследования состоит в следующем.
-
Получено обобщение концепции автоматных объектов за счет построения расширенных графов переходов состояний и объединения идей инкапсуляции и параллельного реагирования.
-
Получен новый способ представления поведения реагирующих программ системой взаимодействующих автоматных объектов, причем, в отличие от ранее предложенных способов, допускается как иерархическое, так и кооперативное мультиагентное взаимодействие между объектами.
-
Разработан новый язык автоматного программирования CIAO (Cooperative Interaction of Automata Objects) для описания механизмов кооперативного взаимодействия, асинхронности и параллельности в классе реагирующих систем.
Методы исследований. В работе используются методы теории конечных автоматов, теории языков программирования и теории формальных грамматик, методы автоматного программирования, методы объектно-ориентированного анализа и проектирования систем, методы параллельного и асинхронного программирования. Предложенные методы и алгоритмы реализованы в виде комплекса программ и шаблонов реализации, разработанных на языке программирования C++.
Положения, выносимые на защиту:
-
Метод проектирования и реализации асинхронных параллельных реагирующих систем ReSyD (Reactive Systems Design) на основе модели взаимодействующих автоматных объектов.
-
Новый язык автоматного программирования CIAO для проектирования асинхронных параллельных реагирующих систем, реализующий иерархическое и кооперативное взаимодействие автоматных объектов.
-
Расширяемый набор шаблонов реализации взаимодействующих программных объектов на языке C++.
-
Результаты применения на практике языка CIAO и набора шаблонов, подтверждающие безотказность работы и снижение времени создания и сложности сопровождения программного обеспечения.
Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций, полученных в диссертации, опирается на использование формальных методов исследуемой области и подтверждается реализацией, тестированием
и использованием разработанных моделей, алгоритмов и программных модулей, а также долговременным практическим применением созданных программных систем.
Теоретическое значение работы состоит в разработанных языке CIAO для описания кооперативного взаимодействия автоматных объектов и методе ReSyD для проектирования и реализации асинхронных параллельных реагирующих систем. Предложенный способ описывать поведение не одним автоматным объектом, а системой взаимодействующих автоматных объектов предоставляет кооперативное, а не только иерархическое взаимодействие между объектами, и эта схема обеспечивает предельную общность выделения типов интерфейсов в рамках объектно-ориентированной парадигмы.
Практическая значимость работы.
-
Внедрение шаблонов реализации взаимодействующих программных объектов в действующую программу сбора данных и управления фотоприемным устройством в составе многорежимного фокального редуктора первичного фокуса SCORPIO показало наилучшие характеристики по безотказности по сравнению с предшествующими системами. Использование новой версии программы с июня 2016 г. по май 2018 г. в режиме постоянной эксплуатации продемонстрировало 0 отказов.
-
Применение полученных моделей и алгоритмов позволило на 20% сократить сроки разработки и отладки программного обеспечения для широкого спектра высокоскоростных фотоприемных устройств.
-
Разработаны рекомендации по практическому использованию созданных метода и языка автоматного программирования для описания, обсуждения, реализации и исследования асинхронных параллельных систем, все результаты опубликованы.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: Всероссийской астрономической конференции «От эпохи Галилея до наших дней» ВАК-2010, Нижний Архыз, САО РАН, Россия; Международной астрономической конференции «Настоящее и будущее малых и средних телескопов» SMT-2015, Нижний Архыз, САО РАН; XXIV международной научно-технической конференции по фотоэлектронике и приборам ночного видения, 2015, Москва, АО «НПО «Орион»; Международной астрономической конференции «Физика звезд: от коллапса до коллапса», 2016, Нижний Архыз, САО РАН; XLVI научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО, 2017, Санкт-Петербург, ИТМО; VIII Всероссийской научной конференции «Системный синтез и прикладная синергетика», 2017, Нижний Архыз, САО РАН; городском семинаре «Информатика и компьютерные технологии», 2017, Санкт-Петербург, СПИИРАН; Всероссийской астрономической конференции «Астрономия: познание без границ» ВАК-2017, Ялта, Крым; The 11th International Conference on Security of Information and Networks (SIN 2018), 2018, Кардифф, Великобритания; конференции «Информационные технологии
в управлении» (ИТУ-2018) в составе 11-й Российской мультиконференции по проблемам управления (РМКПУ-2018), 2018, Санкт-Петербург, АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор».
Внедрение результатов работы. Результаты работы использовались при разработке программ сбора данных от фотоприемных устройств, которые задействованы в наземных оптических наблюдениях на телескопах обсерваторий России и других стран:
-
Специальная астрофизическая обсерватория РАН (Россия), с 2006 г.
-
Алтайский оптико-лазерный центр им. Г.С.Титова (Россия), с 2008 г.
-
Бюраканская астрофизическая обсерватория Национальной академии наук Республики Армения, с 2016 г.
4. Обсерватория Пико дос Диас (Бразилия), с 2017 г.
Специальное программное обеспечение, использующее разработанные
модели и алгоритмы, применяется для получения данных и управления тремя типами фотоприемных устройств, которые с 2014 г. серийно изготавливаются для работы в составе оптико-электронного комплекса обнаружения и измерения параметров движения космического мусора (ОЭК ОКМ).
Личный вклад автора. Работа продолжает развитие концепции автоматных объектов, предложенной Ф.А.Новиковым. Решение задач диссертации, разработанные метод, язык, алгоритмы и практическая реализация программных систем принадлежат лично автору.
Публикации. По теме диссертации опубликовано девять печатных работ, в том числе три из них в журналах из списка рекомендованных ВАК, и две, входящие в международные реферативные базы данных и системы цитирования Web of Science и Scopus.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений. Полный объем текста составляет 137 страниц с 44 рисунками и 8 таблицами. Список литературы содержит 171 наименование на 17 страницах.