Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРИНЦИПОВ ОРГАНИЗАЦИИ И
ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММНЫХ СИСТЕМ
Введение .-
Общие принципы организации программных систем .-
Организация программных систем на макро уровне . ,
Организация программных систем на микро уровне .„
Методология проектирования программных систем „
Заключение
ГЛАВА 2. МЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММНЫ СИСТЕМ Введение
42
2.1.Анализ предметной области ,,
Требования к математическим моделям .,
Моделирование предметной области .д
Построение концептуальной модели .,
Анализ построения модели на микро уровне. Построение конечно-элементной модели .0
Анализ построения модели на макро уровне. Процесс лучистого теплообмена - <-
2.2. Объектный анализ процесса построения модели _й
2.3. Проблемно-ориентированный язык - язык управления
вычислениями ,_
Иерархия наследования базового класса CComplexModel .,
Иерархия наследования базового класса CTask Ді.
Классы базовой библиотеки ЯУВ ,-
Методы класса CTask
Методы класса CFEMTask
Методы класса CRevTask
о/
Методы класса CRadiantTask
Методы класса CComplexModel _, 2.3.4. Создание классов-наследников базовой библиотеки ЯУВ R.
Создание классов-наследников класса CFEMTask и производных от них классов R,
Создание классов-наследников класса CComplexModel и производных от них классов „,
2.4. Инструментальные средства проектирования и реализации
прикладных программных систем 8fi
2.4.1. Примеры создания комплексных моделей с помощью
библиотеки классов ЯУВ „_
о/
Пример проектирования и реализации термоупругой задачи gg
Пример проектирования и реализации обратной задачи 94
Пример проектирования и реализации сопряженной задачи 99
Методология проектирования прикладных программных систем 102
Заключение . .-ГЛАВА 3. ОТКРЫТАЯ ОБЪЕКТНО-ОРИЕНТИРОВАННАЯ БИБЛИОТЕКА КЛАССОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ
Введение ..
Архитектура объектно-ориентированной библиотеки классов для создания математических приложений ..
Категория классов «Комплексная модель» ...
Категория классов «Задача». Общие принципы организации программных систем ...
Категория классов «Расчетная модель» ..,,,
Категория классов «Базовая геометрическая модель» ., .
Категория классов «Конечно-элементная геометрическая модель» 137
Категория классов «Поверхностная геометрическая
модель» ,TQ
Категория классов «Расчетный конечный элемент» ...
Категория классов «Функции формы конечных элементов»
Категория классов «Система линейных алгебраических уравнений» ,cq
Заключение ..^ ГЛАВА 4. ОБРАТНЫЕ ЗАДАЧИ В ПОСТРОЕНИИ АДАПТИВНЫХ МАТЕМ АТИЧЕКСИХ МОДЕЛЕЙ 60 Введение 1СП
Граничные обратные задачи в построении адаптивных ММ .,.
Построение ММ для нахождения коэффициентов чувствительности граничных обратных задач ]Я^
Формирование дискретной модели для нахождения коэффициентов чувствительности граничных обратных задач to_
Коэффициентные обратные задачи в построении адаптивных MM ]0-
Построение ММ для нахождения коэффициентов чувствительности коэффициентных обратных задач 1Q,
Результаты численных экспериментов _„,
Общая методика восстановления граничных условий и физических параметров адаптивных ММ ...
Заключение
ГЛАВА 5. ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ ПРИКЛАДНЫХ
ПРОГРАММНЫХ СИСТЕМ И ИХ АДАПТАЦИЯ К РЕЛЬНЫМ УСЛОВИЯМ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Введение 214
5.1. Программный комплекс моделирования элементов
ядерного реактора 215
257
Приложение №1.1 _ с 0
Приложение №1.2
Приложение №1.3
Приложение № 1.4
Приложение №1.5
Приложение №2
Приложение №3
Программно-аппаратный комплекс диагностики системы торможения
Программная система моделирования тепловых процессов разного уровня детализации
Оптимизация конструкции технического объекта на основе базового варианта 22о
Программная система моделирования технологических процессов
Заключение ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ПРИЛОЖЕНИЯ
Введение к работе
Актуальность темы
Актуальность настоящих исследований определяется тенденциями развития методов и средств разработки и проектирования программных систем. В развитии программной технологии начинается новый виток эволюции, связанный с переходом от низкоуровневых методов и технологий исследований программных систем к высокоуровневому анализу их построения. Все больше внимания в работах и на конференциях уделяется концептуальным расширениям программных систем, и все меньше - их функциональному анализу.
Получившая развитие в середине 80-х годов парадигма структурного проектирования уступила место в 90-х годах объектно-ориентированным методам анализа и проектирования, обладающих своей потенциальной возможностью множественного использования. Большой вклад в развитие и становление объектно-ориентированной методологии внесли Буч Г., Румбах Дж., Джекобсон А., Шлеер С, Меллор С, Коад, Йордан Э., Оделл, Бадд, Мартин, и др. [51, 71, 94, 96, 153]. Из работ российских авторов выделим работы Семенова В.А. [128-132], проведенные в Институте Системного Программирования РАН, и направленные на решения задач вычислительной математики на основе объектно-ориентированной методологии.
Однако, несмотря на такое обилие исследований, до сих пор практически нетронутой областью для использования объектно-ориентированной технологии остается область проектирования и разработки прикладных программных систем. При разработке прикладных программных систем многообещающие механизмы объектно-ориентированной технологии, такие как классы, наследование, инкапсуляция и т.д., остаются либо практически не востребованными, либо используются для создания лишь низкоуровневых конструкций.
Данная проблема связана с изменением парадигмы, что в свою очередь требует проведения неформального анализа предметной области, позволяющего использовать механизмы объектно-ориентированной технологии на более высоком уровне абстракции, чем те конструкции, которые соответствуют уровню абстракции универсальных языков программирования (C++).
С другой стороны, к современным прикладным программным системам, предназначенным для решения важных наукоемких задач, предъявляются все возрастающие требования как к детализированному анализу процессов в исследуемых технических системах [104, 105, 106, 125, 134], так и к обеспечению интеграции отдельных моделей в целостную интегрирующую структуру [50,136].
Возможности аппаратных средств вычислительной техники создают предпосылки для реализации все более крупных проектов, в которых центральное место занимают математические приложения. Однако отсутствие методологической основы для разработки прикладных программных систем с использованием современных информационных технологий является сильным сдерживающим фактором при разработке и проектирования программных систем такого класса.
Именно объединение этих направлений - исследований по созданию математического и программного обеспечения, направленного на детальный анализ процессов в технических системах, где объектами их описания являются уравнения в частных производных, и объектно-ориентированных методов анализа с их потенциальной возможностью множественного использования - определяет актуальный характер настоящей работы.
Целью работы является разработка методов и средств проектирования и разработки прикладных программных систем, обеспечивающих их множественное использование, а также детализированный анализ технических объектов и систем на микро и
макро уровнях, и направленных на решение важных хозяйственных задач. Исследования, проведенные в настоящей работе, имели многоплановый характер и включали в себя как теоретические и методологические исследования, основанные на системном анализе, теории обратных задач, конечно-элементном анализе, объектно-ориентированной методологии, так и практические результаты разработки многоуровневой инструментальной среды и прикладных программных систем для решения важных задач в различных технических отраслях.
Научная новизна. Научная новизна работы и основные положения выносимые на защиту.
1. Методология проектирования и разработки прикладных адаптивных
программных систем, основанная на совокупности системных и объектно-
ориентированных принципов и поддерживающая все этапы жизненного
цикла программной системы.
Проблемно-ориентированный язык программирования, позволяющий создавать исследователю высокоуровневые объектно-ориентированные конструкции, для формирования заданного типа задач, и организации и развития собственных библиотек расширения.
Открытая объектно - ориентированная библиотека классов, составляющая ядро многоуровневой инструментальной среды, и являющаяся конструктивной основой для разработки прикладных программных систем различного назначения.
Принципы организации процесса вычислений и его реализация, позволяющая обеспечить хранение или пересчет данных и тем самым оптимизировать процесс вычислений, исходя из согласования требуемых и предоставляемых ресурсов ЭВМ.
Разработанные модели и методики для решения граничных и коэффициентных обратных задач, позволяющие создавать адаптивные программные системы.
6. Внедренные в различных технических отраслях модели и прототипы прикладных программных систем с возможной адаптацией их к реальным условиям эксплуатации, и направленные на решение важных хозяйственных задач.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается:
Использованием надежных методов исследований, основанных на объектно-ориентированной методологии, конечно-элементном анализе и теории решения обратных задач.
Проведением вычислительных экспериментов и тестовых расчетов, сопоставлением результатов численных расчетов с аналитическими и численными результатами других авторов, известных из литературы.
Проведением сертификации и регистрации разработанного программного обеспечения.
Апробацией и обсуждением результатов работы на международных и всероссийских научных конференциях; рецензиями, полученными на монографию, рецензированием и предварительной экспертизой научных статей, опубликованных в ведущих научных журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Практическая ценность. На основе предложенной методологии с использованием реализованной инструментальной среды были разработаны прикладные программные системы, решающие важные хозяйственные задачи.
Среди них выделим следующие: 1. Программная система расчета и оптимизации температурного поля в пресс форме, предназначенной для изготовления лопастей винтов из композиционного материала. С помощью разработанной программной системы был проведен анализ и предложена конструкция технологической оснастки, позволяющая устранить неравномерность температурного поля в
заданных областях. Заказчик: ОАО НПП «Аэросила» (г. Ступино, Московская обл.).
Программно-аппаратный комплекс диагностики теплового состояния системы торможения авиационных колес. Заказчик: Авиационная корпорация «Рубин» (г. Балашиха, Московская обл.).
Программная система моделирования и прогнозирования распределения твердости в процессе термообработки.
Программный комплекс расчета теплового состояния турбонасосного агрегата для двигательных установок многократного использования. Заказчик: Ракетно - космическая корпорация «Энергия» им. С. П. Королева (г. Королев, Московской обл.).
Программный комплекс расчета и анализа теплового и напряженно-деформированного состояния элементов фланцевых разъемов оборудования первого контура ядерного реактора. Заказчик: Генерирующая компания концерн «Росэнергоатом» (г. Москва).
Апробация работы.
Разработанное программное обеспечение «Термоупругость-2Б», «Термоупругость - 3D», было зарегистрировано в Российском агентстве по правовой охране программ для ЭВМ, баз данных и топологий интегральных микросхем (РоАПО). Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ соответственно № 940167 и № 970088.
«Программный комплекс диагностики теплового состояния системы торможения авиационных колес» экспонировался на международной выставке в г. Москве («Международный авиационно-космический салон» август-сентябрь 1997 г.).
Зарегистрированное ПО «Термоупругость-ЗО» было награждено серебряной медалью на Международной выставке «Архимед - 2000» в 2000 г.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международных и всероссийских конференциях и
семинарах: YI Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта, 1997 г., YII Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта, 1998 г., IX Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта, 2000 г.; X Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта, 2001 г., XI Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта, 2002 г.; XII Международном научно-техническом семинаре «Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации», Алушта, 2003 г.; VI Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы приборостроения, информатики, экономики и права», Сочи, 2003 г.
