Содержание к диссертации
Введение
1. Мультиверсионное программное обеспечение информационно-управляющих систем 11
1.1. Специфика программного обеспечения информационно-управляющих систем 11
1.2. Мультиверсонная методология формирования гарантоспособного программного обеспечения информационно-управляющих систем 31
2. Модели формирования структурно-сложного программного обеспечения информационно-управляющих систем 42
2.1. Проблемы формирования подсистем и структур информационно-управляющих систем 45
2.2. Оптимизационные модели формирования мультиверсионного программного обеспечения информационно-управляющих систем 53
2.2.1. Формирование оптимального состава модулей однофункциональной мультиверсионной программной системы 55
2.2.2. Формирование оптимального состава модулей однофункциональной мультиверсионной программной системы с избыточностью 59
2.2.3. Формирование оптимального состава модулей многофункциональной мультиверсионной программной системы 61
2.2.4. Формирование оптимального состава модулей многофункциональной мультиверсионной программной системы с избыточностью 63
3. Поддержка принятия решений при выборе состава мультиверсионного программного обеспечения информационно-управляющих систем 67
3.1. Комбинированная процедура поддержки принятия решений по составу структурно-сложного программного обеспечения информационно-управляющих систем 67
3.2. Формирование исходного множества возможных вариантов мультиверсионного программного обеспечения 69
3.3. Многоатрибутивные методы выбора состава мультиверсионного ПО информационно-управляющих систем 72
3.3.1. Линейный метод назначения 73
3.3.2. Метод простого суммарного взвешивания 78
3.3.3. Метод ELECTRE 83
3.3.4. Метод упорядоченного предпочтения через сходство с идеальным решением 93
4. Система поддержки принятия решений при формировании структурно-сложного программного обеспечения мультиверсионных информационно-управляющих систем 100
4.1. Программная реализация системы поддержки принятия решений... 100
4.1.1. Интерфейс программной системы 101
4.1.2. Концептуальная схема 104
4.1.3. Логическая структура системы 105
4.1.4. Описание функционирования системы 107
4.1.5. Руководство системного программиста ...107
4.1.6. Руководство программиста 108
4.1.7. Руководство оператора 108
4.1.8. Примеры решения задач и анализ результатов 109
4.2. Формирование структурно-сложного программного обеспечения в системе обработки информации космического комплекса связи ГОНЕЦ-М 111
4.2.1. Общие проблемы формирования структуры АСУ летательными аппаратами 111
4.2.2. Выбор лучшего варианта формирования структурно-сложного программного обеспечения космического комплекса связи ГОНЕЦ-М 114
Заключение 118
Список использованной литературы 120
- Мультиверсонная методология формирования гарантоспособного программного обеспечения информационно-управляющих систем
- Формирование оптимального состава модулей однофункциональной мультиверсионной программной системы с избыточностью
- Формирование исходного множества возможных вариантов мультиверсионного программного обеспечения
- Примеры решения задач и анализ результатов
Введение к работе
Развитие современных информационно-управляющих систем характеризуется повышением сложности входящего в их состав программного обеспечения, которое реализует функции обработки данных и выдачи соответствующих управляющих воздействий к объектам управления. Связано это с тем, что объекты и сами системы управления могут быть распределены в пространстве, обладать избыточностью основных элементов и подсистем, процесс управления может вовлекать сложные расчеты данных большого объема. Повышение уровня сложности программного обеспечения информационно-управляющих систем требует увеличения количества контролируемых параметров или атрибутов, характеризующих процессы его функционирования.
Информационно-управляющие системы в таких критичных приложениях, как авиационная, ракетно-космическая техника, атомная промышленность, химическое производство, сложные системы электроснабжения должны обладать высоким уровнем надежности. Отказ системы управления в указанных областях может привести к значительным финансовым потерям и нанести урон здоровью людей.
Как показывают исследования последних лет, надежность информационно-управляющих систем существенно зависит от надежности их программного обеспечения. Применяя методологию мультиверсионного проектирования и реализации программных средств, можно не только обеспечить заданный уровень надежности, но и гарантировать отказоустойчивость информационно-управляющей системы.
Мультиверсионное формирование программного обеспечения информационно-управляющих систем основывается на введении программной избыточности, что позволяет создавать системы, реализующие своих функции даже при отказе отдельных компонент.
Избыточность и многофункциональность информационно-управляющих систем определяют сложную структуру программного обеспечения. Дополнительные версии модулей, задача максимизации надежности, финансовые и технические ограничения ставят перед проектировщиком задачу многокритериального принятия решений при выборе оптимального состава мультиверсионного программного обеспечения. Методы многоатрибутивного принятия решений, ориентированные на класс задач, где множество альтернатив дискретно и конечно, позволяют произвести выбор лучшей альтернативы из всего множества вариантов формирования программного обеспечения.
Создание программного обеспечения информационно-управляющих систем, а также его развитие и модификация происходит согласно спецификации, что позволяет привлекать к разработке мультиверсионных компонент непосредственно специалистов по управлению. Однако зачастую произвести выбор лучшего варианта лицу, принимающему решение, сложно ввиду большого количества альтернатив. В связи с этим возникает техническая проблема - создание средств автоматизации принятия решений, а именно, системы поддержки принятия решений, которая бы позволила выбрать оптимальный состав программного обеспечения мультиверсионной информационно-управляющей системы.
Поддержка принятия решения предполагает многовариантность решений. Таким образом, лицу, принимающему решение, для оценки и выбора должны предлагаться несколько лучших вариантов формирования структурно-сложного программного обеспечения мультиверсионных информационно-управляющих систем. Разработка моделей и методов, предназначенных для решения данной проблемы с учетом сложности структуры программного обеспечения, и их реализация в составе системы поддержки принятия решений, является актуальной научной проблемой.
Объектом диссертационного исследования являются
информационно-управляющие системы.
Предмет исследований - структура и состав программного обеспечения мультиверсионных информационно-управляющих систем.
Цель диссертационного исследования состоит в повышении эффективности принятия решений при формировании структурно-сложного программного обеспечения мультиверсионных информационно-управляющих систем.
Поставленная цель достигается путем решения следующих задач:
анализа и формализации задач формирования структурно-сложно го программного обеспечения мультиверсионных информационно-управляющих систем;
разработки процедуры поддержки принятия решений по выбору состава программного обеспечения со сложной структурой, входящего в мультиверсионные информационно-управляющие системы;
исследования многоатрибутивных методов принятия решений и анализа возможности их применения при выборе состава структурно-сложного мультиверсионного программного обеспечения;
разработки алгоритмов работы методов много атрибута в ного принятия решений при выборе оптимального состава мультиверсионного программного обеспечения информационно-управляющих систем;
программной реализация системы поддержки принятия решений при формировании структурно-сложного программного обеспечения мультиверсионных информационно-управляющих систем.
Методы исследования. Основные теоретические и прикладные результаты работы получены на основе методологии системного анализа, теории надежности и мультиверсионного проектирования программного обеспечения. Кроме того, использовались методы оптимизации и много атрибутивного принятия решений.
Научная новизна работы:
Разработан алгоритм отсева по ограничениям, позволяющий формировать множество исходных вариантов программных структур информационно-управляющих систем.
Предложена компенсационная многоатрибутивная модель общего ранжирования альтернатив на основе порядка их предпочтения по отдельным атрибутам и взаимосвязи между ними, позволяющая определить наилучший вариант формирования программного обеспечения мультиверсионных информационно-управляющих систем.
Предложена комбинированная процедура поддержки принятия решений по составу структурно-сложного программного обеспечения мультиверсионных информационно-управляющих систем, позволяющая сформировать исходное множество вариантов программного обеспечения и определить наилучший вариант, которая была реализована в виде системы поддержки принятия решений. Значение для теории. Полученные при выполнении диссертационной
работы результаты имеют существенное значение для развития теории проектирования и разработки программного обеспечения мультиверсионных информационно-управляющих систем, которое отличается многофункциональностью и сложностью структурной организации, а также моделей и методов многоатрибутивного принятия решений, предназначенных для формирования оптимального состава избыточных программных систем.
Практическая ценность. Разработанная в диссертации система поддержки принятия решений при формировании структурно-сложного программного обеспечения мультиверсионных информационно-управляющих систем позволяет автоматизировать процесс выбора оптимального набора программных компонент с учетом специфики сложной структуры. Система позволяет создавать информационно-управляющие
системы, обладающие высоким уровнем надежности, которые могут использоваться в критичных областях науки и производства.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием методологии мультиверсионного проектирования и методов многоатрибутивного принятия решений при обосновании полученных результатов, выводов, рекомендаций и успешной апробацией, а также демонстрацией возможностей разработанной системы поддержки принятия решений при проектировании мультиверсионных информационно-управляющих систем на практике.
Реализация результатов работы. Диссертационная работа выполнялась по проектам межотраслевых программ Минобразования России и Минатома России по направлению «Научно-инновационное сотрудничество» (проект VII-12), а также в рамках тематического плана НИР СибГТУ и НИР НИИ СУВПТ (2005-2006 гг.), финансируемых из средств федерального бюджета.
Программные средства поддержки принятия решений при формировании структурно-сложного программного обеспечения мультиверсионных информационно-управляющих систем были использована при проектировании АСУ космическим комплексом связи на базе космических аппаратов «Гонец-М» в НПО «Прикладная механика» (г. Железногорск).
В диссертационной работе были разработаны три программные системы, предназначенные для формирования оптимального состава программного обеспечения мультиверсионных информационно-управляющих систем. Программные системы прошли экспертизу и зарегистрированы в Отраслевом фонде алгоритмов и программ (ОФАП), что делает их доступными широкому кругу специалистов в области системного анализа и разработки программного обеспечения информационно-
управляющих систем. Перечень зарегистрированных программных разработок приведен в конце автореферата.
Материалы диссертационной работы введены в учебные курсы и
используются при чтении лекций для студентов кафедры Автоматизации
производственных процессов Сибирского государственного
технологического университета по дисциплине «Автоматизированные системы управления», кафедры ЮНЕСКО Сибирского федерального университета по дисциплинам «Многоатрибутивное принятие решений при формировании мультиверсионных программных средств» и «Методы принятия решений в сложных системах».
На защиту выносятся:
Алгоритм отсева по ограничениям принципиально нереализуемых вариантов формирования программного обеспечения информационно-управляющих систем.
Компенсационная многоатрнбутивная модель общего ранжирования альтернатив с учетом взаимосвязи и зависимости атрибутов.
Комбинированная процедура поддержки принятия решений по выбору состава структурно-сложного программного обеспечения мультиверсионных информационно-управляющих систем.
Система поддержки принятия решений, позволяющая автоматизировать процесс выбора оптимального состава структурно-сложного программного обеспечения мультиверсионных информационно-управляющих систем.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы прошли всестороннюю апробацию на международных и всероссийских научных и научно-практических конференциях. В том числе, на V Всероссийской научно-практической конференции «Информационные технологии и математическое моделирование» (Томск, 2006), II научной конференции с международным участием «Приоритетные направления
развития науки, технологий и техники» (Египет, Шарм-эль-Шейх, 2006), Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования высшей школы» (Сингапур, 2007), Восьмой Всероссийской научно-технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий» (Улан-Удэ, 2007), VI Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные недра Кузбасса. IT-технологии» (Кемерово, 2007).
Диссертационная работа в целом обсуждалась на научных семинарах Сибирский государственный технологический университет, Сибирского государственного аэрокосмического университета, а также НИИ Систем управления, волновых процессов и технологий (2005-2007 гг.).
Мультиверсонная методология формирования гарантоспособного программного обеспечения информационно-управляющих систем
Технические и программные средства информационно-управляющих систем должны обладать высокой надежностью, что может быть обеспечено посредством избыточности, В работе [S] выделяются три формы избыточности, которые используются в той или иной степени для решения задачи повышения надежности: аппаратную, программную, временную.
Аппаратная избыточность должна предупредить отказы аппаратных средств ЛВС, а программная и временная — случайные сбои. Программная избыточность включает применение специальных контрольных программ и контрольных кодов, предусматриваемых протоколами связи в ЛВС. Временная избыточность подразумевает многократное исполнение нротрамм для отдельных функций, надежность которых должна быть особенно высокой.
Практической иллюстрацией комплексного использования методов и средств контроля передачи информации и технического состояния средств ЛВС может служить предложенная в работе [70] система межмашинного обмена в распределенном вычислительном комплексе реального времени, включающем ЭВМ различных классов,
Мультиверсионность исполнения программных модулей подразумевает независимую генерацию Аг 2 функционально эквивалентных программ (мул ьти вереи и) в соответствии с идентичными исходными спецификациями. Для этих N версий программ предоставляются средства конкурентного исполнения, в ходе которого в назначенных точках контроля {c-points) программами генерируются вектора сравнения (c-vectors). Составляющие векторов сравнения и контрольные точки предварительно определены еще на этапе исходных спецификаций [59-62]. Анализируя результаты исследований последних лет в области рассматриваемой методологии, можно выявить три составляющих элемента мультиверсионного программирования, которые являются базовыми при синтезе отказоустойчивого программного обеспечения.
1- Процесс спецификации и мультиверсионного программирования (N-version programming— NVP), который предполагает гарантию независимости и функциональной эквивалентности N индивидуальных процессов программирования.
2. Результат (мультиверсионное программное обеспечение — N-version software или NVS) NVP- процесса, для которого имеются в наличии средства конкурентного исполнения со специфицированными точками контроля и с-векторалт.
3. Внешние средства поддержки исполнения мультиверсий ПО (N-version executive или NVX), которая обеспечивает исполнение NVS и предусматривает алгоритмы принятая решений в контрольных точках.
Все три элемента NVP объединены целью независимой и конкурентной генерации N 2 функционально эквивалентных программных компонент, которые затем будут исполнены и будет принято решение о правильности функционирования ПО. В этих элементах совершенно нет необходимости в случае использования одной версии программы, таким образом, концепция NVP (как подход к созданию отказоустойчивого ПО) вводит такие новые направления исследований в области инженериига программного обеспечения, как NVP, NVS, NVX.
При анализе структуры мультиверсионного ПО необходимо отметить, что существенное отличие между многоканальными аппаратными средствами и отказоустойчивым ПО заключается в том, что простое дублирование одних и тех же элементов при проектировании является эффективным против случайных ошибок, имеющих физическую природу, в технических системах, но не эффективно при отказах ПО. Простое копирование это также и копирование їшбнаружешшх; на дашшй момент ("сгт-щга") ошибок в программах, поэтому N программных компонент должны разрабашдагься очдельно и независимо друг от друга, что и соответствует концепции избыточного проектирования ПО.
Формирование оптимального состава модулей однофункциональной мультиверсионной программной системы с избыточностью
Формирование оптимального состава модулей од нефункциональной мультиверсиошгой программной системы с избыточностью
Вторая рассматриваемая в работе ситуация соответствует случаю, когда мультиверсионная программная система выполняет одну, но наиболее важную (критическую по отказоустойчивости) функцию. Отказ ПО и, следовательно, данной функции системы может привести к очень серьезным негативным последствиям. В такой модели (модель А-2) отказоустойчивость программного обеспечения достигается путем введения в систему избыточных версий каждого модула. Соответственно, ограничения на стоимость системы, выполняющей такие функции, должны быть достаточными, чтобы позволить избыточность модулей.
Цель модели А-2 - определить оптимальный состав модулей с учетом избыточности версий, максимизируя надежность мультиверсионной программной системы, не нарушая рамки стоимостных ограничений.
Сформулируем задачу, аналогичную описанной выше, но разрешив избыточность версий модулей ПО.
Надежность /-го модуля определяется как вероятность того, что по крайней мере одна из т, версий выполняется правильно, а совокупность ограничений гарантирует, что для каждого /-го модуля выбрана по крайней мере одна версия. Один из вариантов решения данной задачи - использование алгоритма динамического программирования, который для приведенного выше числового примера (модель А-1 с ограничениями по стоимости - 10) дает оптимальное решение Х$х = 1,Хц = = 1, 12= - U а полная надежность мультиверсионной программной системы равна 0,9359.
Согласно предложенному алгоритму определим состояние программной системы S как допустимую стоимость и состояние / для отражения /-го модуля (/ = 1, .,., я). Тогда RS(S) - надежность мультиверсионной программной системы, составленной из модулей /, / = 1, ..., п. Задав S в качестве допустимых стоимостных затрат, имеем (В - S) -возможные затраты,разрешенные для модулей 1,..., і- 1.
Рскурсиви ая формула для R&S) при максимизация производится по значениям Хф таким, что выполняется
По заданным і состояния 5, Й должны рассчитываться но всем S в последовательности
Формирование оптимального состава модулей многофункциональной мультиверсионной программной системы
Рассмотрим модель формирования оптимального состава модулей многофункциональной (К функций) мультиверсионной программной системы без введения избыточности (модель В-1).
Теперь программная система состоит из нескольких программ, каждая из которых выполняет свою функцию. Каждая программа содержит рад модулей. Программы могут вызываться соответствующими функциями программной системы, а модули - любой программой. Цель этой модели состоит в определении оптимального набора модулей для программ без использования избыточности таким образом, чтобы надежность мультиверсионной программной системы была максимальна при заданных ограничениях по стоимости.
Через Sfc обозначим набор модулей, соответствующих программе L Для каждого модуля / е & имеются mh доступных версий. Обратим внимание на то, что один и тот же модуль может вызываться различными программами. Пронумеруем все вызываемые модули числами от 1 до п. Задача может быть сформулирована следующим образом
Формирование исходного множества возможных вариантов мультиверсионного программного обеспечения
Представленный ниже метод, позволяет сформировать мультиверсионную систему из доступных или потенциально возможных элементов, с целью получения высоконадежной системы. Помимо выбора оптимального состава из предоставленных компонентов, предлагаемый метод учитывает возможность формирования отдельных элементов подсистем из мультиверсий, с учетом существующих ограничений реального мира [19]. С помощью предлагаемого метода можно конструировать мультиверсиошюе программное обеспечение информационно-управляющих систем, а также систем коммуникаций, вычислительных систем и т. п.
Будем рассматривать мультиверсионную систему ПО, которая состоит из отдельных программных модулей, реализованных на основе ряда мультиверсий. Отказ любой из подсистем приводит к отказу всей системы в целом. Каждая из подсистем может быть реализована и$$ способами, характеризующимися различными значениями параметров, например, надежностью, стоимостью, ресурсоемкостью и т. п.
Требуется определить вариант системы (т .е. выбрать способ реализации каждого модуля), который доставляет экстремум целевой функции Р и обеспечивает успешное решение всех задач, поставленных перед системой, с вероятностями не ниже заданных ограничений, при этом затраты не должны превосходить заданной границы.
Если результат решения задачи оптимального формирования мультиверсиоппого программного обеспечения неудовлетворителен (т. е. полученная надежность системы мала), но используемые ресурсы исчерпаны не полностью, то можно прибегнуть к дополнительному дублированию элементов подсистемы.
Таким образом, имея целевую функцию и ограничения, мы переходим к формированию оптимального состава мультиверсионной системы. Оптимизация происходит по критерию надежности, тогда как на все оставшиеся технико-экономические параметры накладываются ограничения. Ограничение на систему в целом: gp(v) gp%(v), где/; - критерий, на который накладываются ограничения.
Один из подходов решения проблемы выбора является следующий итерационный алгоритм.
Шаг 1. Поочередно производится отсев по каждому из критериев. Для этого, рассматривая каждый критерий, для каждого из п модулей упорядочим все типы мультиверсий по возрастанию, согласно значений рассматриваемого критерия. Сумма первых значений упорядоченных типов мультверсий, представляет необходимый минимум ресурсов для формирования мультиверсионной системы. Очевидно, что эта сумма должна быть меньше ограничения на текущий критерий, как необходимое условие существования допустимых решений.
Шаг 2. Определение «допуска» для каждого модуля. Он вычисляется по формуле &gp =gp - g/, где g - сумма элементов первого столбца. Все мультиверсий у-го модуля, превосходящие значение «допуска», отбрасываются и в дальнейшем уже не рассматриваются, Шаг 3. Рассмотрев все критерии, выполняем следующую итерацию (переход на шаг 1).
Алгоритм заканчивается, когда отсева мультиверсии больше не происходит. Может, однако, случиться и так, что все мультиверсии будут отброшены, в этом случае необходимо выполнить один или оба из следующих пунктов;
1. Расширить наложенные на систему ограничения;
2. Использозать менее ресурсоемкие мультиверсии в модулях.
Данный алгоритм позволяет произвести отсев мультиверсии, которые не могут быть использованы при формировании мультиверсионного программного обеспечения информационно-управляющей системы из-за существующих ограничений. Таким образом, из всех возможных вариантов формирования остаются лишь потенциально возможные. Следующим этапом является определение оптимального состава мультиверсионного ПО информационно-управляющей системы. Для этого используются многоатрибутивные методы принятия решений,
Примеры решения задач и анализ результатов
Ниже показаны исходные данные н результат расчета различных методов использованных в программе.
Пример 1
Начальные данные: xl х2 хЗ -х4х5 хб 0.2 0.1 0Л 0.1 0.2 0.3
al 2.0 1500 20000 5.5 5 9
а2 2.5 2700 18000 6.5 3 5
аЗ 1,8 2000 21000 4-5 7 7
а4 2.2 1800 20000 5.0 5 5
Где al - а4 это альтернативы, а хі-хб атрибуты.
При расчете в методе упорядоченного предпочтения через сходство с идеальным решением
Результат: Out alternatives: al, аЗ, а4, а2 здесь видно что альтернатива al наиболее предпочтительна, а а2 наименее предпочтительна. При расчете тех же данных в линейном методе назначения мы получим на выходе результаты: Out alternatives: аЗ, а4, al, а2 Можно сделать вывод что разные методы могут выдавать различные решения и какой метод использовать решает оператор.
Пример 2
Начальные данные: xl х2 хЗ 0.2 0.1 0.1 al 2.0 1500 200 а2 2,5 2700 180 аЗ 1.8 2000 210 а4 2.2 1800 200 ПО При расчете в методе ELECTRE мы получим результат: Out alternatives: а2, а4, аЗ, al При методе простого суммарного взвешивания: Out alternatives: а2, а4, аЗ, al, 4.2. Формирование структурно-сложного программного обеспечения в системе обработки информации космического комплекса связи ГОНЕЦ-М
В настоящее время на практике функционирует большое количество конкретных вариантов АСУ активными подвижными объектами, отличающихся друг от друга как объектом управления (АСУ технологическими процессами, АСУ подготовкой и пуском ракеты-носителя, АСУ производством и т.п.), так и автоматизируемыми функциями управления (системы автоматизации проектирования, гибкие автоматизированные производства и т. п.)- В качестве объекта исследования такого, как АСУ летательными аппаратами (ЛА) могут рассматриваться самолеты и космические аппараты (КА) различных классов [33,36,49].
Анализ показывает, что процесс функционирования современных АСУ ЛА характеризуется высокой интенсивностью изменения как условий выполнения целевых задач, стоящих перед ЛА, так и содержанием самих целевых задач. Это вызвано, прежде всего, тем, что в процессе применения АСУ ЛА [33,47]:
- могут появиться новые объекты обслуживания (ОБО) и, соответственно, возникает необходимость в проведении новых операций обмена и взаимодействия;
- могут изменяться ранее поставленные цели, запланированные операции, сроки и условия их выполнения;
- из-за возмущающих воздействий внешней среды может нарушаться плановая работа как ЛА, так и наземного комплекса управления (НКУ), изменяться расход ресурсов на проведение операций.
Для того чтобы в указанных условиях АСУ ЛА успешно выполняла все поставленные задачи, необходимо для каждого ЛА (пункта обслуживания (ПОб), пункта управления (ПУ), входящих в состав НКУ) и всей системы ЛА (НКУ) разрабатывать гибкие способы применения ЛА (НКУ), позволяющие, в зависимости от складывающейся обстановки, оперативно осуществлять перераспределение целей, функций и решаемых задач (алгоритмов) между элементами, подсистемами, уровнями АСУ ЛА.
К таким задачам можно в первую очередь отнести: задачи приема, передачи, хранения, обработки, формирования, планирования и управления ЛА. На рис. 4.6 изображен упрощенный пример постановки и графической интерпретации проблемы распределения функций (задач) управления между бортовым и наземным комплексами управления,
В этом случае возможным вариантам распределения указанных функций соответствуют допустимые пути на графе, изображенном на рис, 4,6. На рисунке изображены варианты аппаратно-программной реализации конкретной функции задачи управления в заданной подсистеме АСУ ЛА,
