Введение к работе
Актуальность проблемы. С каждым годом открываются новые горизонты в построении все более совершенных компьютерных систем. Сегодня это RISC-процессоры, высокопроизводительные рабочие станции, сетевые средства коммуникации компьютеров. Расширяются возможности создания приложений с использованием UNIX-подобных платформ, техники визуального программирования, CASE-технологий. Компьютерный мир становится богаче и разнообразнее. Однако в нем все труднее ориентироваться, находить и отстаивать не столь очевидные проектные решения.
Особенно велики затруднения при создании мультикомпьютерных систем (МКС), состоящих из большого числа, в общем случае, удаленных параллельно работающих вычислителей. Именно МКС, известные ранее как распределенные вычислительные системы, представляют собой пока еще недостижимый идеал в развитии мировой компьютерной техники. Между тем, появились реальные предпосылки к практическому осуществлению МКС.
Прежде всего, это опытные образцы параллельных мультикомпьютерных сетей и кластеры рабочих станций. Наконец, это практически неограниченное поле для эффективного внедрения МКС. Особую актуальность приобретают задачи децентрализованного управления крупными народнохозяйственными объектами, такими как, например, электроэнергетические системы, магистральные нефте- газопроводы, уникальные установки для проведения стендовых испытаний.
Вместе с тем, до крупносерийного производства и широкого внедрения мультикомпьютерных систем — еще далеко. Основная причина — дефицит знаний и опыта в области построения, проектирования, производства и эксплуатации МКС возрастающей сложности. Попытки механического объединения разнородных знаний в некоторую единую информационную технологию приводят к неразрешимым формализованным теориям.
Принципиально иной подход состоит в реализации конструктивных механизмов, обеспечивающих целенаправленное приобретение необходимых знаний за счет разумного сужения области формализации и снижения уровня абстрактности их представления.
Сказанное позволяет определить решаемую в диссертации проблему как проблему поискового проектирования мультикомпьютерных систем. Ее суть — в приобретении эмпирических знаний, необходимых для направленного поиска и аргументации проектных решений. В результате открываются возможности самостоятельного продвижения вперед в области создания, обоснованного выбора и эффективного
применения МКС новых поколений, что и определяет актуальность сформулированной проблемы.
Цель работы. Целью диссертации является разработка теоретических основ, методов и инструментальных средств приобретения эмпирических знаний, необходимых для направленного поиска эффективных системотехнических решений на ранних стадиях построения и применения проблемно-ориентированных мультикомпьютерных систем.
Для достижения поставленной цели решаются следующие основные задачи.
-
Определение обобщенной конструкции для отображения плохо формализуемых процессов поискового проектирования МКС.
-
Формирование, в идеале, непротиворечивого поискового пространства по результатам анализа и доопределения архитектуры МКС.
-
Разработка теоретических основ индуктивного вывода и целенаправленного пополнения эмпирических знаний.
-
Преобразование поискового пространства в направлении повышения его содержательной емкости.
-
Создание набора инструментальных средств с подтверждением их работоспособности на конкретных задачах выбора, построения и применения МКС.
Методы исследования. Работа базируется на использовании фундаментальных понятий частично упорядоченных систем, алгебры логики и теории искусственного интеллекта, методов комбинаторики, теории графов, теории группового выбора, распознавания образов, планирования эксперимента, имитационного моделирования, а также методологии крупноблочного параллельного программирования.
Научная новизна. В работе создана методология поискового проектирования проблемно-ориентированных мультикомпьютерных систем, отличающаяся от известных подходов использованием индуктивных обобщений с управляемым ростом достоверности искомого эмпирического знания. Основными особенностями предлагаемой методологии являются следующие выносимые на защиту теоретические положения:
-
формализованное понятие открытой задачи, не критичной к начальному дефициту эмпирических знаний;
-
общеметодологический принцип структурного дополнения, предопределяющий условия эффективного решения открытых задач;
-
схема мультиконвейерных вычислений, составляющая концептуальную основу выбора архитектурных решений для класса МКС с переменной структурой;
- б-
-
основы теории индуктивного продолжения выбора, обеспечивающей управляемый рост достоверности искомого знания;
-
проективные преобразования поискового пространства, позволяющие ставить вес более содержательные открытые задачи с ускоренным выходом на лучшие решения за пределами имеющихся фактов.
Введенный в рассмотрение понятийный аппарат и отмеченная выше совокупность теоретических положений позволили получить ряд новых результатов, среди которых:
а) правила регуляризации архитектур с точностью до структуры обменов и унификации функций управления в классе мультиконвейер-ных МКС';
6) способ представления эмпирических знаний в виде обобщенной
скалярной функции выбора, обладающей свойством "панорамного ви
дения" допустимых решений в поисковом пространстве неупорядочен
ных шкал;
в) беспереборные механизмы "любопытства", обеспечивающие
усиление индуктивных обобщений по всему набору рассматриваемых
причин;
г) конструктивные приемы структуризации индуктивных обобще
ний, совместное применение которых позволяет выйти на уровень поис
ка вариантов системной интеграции МКС;
д) эффект открытия эффективных (не улучшаемых) решений, ус
тойчивых к неблагоприятному сочетанию внутренних параметров
МКС.
Отмеченные нововведения позволяют ориентировать предлагаемую методологию на нахождение конкурентоспособных решений в ла-винонарастающем потоке возможных вариантов построения и применения мультикомпьютерных систем с развитыми средствами проблемной ориентации.
Практическая ценность работы:
-
Развиты научно-методические основы поискового проектирования мультикомпьютерных систем (МКС), представляющих собой один ні наименее изученных объектов мировой компьютерной техники, для которых уже подготовлена база для внедрения во многих отраслях народного хозяйства и промышленного производства.
-
Разработаны концептуальные основы построения нового класса параллельных мультикомпьютерных сетей (ПМК-сетей) как разновидности МКС на основе предложенной абстрактной схемы CoMlMD с точностью до определения архитектурных решений, конструкций входного языка, а также унифицированных средств синхронизации параллельных процессов и организации обменов. Появившиеся в настоящее
- (ї-
время кластеры рабочих станций ряда ведущих фирм (IBM, Sun Microsystems, DEC и др.) открывают дорогу к эффективной реализации и широкому применению ПМК-сетей.
-
Предложены формализованные приемы постановки и методы решения открытых задач, обеспечивающие высокую поисковую активность в приобретении недостающих эмпирических знаний, без которых трудно или невозможно увидеть направления поиска лучших проектных решений при создании и применении новых классов и моделей МКС.
-
Накоплен обширный опыт построения ряда оболочек предметно-настраиваемых экспертных систем индуктивного типа, отличающихся от имеющихся "усилителей интеллекта" (EURISCO, Indusc/2, ИнтС-ДСМ ЭДИСОН, НОВАТОР, "Машина изобретений" и др.) выдвижением эмпирических гипотез и рекомендаций на преобразование поискового пространства, что определяет достаточно широкую область их эффективного применения в поисковом проектировании МКС.
-
Создан комплекс ряда действующих макетов ПМК-сетей и имитационных моделей МКС, сочетающий высокую точность натурных испытаний с разнообразием моделируемых вариантов, что в целом обеспечивает применен и мость разработанных инструментальных средств для оценки эффективности и проверки работоспособности определяемых системотехнических решений.
Реализация результатов работы. Представленные в диссертации разработки получены в результате выполнения хоздоговорных НИР, которые велись под руководством автора на протяжении 20 лет в МЭИ на кафедрах Вычислительной техники и Вычислительных машин, систем и сетей. Весь комплекс проведенных исследований можно охарактеризовать следующим образом:
1 группа НИР (Гос. per. №78033010, №01826007705, №01840040208, 1979-1984) выполнялась в целях создания Государственной сети вычислительных центров в соответствии с комплексной научно-технической программой О.Ц. 025 (задания 03.04, 03.05). Основной результат — методика поискового проектирования региональных сегей ВЦКП, отличающаяся от ранее известных методик учетом показателя структурной живучести с возможностью обеспечения мультиконвейерной обработки больших задач на специализированных узлах сети. В качестве базового инструмента создана Система порождения опорных решений СПОР-3, обеспечивающая приобретение эмпирических знаний на всех этапах применения методики. Методика включена в состав Руководящих методических материалов СТД-07.007, утвержденных ГКНТ СССР в составе типового рабочего проекта ВЦКП 3-ей категории. Пакет программ СПОР-3 официально принят в ГосФАП (Регистр. №0890000497, НПО
ЦЕНТРПРОГРЛММСИСТЕМ). С использованием разработанных средств решены конкретные задачи топологического синтеза и комплек-сирования ряда региональных сетей специального назначения.
2 группа НИР (Гос. per. №01860029970, №01880081789,
№01900014224, 1986-1995) была направлена на создание специализиро
ванных и проблемно-ориентированных мультикомпьютерных систем
(МКС), ориентированных на задачи технической диагностики сложных
объектов, а также на задачи декомпозиционного управления крупно
масштабными объектами топливно-энергетического комплекса
(магистральными нефте-газопроводами и электроэнергетическими сис
темами). Для проверки найденных технических решений созданы: ряд
действующих макетов МКС в виде параллельных мультикомпьютерных
сетей, входной язык ЯРУС и средства интерпретации распределенных
параллельных программ. Выполненные на уровне ОКР разработки ис
пользованы в ОКБ ВТ "СПЕКТР" (г. Рязань), на предприятии ВИРА-
РЕАЛТАЙМ, в ГНЦ "Всероссийский электротехнический институт" на
этапах эскизного и технического проектирования МКС, подготовлен
ных и частично запущенных в серийное производство.
3 группа НИР ведется в направлении дальнейшего совершенство
вания инструментальных средств поискового проектирования и расши
рения сферы их практического применения. В рамках госбюджетной
темы (Гос. регистр. №01910022602, 1991-1995г.г.) и Межвузовских науч
но-технических программ "Перспективные информационные техноло
гии в Высшей школе", ЮНИКОМ/Россия "Университетские сети зна
ний" разработаны: учебная версия Решателя открытых задач, сетевая
экспертная система для активизации познавательной деятельности
группы обучаемых, проект сетевого тренажера коллективного творче-
егва, электронный учебник и расширенная имитационная модель для
изучения параллельных мультикомпьютерных сетей, экспериментальная
технология оценки качества компьютерных программ учебного назна
чения.. Указанные разработки переданы ряду организаций (РосНИИ
информационных систем, Республиканский исследовательский научно-
консультационный центр экспертизы Миннауки РФ, военная академия
ПВО им. маршала Г.К. Жукова; Исследовательский центр проблем ка
чества подготовки специалистов Госкомвуза РФ; и др.) и используются
в их практической деятельности.
Полученные результаты нашли отражение в учебных дисциплинах: "Основы теории ВС, ч. 2", "Проблемно-ориентированные ВС", "Микропроцессоры в системах управления", "Реализация параллельных вычислений". "Поисковое проектирование ВС", поставленных и читаемых автором для студентов специальности 22.01.
Квалификационная характеристика работы. Создана методология поискового проектирования мультикомпьютерных систем, представляющая собой понятийный аппарат, ряд ранее неизвестных теоретических положений и выполненных на их основе научно-технических разработок, совокупность которых можно квалифицировать как новое крупное достижение в развитии перспективного научного направления прикладной теории вычислительных систем.
Апробация работы. Результаты исследований, составляющих содержание работы докладывались и обсуждались на Международной конференции по коммуникационным системам (Дрезден, 1979), на Всесоюзных школах-семинарах по вычислительным сетям (Винница, 1981, Ленинград, 1990), на Всесоюзном НТ совещании "Микропроцессоры в системах управления и связи" (Рига, 1984), на Всесоюзном НТ совещании "Совершенствование функционирования территориальных ВЦКП" (Воронеж, 1985), на Всесоюзной школе-семинаре "Распараллеливание обработки информации" (Львов, 1985), на Всесоюзном НТ совещании "Конвейерные вычислительные системы" (Киев, 1988), на Всесоюзном НТ совещании "Высокопроизводительные вычислительные системы в АСНИ и управлении" (Алма-Ата, 1991), на Международном симпозиуме по распознаванию образов (Москва, 1971), на Всесоюзных конференциях по планированию и автоматизации эксперимента в научных исследованиях (Москва, 1976, 1980), на Всесоюзном научно-практическом семинаре "Интеллектуальное программное обеспечение" (Терскол, 1990), на техническом совещании по созданию единой компьютерной сети энергосистем Сибири (Красноярск, 1990), на X научной конференции "Моделирование электроэнергетических систем" (Каунас, 1991), на Международном симпозиуме ADBIS'94 "Перспективы развития баз данных и информационных систем" (Москва, 1994), на Международных форумах информатизации по программе конференции "Информационные средства и технологии" (Москва, 1992, 1994, 1996), на 39 Международном коллоквиуме по информатике и автоматизации (Ильменау, 1994), на 3 симпозиуме "Квалиметрия человека и образования: методология и практика" (Москва, 1994), на II академических чтениях "Высшая школа: проблемы и перспективы развития" (Киев, 1995), на I научно-практическом семинаре "Оценка качества программных средств учебного назначения" (Пущино, 1995), а также на научных семинарах МДНТП и ВЦ РАН. Инструментальный комплекс поискового проектирования "АРГОНАВТ" экспонировался на выставке "ИНТЕЛЛЕКТ-СОФТ 96" (Москва, 1996).
По представленному в диссертации направлению в МЭИ защищено 8 кандидатских диссертаций, выполненных под руководством авто-
pa, и 3 диссертации при участии автора в качестве научного консультанта.
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 70 работ, в том числе энциклопедический словарь-справочник и 4 учебных пособия.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы по главам (всего 217 наименований) и приложений. Основной текст работы на 266 стр., включает 65 рисунков и 8 таблиц.