Введение к работе
Актуальность проблемы. При решении различных задач управления техническими объектами исследователям часто приходится решать проблему оптимального сочетания их аппаратных возможностей с соответствующим программным обеспечением. Эта проблема особенно актуальна для обеспечения эффективности управления суперкомпьютерами, поскольку для ее решения необходимо учитывать как многообразие архитектур суперкомпьютеров, так и анализировать особенности представления и обработки больших объемов информации. Поэтому актуальными являются исследования, направленные на разработку качественных компьютерных программ, как одного из важнейших факторов, обеспечивающих управление современных компьютерных систем.
Большой вклад в разработку и исследование программ внесли российские и зарубежные учёные: СМ. Абрамов, В.В. Воеводин, Вл.В. Воеводин, В.Ю. Волконский, В.М. Глушков, Б.А. Головкин, В.А. Евстигнеев, А.П. Ершов, В.П. Иванников, В.Э. Иткин, В.Н. Касьянов, В.Е. Котов, С.Л. Кривой, В.П. Кутепов, А.А. Ляпунов, С.С. Лавров, А.А. Летичевский, Э.З. Любимский, В.В. Мартынюк, А.С. Нариньяни, В.А. Непомнящий, И.В. Поттосин, Р.И. Подловченко, В.К. Сабельфельд, В.А. Серебряков, А.А. Терехов, Э.А. Трахтенгерц, Г.С. Цейтин, Ю.И.Янов, Ф.Э. Аллен, Д.Ф. Бэкон, М. Вольф, Дж. Кок, Г. Килделл, П. Кузо, М. Лэм, Д. Падуа, К-В. Ценг, Дж. Т. Шварц и многие другие.
На основе теоретических моделей программ сформулировано и обосновано большое число их преобразований. Одним из подходов к преобразованиям программ является трансформационный подход, при котором разрабатываемая программа создаётся путём преобразования из других программ за счет применения набора трансформаций, к которым относятся трансляция программ, их оптимизация и распараллеливание, реинжениринг программ при их переносе в новое операционное окружение, модификация программ при их сопровождении и др. Основная цель использования таких преобразований - это повышение качества программ.
Однако, общий метод построения набора трансформаций отсутствует, поэтому наборы строятся на эвристической основе. Исследования эффективности применения одного фиксированного набора трансформаций при заданной стратегии их применения проводились неоднократно. Проведение исследований эффективности переменных наборов преобразований программ связано с рядом проблем. Одна из проблем заключается в том, что системы, разработанные и/или разрабатываемые для изучения порядков преобразований, позволяют проводить исследования программ только на тех языках, которые в них поддерживаются, и только с такими наборами трансформаций, которые хранятся в библиотеке трансформаций во внутреннем представлении, а их модификация является трудоемким процессом.
Другой проблемой для исследования набора трансформаций является включение новых трансформаций в набор. Единой инструментальной среды,
обеспечивающей все шаги процесса интеграции знаний о преобразованиях программ, не существует, а имеющиеся системы обладают рядом ограничений, уменьшающих эффективность их практического использования. Это связано с отсутствием единого подхода к представлению знаний в этой области. Общей идеей, гарантирующей подход к такому представлению, является онтологический подход.
Большой вклад в разработку и исследование онтологического подхода внесли российские и зарубежные ученые: В.Н. Вагин, Т.А. Гаврилова, А.С. Клещев, Г.С. Поспелов, Д.А. Поспелов, В.Ф. Хорошевский, T.R. Graber, N. Guarino, J.F. Sowa и др. Онтологический подход успешно использовался в объектно-ориентированном проектировании и программировании, для проектирования интерфейса пользователя, реинжениринга бизнес-процессов, в концептуальном проектировании, при проектировании и разработке систем на основе моделей предметных областей, позволяющих в полной мере использовать знания экспертов и пополнять их в процессе работы.
Целью диссертационной работы является разработка онтологических моделей и методов реализации преобразований программ с переменным набором трансформаций и изменяемой стратегией управления трансформациями.
Достижение цели работы предполагает решение следующих задач.
-
Разработка концепции преобразователя программ с переменным набором трансформаций на основе онтологического подхода.
-
Разработка онтологии единого представления программ и онтологии и его расширения.
-
Разработка онтологии методов потокового анализа программ и базы знаний о методах потокового анализа программ.
-
Разработка онтологии знаний о трансформациях программ и базы знаний о трансформациях программ.
-
Разработка методов интерпретации знаний о преобразованиях программ.
-
Разработка и реализация специализированного банка знаний о преобразованиях программ.
7. Разработка технологии использования методов и средств преобразования
программ с переменным набором трансформаций и ее экспериментальное
исследование.
Научная новизна работы. На основе проведенных научных исследований разработаны методы и средства создания нового класса программных средств -системы управления преобразованиями программ с переменным набором трансформаций.
Научная новизна разработанных методов и средств управления преобразованиями программ с переменным набором трансформаций заключается в использовании онтологического подхода и в представлении информации в базах знаний в декларативном представлении.
Впервые разработана концепция системы для управления преобразованиями программ с переменным набором трансформаций.
Впервые разработаны онтологии модели структурных программ и онтологии расширенной модели структурных программ.
Впервые разработаны онтологии методов потокового анализа программ и онтологии знаний о трансформациях программ, а также база знаний о методах потокового анализа программ и база знаний о трансформациях программ.
Впервые поставлена задача интерпретации декларативного представления базы знаний о трансформациях программ и разработан метод ее решения.
Впервые разработан и реализован специализированный банк знаний о преобразованиях программ.
Предложена технология использования методов и средств управления преобразованиями программ с переменным набором трансформаций.
Достоверность результатов. Обоснованность и достоверность научных положений, методов и выводов подтверждается использованием методов математического моделирования онтологии предметных областей, прикладной логики, теории графов, теории вычислительных процессов и структур, теории трансляции и оптимизации программ, а также результатами вычислительных экспериментов с помощью разработанных программных средств.
Практическая ценность работы.
Полученные в диссертации научные результаты имеют практическую направленность и предназначаются для автоматизации научных исследований в области преобразований программ.
Разработанные онтология модели структурных программ, онтология расширенной модели структурных программ, онтология методов потокового анализа программ позволяют создавать базы знаний о методах потокового анализа программ и базы знаний о трансформациях программ в единой унифицированной терминологии.
Разработанные методы интерпретации базы знаний о методах потокового анализа программ и базы знаний о трансформациях программ позволяют проводить исследования с преобразованиями программ с переменным набором трансформаций.
Разработанный специализированный банк знаний о преобразованиях программ позволяет коллективно развивать информационные ресурсы в области преобразований программ и распространять знания специализированного банка среди его пользователей.
Программное средство для исследования преобразований программ с переменным набором трансформаций использовалось:
- при разработке почтового клиента для сотовых телефонов, основной целью
которого является доступ с мобильного телефона к почтовым серверам по
протоколам SMTP, РОРЗ, IMAP4;
при разработке программного комплекса автоматизации работы туристических операторов на базе технологий Contour WEB;
- при разработке программного комплекса управления и учета услуг,
предоставляемых посетителям интернет - ресурсов компании;
- при разработке программного комплекса для системы контроля сотрудников
FrontLine.
Полученные в диссертации результаты внедрены (использованы): в
научный процесс Института автоматики и процессов управления ДВО РАН, г. Владивосток; в учебный процесс Дальневосточного государственного университета, г. Владивосток.
Полученные результаты нашли применение при разработке Учебно-методических комплексов по дисциплинам «Теория вычислительных процессов и структур П. Теория и методы трансляции» и «Оптимизация программ» для студентов, обучающихся по специальности 351500 - математическое обеспечение и администрирование информационных систем и которые используются в процессе обучения.
Результаты диссертационной работы использовались в учебном процессе Дальневосточного государственного университета при чтении курсов лекций «Теория вычислительных процессов и структур П. Теория и методы трансляции», «Оптимизация программ», «Параллельное программирование», при выполнении курсовых работ (всего 30) и дипломных работ (всего 15) специальности 351500 -математическое обеспечение и администрирование информационных систем, а также при выполнении кандидатских диссертаций по специальности 051311-математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей.
В диссертации разработаны теоретические положения и научно обоснованные технические решения, обеспечивающие разработку системы для экспериментов в области преобразований программ.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы нашли применение при выполнении научно-исследовательских работ:
проект РФФИ 06-07-89071-а «Исследование возможностей коллективного управления в семантическом вебе информационными ресурсами различных уровней общности» 2006-2008 гг.
программа №14 Президиума РАН «Фундаментальные проблемы информатики и информационных технологий», проект 06-І-П14-052 «Параллельные вычисления в создании инструментальных и проблемно - ориентированных средств для решения вычислительно-сложных задач моделирования динамики океана и атмосферы с использованием спутниковой информации, оптимизации в условиях неопределенности и построения интеллектуальных систем», раздел 2 «Разработка средств поддержки построения интеллектуальных систем и корректного программного обеспечения для многопроцессорных вычислительных комплексов» 2006-2008 гг.
программа №15 фундаментальных исследований ОЭММПУ РАН «Проблемы анализа и синтеза интегрированных систем управления для сложных объектов, функционирующих в условиях неопределённости», проект 06-І-П15-055 «Синтез интеллектуальных систем управления базами знаний и базами данных при управлении сложными объектами в условиях неопределённости» 2006-2008 гг.
инициативный научный проект ДВО РАН 06-Ш-А-01-007 «Интернет-система управления информацией о преобразованиях программ» 2006-2008 гг.
Апробация работы. Научные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на Международной научно-методической конференции «Новые информационные технологии в университетском образовании» (г. Новосибирск, 1997 г.), на П-ой и Ш-ей Международной научно-технической конференции «Интерактивные системы: проблемы человеко - компьютерного взаимодействия» (г. Ульяновск, 1997 и 1999 г.), на третьем сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике посвященный памяти С.Л. Соболева (г. Новосибирск, 1998г.), на Международной конференции по математической логике, посвященной 90-летию со дня рождения академика А.И. Мальцева (г. Новосибирск, 1999 г.), на четвертом сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике, посвященном памяти М.А. Лаврентьева (г. Новосибирск, 2000 г.), на Международной конференции «Искусственный интеллект 2000» (Кацивели, Крым, 2000, 2006, 2007, 2008 г.), на Дальневосточной математической школе-семинаре им. Акад. Е.В. Золотова (г. Владивосток, в 2001, 2002, 2006, 2007 и 2008 г., г. Хабаровск в 2005г.), на Международной конференции по искусственному интеллекту КИИ (г. Коломна,
-
г., г. Обнинск, 2006 г., г. Дубна 2008 г.), на Международной конференции KDS-2003, KDS-2005, KDS-2007 и KDS-2008 (г. Варна, Болгария), на Международной конференции им. В.А. Трапезникова РАН «Параллельные вычисления и задачи управления» РАСО'2004, РАСО'2006 и РАСО'2008 (г. Москва, 2004 г., 2006 г., 2008 г.), на Международной конференции «Системный анализ и информационные технологии» САИТ-2005 и САЙТ-2007 (г. Переславль-Залесский, 2005 г.. г. Обнинск, 2007 г.), на Всероссийской конференции «Знания-онтологии-теории» с международным участием (г. Новосибирск, 2007г.), на научных сессиях МИФИ (г. Москва, 2001, 2002, 2004-2008 г.г.), Интеллектуальные и многопроцессорные системы (г. Таганрог, 2003-2007 г.г.), на второй Международной конференции по когнитивной науке (г. Санкт-Петербург, 2006 г.), на IX Международной конференции «Интеллектуальные системы и компьютерные науки» (г. Москва, 2006 г.); на семинарах Отдела экспертных систем Института автоматики и процессов управления ДВО РАН и Института математики и компьютерных наук ДВГУ (1991-2008г., г. Владивосток), в лаборатории Системного программирования Института Систем Информатики СО РАН им. А.П. Ершова в 1998 г. (г. Новосибирск), на семинаре в НИВЦ МГУ в лаборатории параллельных Информационных Технологий в 2003 г., 2006 г. (г. Москва), на семинаре ВЦ РАН в
-
г., 2006 г. (г. Москва).
Личный вклад автора. Автором осуществлена постановка задачи, получение всех экспериментальных исследований и самостоятельно получены все теоретические результаты. Автор принимал личное участие в разработке программных систем и ей принадлежит интерпретация всех основных экспериментальных и теоретических результатов, представленных в диссертации. В работах [2-4, 18-19, 22, 34,38,38-39] выделены основные компоненты онтологии предметной области. В работах [9,24-25] определены язык модели структурных программ и расширение языка модели структурных программ терминами
потокового анализа. В работах [5-6, 10, 12,14-15,35,40,41-43] выполнены
постановки задач, разработаны основные теоретические положения. В работах [8, 13, 23, 26-28, 30-32, 36,44] описаны архитектура и основные задачи преобразователя программ. В работах [11,47] разработана архитектура преобразователя программ, управляемого знаниями.
Публикация результатов работы.
Результаты диссертационной работы представлены в монографии, в 48 научных публикациях в отечественных и международных изданиях, в том числе 32 статьи, из них 7 статей в международных изданиях, 16 статей в российских реферируемых журналах, в свидетельстве об официальной регистрации программ для ЭВМ, в свидетельстве об отраслевой регистрации разработки.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка литературы, включающего 220 наименований, 6 приложений. Основное содержание работы изложено на 282 страницах машинописного текста, содержит 23 рисунка.
