Введение к работе
Актуальность темы. Современные вычислительные системы параллельной обработки данных используются во многих технических отраслях, особенно в тех, где требуется провести оперативный анализ данных. При разработке таких систем возникает сложная задача, заключающаяся в определении наиболее подходящей многоядерной аппаратной конфигурации, которая, с одной стороны, позволила бы провести обработку данных в заданные сроки, а с другой - была бы наименее дорогостоящей. Наиболее эффективным решением этой задачи является разработка модели, которая бы позволяла не только определять время обработки данных системой, но и изменять параметры аппаратной конфигурации моделируемой параллельной системы без внесения существенных изменений в модель.
К вычислительным системам параллельной обработки данных относится наземный комплекс обработки и дешифрирования информации (НКОД) для авиационного комплекса радиолокационного дозора и наведения (АК РЛДН), разработка которого ведется в настоящее время ОАО «НПП "Рубин"» совместно с концерном радиостроения «Вега».
При разработке модели временного анализа этой системы, как и моделей подобных систем параллельной обработки данных, важным недостатком существующих подходов к построению математических моделей явилось малое внимание, отведенное проблеме изменения числа параллельных потоков в модели без изменения ее топологии.
Поэтому разработка и формализация методики построения мульти-конфигурационных моделей временного анализа масштабируемых систем параллельной обработки данных являются актуальной задачей, которая решается в данном диссертационном исследовании.
В основе настоящего исследования лежат результаты работ в области: теории высокоуровневых сетей Петри (К. Jensen, Lars М. Kristensen, Д. А. Зайцев), анализа систем параллельной обработки данных {Wlodek М. Zuberek, Krishna М. Kavi, В. В. Кузьмук), создание и применение АК РЛДН (В. С. Верба, В. И. Меркулов), моделирование дискретных систем (Е. Киндлер, И. В. Максимей).
Целью диссертационной работы является совершенствование теоретической базы для построения мультиконфигурационных моделей временного анализа масштабируемых систем многопоточной обработки данных и разработка модели параллельной обработки постполетных данных для авиационных комплексов радиолокационного дозора и наведения, позволяющей исследовать быстродействие системы для различных аппаратных конфигураций.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены частные задачи:
1) создание подкласса сетевых моделей, именуемых далее многопоточными сетями, позволяющего сторить мультиконфигурацион-
ные модели временного анализа систем параллельной обработки информации;
-
разработка методики построения временных моделей масштабируемых систем параллельной обработки данных с использованием многопоточных сетей, которая позволяет унифицировать процесс создания мультиконфигурационных моделей временного анализа аппаратно-программных систем обработки информации;
-
формализация процесса моделирования с использованием многопоточных сетей, позволяющая для заданной топологии модели и ее начального состояния определить результирующее состояние модели;
-
разработка и апробация математической модели обработки данных для системы АК РЛДН с использованием многопоточных сетей, позволяющей исследовать быстродействие системы для различных аппаратных конфигураций.
Объектом исследования является процесс обработки данных в системе АК РЛДН.
Предметом исследования является модель процесса обработки постполетной информации в системе АК РЛДН.
Методы исследования. Проведённые в работе исследования базируются на теории сетей Петри, алгебре множеств и исчислении предикатов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
предложен подкласс сетевых моделей, названных многопоточными сетями, в котором в отличие от подобных подклассов для разделения потоков команд и данных определены два типа позиций и переходов, что позволяет изменять число параллельных потоков в модели без изменения ее топологии;
-
разработана методика построения временных моделей масштабируемых систем параллельной обработки данных с использованием многопоточных сетей, отличительной особенностью которой является возможность преобразования алгоритма работы исследуемой системы в соответствующую многопоточную сеть, что позволяет унифицировать процесс разработки мультиконфигурационных моделей временного анализа аппаратно-программных систем обработки информации;
-
предложено рекурсивное представление процесса исследования объекта моделирования, позволяющее рассчитать результирующее состояние модели для ее начального состояния и заданной топологии, которое в отличие от других формализмов использует топологию модели в качестве параметра, что позволяет аналитически описать любую многопоточную сеть.
Теоретическая значимость исследования обусловлена тем, что разработан и формализован новый подкласс сетевых моделей, который позволяет строить модели временного анализа многопоточных систем обработки данных и изменять их характеристики без изменения топологии.
Практическая ценность работы состоит в том, что была разработана математическая модель с использованием предложенного подкласса сетевых моделей и проведено моделирование, результаты которого позволили определить наиболее подходящую аппаратную конфигурацию для системы динамического воспроизведения и обработки информации (СДВОИ) и наземного комплекса обработки и дешифрирования информации (НКОД), используемых для обработки постполетной информации, регистрируемой АК РЛДН, что подтверждается актами внедрения результатов исследования диссертационной работы. Разработана система моделирования MTN Tools, позволяющая исследовать модели, построенные с использованием многопоточных сетей.
Определены границы практического применения результатов исследования. Описаны условия, которым должны соответствовать системы, чтобы исследовать их с помощью предложенного в диссертации подхода. Это класс систем обработки постполетных данных, т.е. данных, которые были зарегистрированы и не изменяются после регистрации, а их обработка должна выполняться за ограниченный промежуток времени.
Область исследования. Содержание диссертации соответствует паспорту специальности 05.13.17 «Теоретические основы информатики» (технические науки) по следующим областям исследований:
п. 2 «Исследование информационных структур, разработка и анализ моделей информационных процессов и структур»;
п. 5 «Разработка и исследование моделей и алгоритмов анализа данных, обнаружения закономерностей в данных и их извлечениях, разработка и исследование методов и алгоритмов анализа текста, устной речи и изображений»;
п. 10 «Разработка основ математической теории языков и грамматик, теории конечных автоматов и теории графов».
На защиту выносятся:
-
Подкласс сетевых моделей, названных многопоточными сетями, который позволяет строить временные мультиконфигурационные модели многопоточных систем обработки данных.
-
Рекурсивное описание процесса моделирования, позволяющее рассчитать результирующее состояние модели, созданной с использованием многопоточных сетей, для ее начального состояния и заданной топологии.
-
Методика построения временных моделей масштабируемых систем параллельной обработки данных с использованием многопоточных сетей.
-
Система моделирования MTN Tools, позволяющая исследовать модели, построенные с использованием многопоточных сетей.
-
Математическая модель обработки данных для системы АК РЛДН, разработанная с использованием многопоточных сетей, позволяющая исследовать быстродействие системы для различных аппаратных конфигураций.
Достоверность научных положений подтверждена в ходе экспериментальных работ и опытной эксплуатации диагностической системы СДВОИ для комплекса А-50 и системы НКОД для комплекса А-100, разработанных с использованием алгоритмов, моделей и методик, предложенных в диссертационном исследовании. Была подтверждена работоспособность данных систем, используемых на этапах проектирования и эксплуатации авиационных радиолокационных комплексов. Закупленные с использованием результатов моделирования аппаратные средства НКОД подтвердили свои характеристики по быстродействию.
Реализация и внедрение результатов диссертационной работы Диссертация выполнялась в рамках научно-исследовательских работ, проводимых в Пензенском государственном университете, результаты внедрялись в ходе выполнения опытно-конструкторских работ в ОАО «НЛП "Рубин"», (г. Пенза), в ОАО «концерн "Вега"» (г. Москва) (два акта внедрения). Акты внедрения:
технологическая система динамического воспроизведения и обработки информации, регистрируемой в модернизированном изделии «Р» для самолётов А-50 - в ОАО «концерн "Вега"»; ОАО «НПП "Рубин"»;
наземный комплекс обработки и дешифрирования информации для самолётов А-100 - «ПРЕМЬЕР-НКОД» - ОАО «концерн "Вега"», ОАО «НПП "РУБИН"».
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
VIII Международная научно-техническая конференция «Новые информационные технологии и системы» (Пенза, 2008);
I Международная научно-практическая конференция «Молодёжь. Наука. Инновации» (Пенза, 2010);
IX Международная научно-техническая конференция «Новые информационные технологии и системы» (Пенза, 2010);
V Международная научно-практическая конференция «Молодёжь. Наука. Инновации» (Пенза, 2012).
Также основные результаты работы докладывались на ежегодных конференциях, проводимых в ОАО «НПП "Рубин"» и Пензенском государственном университете.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 печатных работ, в том числе 8 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 13 свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ. Все результаты, составляющие содержание диссертации, получены автором самостоятельно.
Личный вклад соискателя состоит в непосредственном участии в разработке алгоритмов и программного обеспечения модулей параллель-
ной загрузки и обработки постполетных данных, о чем свидетельствуют 13 свидетельств об официальной регистрации программ для ЭВМ. Указанные модули были разработаны автором в части параллельных алгоритмов загрузки и обработки постполетной информации и использованы им для получения исходных данных для моделирования. Соискателем самостоятельно разработан и формализован подкласс сетевых моделей, названных многопоточными сетями, и предложена методика построения временных моделей масштабируемых систем параллельной обработки данных с использованием многопоточных сетей. Методика использовалась для разработки временной модели параллельной загрузки данных, позволяющей исследовать быстродействие аппаратно-программных комплексов для различных аппаратных конфигураций. Автором было проведено моделирование, которое позволило определить наиболее подходящую аппаратную конфигурацию для разрабатываемых АК РЛДН, что подтверждается двумя актами о внедрении результатов диссертационного исследования.
Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, четырех глав основной части и заключения, изложенных на 140 страницах (включая 38 рисунков, 14 таблиц, 37 формул), перечня принятых сокращений, списка литературы и двух приложений на 18 страницах. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
