Введение к работе
^ІІІі^'ггРебоваяия интенсификации развития народного хозяйства, повышения эффективности производства и качества выпускаеиой продукции тесно связаны с углублением роли научных исследований в работе предприятий, повышением поли наукоемкой продукции, использованием в производстве и исследованиях сложных автоматизированных комплексов, построенных на Сазе применения средств вычислительной техники. В частности, все большая доля автоматизированных установок, предназначенных для проведения научных экспериментов, управляется вычислительными машинами и комплексами.
Применение средств вычислительной техники, обеспечивающей разнообразные функции автоматической регистрации, упорядочения, накопления и оперативной обработки данных эксперимента, Функции оперативного управления работой оборудования, входящего в состав исследовательских установок, определяет качествн-ное расширение потенциальных возможностей проведения естественнонаучных экспериментов. При этом типичной является ситуация, когда уникальные приборы и агрегаты, входящие в состав исследовательского комплекса, комплектуются универсальными вычислительными машинами и системами; настройка универсальной вычислительной техники на конкретные исследовательские задачи выполняется путем разработки специальных программных систем реального времени, обеспечивающих проведение требуемых исследований.
Возможность расширения возлагаемой на исследовательские комплексы Функциональной нагрузки сопряжена, с существенным ростом сложности их логической организации. Это обстоятельство и Фактор большого разнообразия управляемого оборудования, входящего в состав установок для проведения экспериментов, приводит к необходимости разработки большого числа вариантов достаточно сложных систем реального времени. Задачи создания таких систем во многих случаях осложняются требованиями повышенной надежности их функционирования, обуславливаемой высокой стоимостью подготовки и проведения экспериментов, высокой стоимостью оборудования и материалов. Все это ставит в ряд в ряд важнейших задачу создания средств и методов разработки
высоконадежных систем реального времени, обеспечивающих проведение естественнонаучных экспериментальных исследований. Внедрение предлагаемых в настоящей работе методов и средств имитационного моделирования открывает путь к созданию высоконадежной технологии разработок систем рассматриваемого класса.
Ц_е_л_ь_ _Д_и_с_с_е_р_т_а_ц_и_и_, Определение роли и места имитационного моделирования в развитии перспективных технологий разработки алгоритмов управления автоматизированным оборудованием для проведения естественнонаучных экспериментов, построение комплекса методов и средств имитационного моделирования, обеспечивающих повышение эффективности разработки высоконадежных систем реального времени для проведения экспериментов в естественнонаучных областях.
М_е_т_о_д_ы_ _и_с_с_л_е_д_о_в_а_н_и_й_. В работе используются средства и методы общей теории систем, теории множеств, теории графов, системного программирования.
Н_а_у_ч_н_а_я_ _н_о_в_и_з_н_а_. В диссертации разработана концепция построения и использования имитационных моделей алгоритмов функционирования автоматизированного оборудования для проведения естественнонаучных экспериментов, при этом:
-
Выделены два класса имитационных моделей, различающиеся степенью детализации моделируемых процессов и составом решаемых с их помощью задач: структрурные модели, отражающие общие особенности логической организации систем автоматизации экспериментов, и комплексные модели, обеспечивающие полное воспроизведение последовательноси и содержания событий, составляющих информационно-алгоритмические процессы в системах автоматизации эксперимента; определена роль структурных и комплексных имитационных моделей в интернированной технологии разработок программных систем, обеспечивающих проведение автоматизированных экспериментов.
-
На основе анализа информационных связей процессов, реализуемых автоматизированным оборудованием, с процессами во внешней информационной среде разделены две специфические функции информационных взаимодействий - знаковая и сигнальная функции; сформулирована роль сигнальных и знаковых информационных связей в организации информационно-алгоритмических процессов, определена роль сигнальных и знаковых компонент (сигнальных и
знаковых операторов и переменных) в алгоритмических языках, ориентированных на представление алгоритмов функционирования управляющих систем.
-
Определено понятие алгоритмического комплекса (совокупность алгоритмических процессов, ориентированных на квазипараллельную реализацию), послужившее основой разработки языка программирования систем реального времени (языка нульти-Си), который позволяет в единообразной форме программировать как управляющее оборудование автоматизированных экспериментов, так и их имитационные модели. Разработан метод построения программных моделей асинхронных параллельных процессов, протекающих в автоматических и автоматизированных системах с использованием дисплейных образов для отображения их динамики; определены принципы использования этих программных моделей для выполнения работ по отладке полных текстов программного обеспечения автоматических и автоматизированных систем реального времени.
-
Построен механизм имитационного моделирования систем асинхронных процессов, протекающих в ходе реализации автоматизированных экспериментов. Предложенный механизм опирается на использование разработанных в диссертации специальных графов (маршрутные сети), позволяющих в наглядной Форме изучать возможные направления развития моделируемых процессов. Предложены методы визуализации сетевых структур на растровых устройствах без промежуточного ицспользования представлений векторного типа.
-
В классе инвариантных (по отношению к трансформациям базиса описаний) алгоритмов классификации состояний моделей определены два подкласса - разностные и метрические алгоритмы; показано, что при описании состояний двоичными признаками в широком диапазоне условий возможности оОоих выделенных подклассов алгроитмов эквивалентны возможностям всего класса инвариантных алгоритмов.
П_р_а_к_т_и_ч_е_с_к_а_я_ _Ц_е_н_н_о_с_т_ь_.
1. Разработанные в диссертации методы и средства имита-ционногб моделирования онеспечивают возможность использования современных средств вычислительной техники для построения имитационных моделей, представляющих особенности общей алгоритми-
ческой организации управления работой установок и комплексов, предназначенных для проведения научно-исследовательских экспериментов; информация, получаемая в ходе работы таких имитационных моделей, обеспечивает принятие рациональных структурных решений при построении исследовательских установок и комплексов.
2. Представленная в диссертации концепция отладки- алго
ритмов и программ, обеспечивающих проведение автоматизирован
ных экспериментов, позволяет доводить полные тексты управляю
щих программных систем до высокой степени готовности уже на
инструментальных ЭВМ за счет использования языка мульти-Си и
разработанной в диссертации техники использования имитационных
моделей, включающей управление дисплейными образами, которое
может эффективно использоваться также а) при разработке
средств интерактивного взаимодействия экспериментатора с авто
матизированным оборудованием, б) при построении тренажеров для
персонала, обслуживающего исследовательские комплексы.
3. Выделение знаковой и сигнальной функций информацион
ных посылок, формализация в языке муяьти-Си концепции внешних
интерфейсов управляющей системы представляет собой результат
методологического характера, открывающий возможности совершен
ствования спобобов построения систем реального времени, соот
ветствующих языковых средств и инструментальных систем.
Р_е_а_л_и_з_а_ц_и_я_ Р_е_з_у_л_ь_т_а_т_о_в _р_а_6_о_т_ы.
1. Предложенные в диссертации формальные средства представления имитационных моделей под руководством и при участии автора реализованы в виде действующих программных комплексов, обеспечивающих а) визуальный (по изображениям на экране графического дисплея персональной ЭВН) анализ особенностей эволюции графических моделей типа сетей Петри и маршрутных сетей, б) трансляцию текстов яа языке мульти -Си дибо в машинкые коды инструментальной ЭВН, либо в мащинные коды целевой (управляющей) ЭВН с возможностью подключения в случае необходимости моделей управляемого оборудования.
2. Предложенные в диссертации методы и средства имитационного моделирования были использованы при разработке и реализации алгоритмов управления автоматизированными исследовательскими комплексами в ленинградских институтах АН СССР (Институт
г -
физиологии им. И.П.Павлова, Институт экспериментальной физиологии ц биологии им. Сеченова), кишиневском ПКБ АСУ.
3. По материалам диссертационной работы в Ленинградском электротехническом институте им. В.И.Ульянова (Ленина) поставлен специальный курс лекций.
А_п_р_о_б_а_ц_и_я_ Р_а_б__о_т_ы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на всесоюзных и международных конференция, симпозиумах, совещаниях, семинрах, школах, в частности - Второй всесоюзной конференции по теоретической кибернетике (Новосибирск - 1969 г.), Всесоюзной конференции по локальным вычислительным сетям (Рига - 1964 г.), третьем и четвертом Всесоюзном совещании по робототехническим системам (Воронеж - 1984 г., Киев - 1987 г.), 19-ой и 22-oft Всесоюзных школах по автоматизации научных исследований (Новосибирск 1985 г., Тольятти - 1988 г.), 5-ом Международном симпозиуме по информационным проблемам в автоматизированном производстве (Суздаль - 1986 г.), 5-ой Всесоюзной конференции по вычислительным сетям коммутации пакетов (Рига - 1987 г. ), 4-ом Международном совещании по гибким производственным системам (Ленинград - 1987 г.), Международной конференции "Искусственный интеллект - промышленное применение" (Ленинград - 199в г.).
С_т_р_у_к_т_у_р_а и о_б_ь_е_м Д_и_с_с_е_р_т_а_ц_и_и. Диссертация объемом 255 страниц содержит пять глав, 17 таблиц, 27 рисунков, список литературы 183 наименования.