Введение к работе
Актуальность темы. Широкое развитие автоматизированных информационных систем (АИС) определяет повышенные требования к качеству и эффективности процесса проектирования их информационного и программного обеспечения. Современные системы обработки данных характеризуются большим разнообразием и сложностью взаимосвязей элементов, обработкой больших массивов информации, наличием альтернативных вариантов обработки и элементов конкуренции при использовании ресурсов ЭВМ. Повышение эффективности проектирования систем обработки данных связано с использованием методов синтеза оптимального состава модулей программного и информационного обеспечения на этапе технического проектирования АИС. Вместе с тем, имеющийся в настоящее время аппарат для формализации задач синтеза оптимальных модульных СОД, реализуемых на современных ЭВМ, не полностью описывает их технологические возможности. Полученные проектные решения (структура программных модулей, содержание информационных массивов) определяются обычно без учета наличия альтернативных вариантов обработки, возможности параллельной реализации отдельных процедур, ветвей алгоритма и программных моделей, конкурентности их по отношению к ресурсам ЭВМ. Возникает необходимость в разработке моделей и методов синтеза оптимальных модульных АИС, позволяющих преодолеть отмеченные недостатки. Для этих целей целесообразно использовать аппарат сетей Петри, который позволяет формировать адекватные модели АИС, формулировать с их использованием задачи синтеза оптимальных модульных систем и разработать эффективные методы и алгоритмы их решения.
Формализация моделей и разработка эффективных алгоритмов решения задач синтеза оптимальных модульных АИС на этапе технического проектирования позволяют автоматизировать процесс проектирования
систем, сократить сроки проектирования, отладки и внедрения систем в промышленную эксплуатацию на 20-30%, повысить качество проектных решений. Большие масштабы работ по созданию и внедрению АИС, а также недостаточная адекватность имеющихся моделей и методов формализации и автоматизации процесса разработки оптимальных модульных СОД, учитывающих расширенные возможности современных ЭВМ и их комплексов, обуславливают актуальность выполненных научных исследований.
Степень разработанности проблемы. Основы методологии синтеза структур автоматизированных информационных систем были заложены в работах ряда российских и зарубежных ученых: Котова В.Е., Питерсона. Дж., Кульбы В.В., Урбански Ф., Спиридонова A.M. и др.
Однако в работах указанных авторов недостаточно полно рассмотрены вопросы связанные с синтезом модульной структуры автоматизированных информационных систем. В связи с этим, существует необходимость более детального исследования данной научной задачи.
Объект исследования - модульные структуры автоматизированных информационных систем.
Предмет исследования - методы синтеза модульной структуры автоматизированных информационных систем с использованием сетей Петри.
Цель работы. Целью данной работы является разработка формализованных моделей, методов, алгоритмов и программ синтеза оптимальной модульной структуры автоматизированных информационных систем на этапе технического проектирования.
Данная цель достигается посредствам решения следующих задач:
анализ и классификация технологий проектирования
автоматизированных информационных систем. Формализация основных
понятий связанных с использованием сетей Петри для анализа и
проектирования АИС.
разработка методов моделирования модульных АИС с использованием аппарат сетей Петри.
разработка методов синтеза оптимальных модульных АИС по критериям максимума информационной производительности системы, минимума общего времени обмена между оперативной и внешней памятью ЭВМ.
разработка комбинаторных алгоритмов синтеза основанных на методах локальной оптимизации, последовательного построения, анализа и отбора вариантов и схеме «ветвей границ».
Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены и математически обоснованы с использованием методов оптимизации, теории графов, аппарата сетей Петри, теории алгоритмов и математического программирования.
Научная новизна. Разработана методология анализа и синтеза оптимальных модульных АИС с использованием аппарата сетей Петри. Предложены модели, методы, алгоритмы и программы анализа и синтеза оптимальных модульных АИС по заданным критериям эффективности. Формализованы следующие критерии синтеза модульных АИС: максимум информационной производительности системы, минимум общего времени обмена между оперативной и внешней памятью, минимум общего числа обращений к внешней памяти ЭВМ. Разработаны эффективные точные и приближенные комбинаторные алгоритмы решения поставленных задач синтеза оптимальной структуры модульных АИС.
На защиту выносятся следующие положения:
Методология анализа и синтеза оптимальных модульных АИС с использованием аппарата сетей Петри.
Модели, методы, алгоритмы и программы анализа и синтеза оптимальных модульных АИС по заданным критериям эффективности.
3. Формализованные критерии синтеза оптимальной структуры
модульных АИС: максимум информационной производительности системы,
минимум общего времени обмена между оперативной и внешней памятью, минимум общего числа обращений к внешней памяти ЭВМ.
4. Точные и приближенные комбинаторные алгоритмы решения
поставленных задач синтеза оптимальной структуры модульных АИС.
5. Методы определения оптимального состава программных модулей
при заданном информационном обеспечении АИС.
Методы определения оптимального состава информационных массивов при заданном программном обеспечении АИС.
Методы и алгоритмы синтеза оптимальной функциональной модульной блок-схем обработки данных.
Теоретическая и практическая значимость. Предложенные модели, методы и алгоритмы решения задач синтеза оптимальных модульных АИС разработаны автором впервые либо являются обобщением уже известных моделей. Их использование позволяет адекватно описывать процесс функционирования АИС, формализовать, алгоритмизировать и в значительной степени автоматизировать этап технического проектирования систем, повысить качество формируемых проектных решений. Разработанные с использованием сетей Петри формальные модели, методы, алгоритмы и программы обеспечивают синтез оптимальных по заданным критериям эффективности и различных по своему назначению модульных систем обработки данных на этапе их технического проектирования. Кроме того, их целесообразно использовать при разработке прикладного программного обеспечения АСУ (САПР АСУ). Использование разработанных алгоритмов и программ проектирования оптимальных модульных АИС позволяет сократить сроки разработки и внедрения систем в среднем на 20 - 30% и повысить их качество.
Внедрение. Эффективность разработанных в диссертационной работе
моделей, методов, алгоритмов и программ синтеза с использованием
аппарата сетей Петри модельных АИС подтверждена положительным опытов
их использования при проектировании ряда систем. При непосредственном
участии автора они внедрены при разработке АИС «ИНИОН АН РФ». Использование разработанных моделей и методов, алгоритмов и программ позволило сократить временные и стоимостные затраты на разработку и внедрение систем в среднем на 20-30% за счет оптимизации получаемых проектных решений.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались автором и обсуждались на международных конференциях: «Проблемы управления Безопасностью Сложных Систем», Москва 2006, 2007 гг., «Проблемы регионального и муниципального управления», Москва, 2009.
Связь с планами отраслей науки и народного хозяйства. Диссертационная работа выполнена в соответствии с координационными планами научных исследований РАН по приоритетному направлению 2.3.10.1 «Теория построения распределенных и модульных автоматизированных информационно-управляющих систем», а также планами научно-исследовательских работ Российского государственного гуманитарного университета в области повышения эффективности и качества систем данного класса.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 6 печатных работ, в том числе 2 в изданиях, перечень которых утвержден ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и включает 146 страниц машинописного текста, 25 рисунков и 9 таблиц.
