автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Автоматизация разработка и применения пакетов программ для исследования динамики сложных управляемых систем

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ДИНАМИКИ СИСТЕМ и ТЕОРИИ УПРАВЛЕНИЯ

г I и I/«

На правах рукописи

с. - УДК 681.3.06

Опарин Геннадий Анатольевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ РАЗРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ ПАКЕТОВ ПРОГРАММ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ

СЛОЖНЫХ УПРАВЛЯЕМЫХ СИСТЕМ

05.13.11 - Математическое п программное обеспечение вычислительных машин, комплексов, систем и сетей

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ на соискание ученой степени доктора технических наук

Иркутск - 1998

Работа выполнена в Институте динамики систем и теории управления (бывший Иркутский Вычислительный центр) СО РАН

Научный консультант:

член-корреспондент, профессор РАН С.Н.Васильев

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Д.А.Корягин доктор физико-математических наук, профессор В.М.Ковеня доктор технических наук, профессор А.И.Тятюшкин

Ведущая организация:

Институт проблем информатики РАН

Защита диссертации состоится 1998г. на заседании диссерта-

ционного совета ДООЗ.64.01 при Институте динамики систем и теории управления по адресу: 664033, Иркутск, Лермонтова, 134.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института динамики систем и теории управления.

Автореферат разослан __/К-йл^ 1д98г.

Ученый секретарь Специализированного совета

ДООЗ.64.01, д.ф.-м.н., профессор

Ю.Ф.Орлов

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В последние два с половиной десятилетия большую значимость приобрели вопросы автоматизации расчетных работ в отдельных приложениях динамики систем и теории управления, в частности, в области исследования динамики и проектирования систем управления сложными движущимися объектами (СУ СПО). к числу которых относятся внеатмосферные астрономические обсерватории, орбитальные телескопы, спутники связи и другие объекты ракетно-космической техники.

Методологическую базу автоматизации расчетных работ на ЭВМ составляет сформировавшееся в программировании к конну 70-х голов самостоятельное научное направление, связанное с разработкой и применением методо- и проблемно-ориентированных программных систем, получивших название пакетов прикладных программ (ППП).

Источником идей нового направления следует считать проблемы программной реализации на ЭВМ численных методов решения задач математической физики, сформулированные впервые А.А.Самарским и Н.Н.Яненко в начале 70-х годов. Очень скоро стало понятно, что ППП являются эффективным инструментом решения расчетных" задач и что методология ППП применима и во многих других проблемных областях.

Большую роль для становления и развития пакетной проблематики сыграл семинар по комплексам программ математической физики под руководством академика Н.Н.Яненко. Координация работ по пакетной тематике осуществлялась в рамка! Научного совета АН СССР по комплексной проблеме "Математическое моделирование" (председатель совета - академик Л.Н.Самарский) И не грументалыго- технологические вопросы обсуждались на заседаниях Комитета по технологии программирования и инструментальных средств вычислительного эксперимента (председатель комитета В.И.Легоньков) секции программного обеспечения математического моделирования упомянутого Научного совета. Хорошо известны таллинская школа Э.Х.Тыугуи ее направление исследований по пакетам с автоматическим синтезом программ. Ё Иркутском ВЦ (ныне Институт динамики систем и теории управления) СО РАН, в котором выполнена данная работа, пакетная тематика была активно поддержан! его первым директором В.М.Матросовым и с конца 70-х годов стала одним из научных направлений деятельности коллектива.

Наряду с уже упомянутыми именами, с историей формирования и развития пакетной проблематики связаны имена таких исследователей, как A.C.Алексеев, О.Б.Арушанян, М.М.Бежанова, С.Н.Васильев, В.М.Глушков, H.H.Говорун, .М.М.Горбунов-Посадов. А.А.Дородницын. Ю.Г.Евтушенко. А.П.Ершов, В.Д.Ильин, В.П.Ильин, В.М.Ковеня, А.Н.Коновалов, Д.А.Корягин, С.С.Лавров, В.В.Липаев, Г.И.Марчук, О.Н.Перевозчикова, Г.С.Поспелов, И.В.Поттосин, И.В.Сергиенко, Л.Н.Столяров,

Б.Г.Тамм, Л.Н.Тихонов, Ю.И.Шокин, В.М.Фомин, Л.И.Эрлих и др. Из числа зарубежных следует отметить коллектив специалистов из Германии, известный под названием «Группа ПАКЕТЫ ПРОГРАММ» (П.Бахманн и др.), а также такие имена, как Ф.П.Брукс, Б.Лисков, Д.Л.Парнас к др.

В 80-х годах пакетная проблематика как в целом, так и для задач автоматизированного проектирования систем управления объектами разной природы переживает период бурного развития. Главным результатом этих исследований является осознание к концу 80-х годов (К.И.Острей, Г.С.Поспелов и др.) того факта, что одним из важнейших направлений дальнейшего развития систем автоматизации проектных расчетов является использование средств и методов искусственного интеллекта, а также создание на этой основе инструментальных систем (интегрированных системных сред, Ггате\Уогк, \VorkBanch) для автоматизации разработки и применения пакетов программ нового поколения, относящихся к классу гибридных интеллектуальных 1 систем. В таких пакетах, называемых нами сокращенно пакетами знаний, возможности традиционных ППП тесно увязаны с возможностями экспертных систем, аккумулирующих опыт исследования и проектирования, а построенная на основе знаний инструментальная система (ИС) обеспечизает настройку на особенности проблемной области (ПО), требования специалиста по управлению, позволяет расширить функциональные возможности за счет подключения новых прикладных модулей, содержит сервисные программные средства для быстрого создания и эффективного использования пакетов знаний. Дальнейшее развитие и опыт работ в этой области показывает, что отмеченная тенденция не является случайной и носит устойчивый характер.

Методы и формы организации таких гибридных интеллектных систем и инструментальных сред для их построения в большой степени зависят от особенностей ПО. В этих условиях представляются актуальными и малоисследованными вопросы разработки и применения, специализированных инструментальных средств, ориентированных на специфические требования и сложившиеся стереотипы технологии решения задач анализа и проектирования СУ СДО.

Основной целью диссертации является исследование и разработка интегрированной системной интеллектной программной среды для автоматизации процессов конструирования, отладки, модификации, комплексирования и поддержки функционирования пакетов знаний, а также применение этих инструментальных средств для создания на единой методологической и инструментально-технологической платформе комплекса пакетов программ компьютерного моделирования, динамического анализа и параметрического синтеза систем управления некоторых объектов ракетно-

1На наш взгляд, терминологически правильнее говорить об интеллектных системах (т.е. использующих методы и средства искусственного интеллекта).

космической техники.

Методология исследования опирается на основные положения системного анализа, методы теории программирования, искусственного интеллекта, дискретной ма-юматики, теории управления.

Научная новизна. Предложена методология и разработано инструментальное обеспечение, ориентированное на автоматизацию процессов разработки п применения пакетов программ для исследования динамики и синтеза СУ СДО. Характерно]! особенностью методологии является тесная интеграция средств и методов инженерия знаний, программной т'нженерии и доказательного программирования (в смысле 'К.П.Ершова).

Практическая значимость. Разработанная среда позволяет научным работникам, инженерам-проектировщикам (специалистам в области управления движением) самостоятельно, без участия высококвалифицированных системных программистов, накапливать в памяти компьютера большие массивы разнородных знания и эффективно использовать эти знания для решения возникающих задач. В конечном счете, применение разработанного инструментария сокращает трудозатраты на разработку и отладку системной компоненты пакетов программ, повышает качество и сокращает сроки выполнения необходимых динамических расчетов.

Внедрение. Результаты диссертационной работы являются обобщением двадцатилетней научно-производственной деятельности соискателя.

Исследование, разработка и применение рассматриваемых в диссертации программных средств выполнены в течении 19TS-1998г.г. по заданию директивных органов (ГКНТ СССР, ГКВТИ СССР, президиум РАИ. ГК при СМ СССР по ВПВ) в рамках следующих основных плановых тем Иркутского ВЦ СО РАН: ДИНАМИКА (1978-1980г.г.); РАУС-СО, РЕЗАРИН-СО, РЕЙД-СО, N81096352 (1981-1985г.г.); РАПИД-СО (1981-1990г.г.); РАБКОР-СО, РАКУРС-СО, N0186.0096390 (1986 1990г.г.); РАВНЕНИЕ-МОП, N01.9.10.0067440 (1991-1995 г,г.). Исследования и разработка ИС САТУРН для персональш.гх компьютеров выполнялись также в рамках ГНТП "Информатизация России" (проект N 222.30, 1991-1995г.г.; проект 037.02.296.108/1-96, 1996-1998г.г.), а также поддержаны двумя грантами РФФИ (проект N95-07-19045, проект N98-01-00160). Темы приняты соответствующими межведомственными комиссиями. ШШ ДИАНА и ИС САТУРН для МВК ЭЛЬБРУС-1 К2 приняты в ГосФАП (per.номера П006822 и 50910000253, соответственно). Версия ИС САТУРН для персональных компьютеров типа IBM PC/AT «регистрирована в РосАПО (свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ N960294). ИС САТУРН применена в ИДСТУ СО РАН для разработки десяти ППП научно-промышленного нашачения. Разработанные программные системы внедрены

в двенадцати научно-исследовательских организациях и научно-проиышленных объединениях. Результаты исследований и автор отмечены премией ГЕ при СМ СССР, дипломом III степени на конкурсе прикладных работ СО АН СССР и тремя медалями Федерации космонавтики России.

Апробация. Основные результаты работы докладывались на III Всесоюзной Чета-евской конференции по устойчивости движения, аналитической механаке и управлению движением (Иркутск, 1977), на Сибирских семинарах по динамике управляемых космических объектов (Новосибирск, 1978, 1981, 1983, Иркутск, 1986, Красноярск, 1988, Томск, 1990), на Советско-финском симпозиуме "Интерактивные системы" (Тбилиси, 1979), на школах по технологии разработки ППП (Иркутск, 1979,1980, 1981, 1989, Владивосток, 1982, Томск, 1984, Ярополец, 1987, Адлер, 1991), на II Всесоюзной конференции "Автоматизация производства пакетов прикладных программ и трансляторов" (Таллин, 1983), на всесоюзных конференциях "Диалог ЧЕЛОВЕК-ЭВМ" (Протвино, 1983, Серпухов, 1984, Свердловск, 1989), на VIII Всесоюзной конференции по комплексам программ математической физики (Ташкент, 1983), на Конференции рабочей группы по ППП комиссии стран СЭВ по научным проблемам вычислительной техники (Тбилиси, 1983), на III Международной конференции "Искусственный интеллект и информационно-управляющие системы роботов" (Чехословакия, 1984], на научной конференции с участием ученых из социалистических стран "Проблемы искусственного интеллекта и распознавания образов" (Киев, 1984), на V Всесоюзно1 конференции по управлению в механических системах (Казань, 1985), Втором Всесоюзном совещании "Моделирование авиационных космических кибернетических систем' (Сухуми, 1985), на Школе-семинаре по комплексам программ матфизики (Шушенское, 1986), на III Всесоюзной конференции по технологии программирования (Киев, 1986), на совещаниях Комитета по технологии программирования и программным средстьам вычислительного эксперимента (Красноярск, 1987, Ленинград, 1989), на Республиканском семинаре "Численные методы и средства проектирования и испытания элементов РЭА" (Таллин, 1987, 1989), на Всесоюзном научно-техническом семинаре по управлению движением и навигации специальных летательных аппаратов (Куйбышев, 1988), на Научно-практическом семинаре "Программные системы в автоматшации проектирования изделий машиностроения" (Ижевск, 1988), на Научно-техническом совете ЦНИ-ИАГ (1988, 1989), на семинаре Кафедры математического обеспечения ЭВМ (ЛГУ, 1988), семинаре ВЦ СО РАН (1988), на II Всесоюзном совещании "Комплексирова-ние систем управления движением" ( Тбилиси, 1988), Городском (еминаре по программированию (Ленинград, 1989), на IV Всесоюзной научной конференции "Системы баз данных и знаний" (Калинин, 1989), на школе-семинаре "Программные изделия-89" (Одесса, 1989), на всесоюзных школах "Автоматизация созданш матобеспечения

и архитектуры систем реального времени" (Иркутск. 1990, Саратов, 1992), на Всесоюзном совещании "Экспертные системы" (Суздаль, 1990). на Всесоюзной научпо-гехнической конференции "Интеллектуальные системы в машиностроении" (Самара., 1991), на Международном семинаре ''Методы и программное обеспечение для систем автоматического управления" (Иркутск, 1991), на VI Всероссийском семинаре по управлению движением и навигации летательных аппаратов ('Самара, 1993), на Всероссийской школе "Компьютерная логика, алгебра и иктеллектное управление" (Иркутск, 1994), на IV Национальной конференции с международным участием "Искусственный ичтеллект-94" (Рыбинск, 1991), на IV Международной конференции "Прикладная логпка-95" (Иркутск, 1995), на Всероссийской конференции "Новые информационные технологии в исследовании дискретных структур" (Екатеринбург, 1996), на II Международном симпозиуме "Интеллектуальные системы (ИНТЕЛС'96)" (Санкт-Петербург, 1996), на семинарах ИДСТУ СО РАН (Иркутск).

Личный вклад автора. Рассматриваемые в диссертации исследования и практические работы выполнены в руководимой автором лаборатории "Технология разработки прикладных программных средств" ИДСТУ СО РАН в рамках обозначенных ранее плановых тем. по которым автор являлся ответе i-вешшм исполнителем и научным руководителем (или «.©руководителем). Лично автором выполнен обзор по пакетной проблематике, разработаны методологические основы ав i оматизацш: процессов разработки и применения пакетов вычислительных знаний для решения задач анализа динамики и проемирования О СДО. сформулированы требования и выполнено проектирование всех программных систем, реализованы начальные версии ряда программных систем ц выполнены расчетные работы по анализу динамики и синтезу параметров нескольких систем управления спецобъектами. Разработка последующих версий выполнялась совместно с сотрудниками лаборатории и под руководством автора.

Публикации и структура работы. Содержание диссертации отражено в 70 публикациях в виде с татей в научных журналах, препринтов, трудов и тезисов докладов конференций, семинаров и совещаний. Более детальное изложение выполненных исследований содержится в 77 научно-исследовательских отчетах ИДСТУ СО РАН и технической документации на разработанные по длавозкм темам программные сиг гемм.

Диссертация содержит введение, пять глав, заключение, библиографию. 24 рисунка и 1 таблицу. Общий объем работы ¿^Î/ страниц .

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулировав цель исследования, установлена научная новизна и практическая значимость полученных'результатов, выполнен обзор эволюции пакетов программ и инструментальных систем с точки зрения автоматизации их разработки (как без учета проблемной ориентации, так и применительно к задачам анализа динамики и проектирования СУ СДО), приведена структура работы в виде кратких аннотаций глав.

Первая глава посвящена методологическим основам автоматизации процессов разработки и применения пакетов знаний в области исследования динамики и проектирования СУ СДО.

Термин "проектирование" здесь и далее понимается в классическом длл специалиста по управлению движением смысле и подразумевает решение задачи сгруктурно-параметрического синтеза систем управления. При этом цель проектировашя определяется в виде совокупности требований к динамическим показателям функционирования СУ СДО (точность в различных режимах, быстродействие, запасы устойчивости и др. динамические показатели). По сути дела, речь идет о формировании дияамическо-го облика СУ СДО и связанного с этой задачей комплексе научно-исследовательских работ, выполняемых на уровне математических моделей, аналитических и численных методов их исследования.

Основу расчетных работ при заданной цели исследования составляют три тесно связанных понятия - это математические модели СУ СДО, методы (алгоритмы) исследования этих моделей и методики (технологические схемы) достижения цели исследования с использованием моделей и методов их решения. В данной работе рассматриваются наиболее часто используемые па практике алгоритмические модели, когда описывающие функционирование СУ СДО сложные системы дифференциальных, разностных и алгебраических уравнений оформляются в виде множества взаимосвязанных процедур и организованный на этой основе вычислительный процесс соответствует, в определенном смысле, поведению моделируемой системы. В этом контексге совокупность понятий "модель+метод+методика" имеет ярко выраженную алгоритмическую окраску и составляет базу алгоритмических знаний расчетных работ.

Традиционно процесс исследования динамики и проектирования СУ СДО представляет собой организованную в соответствии с технологией системного анализа последовательность многовариантных расчетов - вычислительных экспериментов, на каждом шаге которой в соответствии со стратегией и тактикой исследовали и поиска приемлемых решений варьируются структура и значения параметров модеш, методов и методик, выполняются запланированные расчетные работы, производится оценка

результатов и принимаете« решение о дальнейшем направлении исследований.

Конструирование плана вычислительного эксперимента, а также дальнейшая реализация этого алана средствами базового языка программирования составляют во многом рутиншю деятельность, которая многократно выполняется в рамках этой технологии специалистами по управлению, отвлекает их внимание от решения проблемных задач I является в данной работе основным объектом автоматизации и ин-с I рументальной поддержки.

В первом параграфе определяются основные характеристики математических моделей сложных управляемых движущихся объектов, методов, алгоритмов и методик их исследозатшя, а также формулируются общесистемные требования к средствам автоматизации расчетной составляющей процессов анализа и проектирования СУ СДО. Уникальность динамического облика СУ СДО проявляется в комплексном сочетании таки1 факторов, как гибрщшость математической модели, упругость конструкции СДО со слабым демпфированием, высокая размерность вектора состояния и жесткость уравнений динамики, наличие существенно нелинейных элементов, реализация алгорхтмов управления на БЦВМ, прецизионность контура стабилизации, большое число моделей различной степени детализации, построенных па различных принципах абстракции и декомпозиции.

Многочисленные, в определенной части противоречивые, требования к общесистемным средствам организации вычислительных работ приводят к необходимости замены программирован!» моделей, алгоритмов п технологических схем их исследования автоматизированным процессом конструирования из наперед созданных и допускающих азтономную трансляцию и отладку модулей. Желательно, чтобы это конструирование основывалось на автоматическом получении и сборке тлл модулей схемы решения задачи (СРЗ) и, в конечном счете, расчетной программы по заданным пользователем постановкам исследовательских задач, включающим описание имеющихся данных и цетп расчета.

Во втором параграфе формулируются согласованные между собой, а также с основными характеристиками и требованиями, методологические принципы автоматизации процессов анализа я проектирования на основе комплексного использования средств и метода* программной инженерии и инженерии знаний.

Рассматриваемся такие методологические аспекты, как модульность и представление знаний о математических моделях СУ СДО, методах и методиках их анализа и проектирования, формулирование постановок исследовательских задач, планирование схем решения згдач, их конкретизация и исполнение, управление проектными данными. Увязанные иежду собой в единое целое, они составляют методологическую основу целевой специализированной САТУРН-технологии построения пакетов знаний и реше-

ния на их основе задач анализа и проектирования СУ СДО.

Показывается, что в рассматриваемой проблемной области модульность - это одно из центральных структурных свойств моделей, алгоритмов и методик их исследования, позволяющее на концептуальном уровне создавать сложные модели, алгоритмы и методики на основе ограниченного множества относительно простых и незаысимо создаваемых стандартных блоков.

Приводится разработанная автором структура алгоритмического знания о моделях, алгоритмах и методиках их исследования. В этой структуре выделяются тр! концептуально обособленных слоя: вычислительных, схемных и продукционных знаний, над которыми формируются постановки задач п так называемые процессоры обработки знаний. Каждый слой оперирует своим набором понятий. Иерархия слоев устроена так, что понятия продукционного слоя раскрываютс! через (имеют ссылки на) помтия схемного слоя, которые, в свою очередь, раскрываются через понятия вычислительного слоя.

Показывается, что представление вычислительного знания о машинных методах теории регулирования и управления и блочных моделях сложных управляемих систем определяется сложившейся на практике устойчивой тенденцией к его накошвнию в виде библиотек снабженных спецификациями подпрограмм (процедур, функций), в основном, на широко используемых в рассматриваемой области языках программирования Фортран, Алгол, Паскаль, Си. В спецификацию подпрограммы включается совокупность сведений о ее назначении, языке программирования, формате вызовц типе и семантике входных, выходных, транзитных и рабочих формальных параметрах, способе передачи параметров, описаний нестандартных ситуаций, представлении программы (текст, объектный или загрузочный модуль) и ее местоположении на диске. На фундаменте слоя вычислительных знаний "строатся этажи'' схемных и прод;кци-онных знаний о проблемной области.

Схемные знания отражают весь интересующий исследователя набор ноштий, необходимых для описания структурных особенностей и характеристик блоко) математических моделей и алгоритмов их исследования. При этом схема ПО свободна от деталей, касающихся формы машинного представления информации, особенностей функциональных отношений, выраженных формулами, уравнениями, алгоритмами и сосредоточенных в слое вычислительных знаний. Схема ПО содержит лишь ссылш на понятия вычислительного слоя знаний.

Слой схемных знаний - это система согласованных объектов, в качестве гото-рых используются операции и параметры, как наиболее простые, адекватные 1 выразительные средства для описания модульной структуры (функциональных бгоков и связей между ними) математической модели и алгоритмов ее исследования. Пара-

метрами ПО являются выделенные уникальные, возможно структурированные, переменные математической модели и алгоритмов ее исследования, посредством которых реализуются связи между блоками. Параметры характеризуются типом, свойствами (пропозициональными признаками) и существующими в ПО логическими уравнениями и формулами относительно этих свойств. Автоматически поддерживаемая системой уникальность параметров (или использование механизма символьных связей в языке спецификации ПО) продиктована практической ориентацией предлагаемого подхода, где необходима повышенная эффективность в организации межмодульных сопряжений. Под операцией понимается абстрактная процедура, реализующая отношение вычислимости между двумя подмножествами параметров 110, которое отражает возможность вычисления по определенному алгоритму значений параметров первого подмножества (выход операции), когда известны значения параметров второго подмножества (вход операции) при условии удовлетворения логическим уравнениям общего вида относительно свойств параметров. Объекты (параметры и операции) делятся на примитивные (базисные) и сложные (составные), повышающие лаконичность и адекватность описания ПО и формулировок задач. Перечень правил конструирования составных объектов из базисных и ранее определенных составных включает правила композиции. выбора, тгтерании. агрегирования, обобщения. Связи между схемным и вычислительным слоями знаний являются чрезвычайно простыми и естественными: базисным операциям ПО соответствуют подпрограммы, а базисные параметры ПО являются фактическими параметрами операторов вызова этих подпрограмм.

Слои продукционных знаний фиксирует опыт исследователя в виде методик анализа и проектирования СУ СДО, позволяет в зависимости от свойств модели осуществить выбор наиболее приемлемых алгоритмов исследования, а. также численных значений управляющих параметров этих алгоритмов. На языке продукций удобно описывать цель проектирования в виде совокупности требований к динамическим показателям функционирования СУ СДО (ограничения по точности и быстродействию в различных режимах, запасам устойчивости и др. динамическим показателям) и то действие, которое нужно выполнить, когда эта цель не достигается. Продукционные связи интерпретируются следующим образом: логический параметр Ь определяет условие, необходимое для выполнения операции О. Вместо описаний составляющих продукции Ь и О естественно используются ссылки на соответствующие объекты схемных знаний. Для нашей области приложения важно, что системы продукций в высокой степени удовлетворяют принципу модульности и обеспечивают особую динамичность процессов построения и модификации технологических схем исследования.

САТУРН-технология обеспечивает возможность группирования объектов ПО (операций, параметров, продукций) в надслойные единицы знания, называемые процес-

сорами. Процессоры - это структурно-обособленные, слэжно организованные совокупности знаний, соответствующие, например, подсистемам математической модели и/или семейству близких по параметрам и операциям методам исследования. Процессоры обладают набором встроенных объектов, которые можно использовать при постановке исследовательских задач, их трансляции, исполнении, подготовке вариантов исходных данных, взаимодействии с базой проектныз данных и других действий на этапах применения накопленных знаний. Техника применения знаний в процессоре для решения задач анализа динамики и проектировакия СУ СДО базируется на методах сборочно-конкретизирующего (в смысле А.П. Ернова) программирования.

Речь идет о том, что на основе сконцентрированных в процессоре знаний и средств их обработки сборочный принцип позволяет полностью отказаться от рутинного создания программ на базовом языке, автоматически создавать расчетные программы для решения задач, постановки которых имеют вид: ВЫЧИСЛИТЬ <У> ИЗ <Х> ИСПОЛНИВ <Р> где X, У - множества входных и выходных параметров задачи соответственно, Р -последовательность операций для получения У из X. Здесь элементы из У, X и Р принадлежат множеству базисных объектов ПО. Последовательность Р может включать, кроме операций ПО, управляющие конструкции для организации ветвления и итерации.

Такая постановка задачи (ПЗ) является процедурной и называется полной. Согласно этой постановке осуществляется собственно решение задачи. В этом смысле полная ПЗ совпадает со схемой решения задачи (абстрактной программой). Однако, глубинная идея используемого на знаниях подхода состоит в том, что схемные и продукционные знания позволяют решать исследовательские задачи на основе неполных постановок, элементы которых допускают разного вида неопределеншсти. В самом общем случае такие ПЗ имеют вид:

ВЫЧИСЛИТЬ <У?> ИЗ <Х?> ИСПОЛНИВ <Р?> ПРИ УСЛОВИИ «3?> Символ ? означает неопределенность в помеченном этим символом элементе ПЗ или его полное отсутствие. Такая постановка задачи называется сокращенной. Здесь в качестве У, X, Р допускается уже использование объектовболее высокого уровня сложности (а не только базисного). С} - это ограничения на СРЗ, позволяющие выделить требуемое решение в случае неединственности разрешающей схемы. В зависимости от расположения неопределенностей в ПЗ, различают процедурные (исполнить <Р?>), непроцедурные (вычислить <У?> из <Х?>) и комбинированные (присутствуют все элементы ПЗ) постановки задач.

Для решения задач с сокращенными постановками неопределенность в ПЗ снимается на стадиях обработки постановки задачи или на этапе непосредственного решения

задачи - счете. Необходимая обработка сокращенной ПЗ заключается в последовательном ее приближении к СРЗ. Такой процесс приближения называется планированием. Планирование - это один из важнейших этапов САТУРН-технологии. Необходимая для планирования информация извлекается: из описания схемного и продукционного слоев знаний и представляется в виде системы логических уравнений специального вида, решение которой определяет требуемуто СРЗ.

В зависимости от информативности постановки задачи (числа к типа неопределенностей в ней] применяются различные алгоритмы планирования или их комбинаций. Этим достигается практическая приемлемость скорости построения СРЗ. Планирование называется статическим, если оно выполняется на этапе компиляции ПЗ, динамическим, если оно производятся на этапе счета, и статико-динамическим, если оно содержит статические и динамические этапы. В процессе автоматического планирования может выявиться неразрешимость поставленной задачи в контексте доступных процессору знаний. Вообще, для отыскания условий разрешимости задачи, как условий доказуемости теоремы о существовании СРЗ, оказывается эффективно применимым аппарат логических уравнений. С.Н.Васильевым развит аппарат решепий таких уравнений в исчислении предикатов для автоматического синтеза теорем динамики систем и теории управления. В нагнем случае для 'проталкивания зависшей задачи" используется аналогичны,"! инструмент пшотезировандя. т.е. отыскания решений ло1 нческого уравнения в форме обзора гипотез, когда каждое решение логического уравнения (гипотеза) интерпретируется как спецификация недостающих средств ре-шення задач!!. В диалоге, инициируемом компьютером, отт передается для осмысления пользователю на предмет возможности ввода его значения. Использование такою механизма диагностики '"зависаяия" и диалогового "проталкивания'" - одно из отличий нашего подхода от известного решателя ПРИЗ (Э.Тьтугу;. Элементы использования логических уравнений (дополеяющих традиционную методическую базу автоматического доказательства теорем г языке программных (хорновских) дизъюнкюв) можно нгйги сегодня в системе логического программирования РЙОЮС-З (А.Колмерауэр).

В качестве методологической основы построения эффективных СРЗ исследования динамики и проектирования СУ СДО в рамках САТУРН-технологии используется конкретизирующее программирование, содержанием которого является настройка СРЗ на некоторый суженный класс ее конкретных применений с лелыо повышения качества характеристик результирующей программы. Для получения специализированных версий СРЗ используется техника редуцирующих преобразований и смешанных вычислений (А.П.Ершов).

Эффективное исполнение схем решения задач базируется на использовании принципа комбинированных вычислений, позволяющего гибко сочетать положитель-

ные сторопы интерпретационного и компиляционного подходов. Накладные расходы на интерпретацию полностью окупаются в случае отладки схем решения и оперативного проведения быстрых многовариантных расчетов в интерактивном режиме. Для СРЗ, требующих большого времени счета и высокой эффективности организации вычислений, необходим другой способ исполнения СРЗ, основанный на генерации так называемых рабочих програм на базовом языке. После компиляции с базового языка и редактирования связей такую подпрограмму можно включить в библиотеку, выполнив соответствующие расширения возможностей пакета. Накладные расходы на генерацию в этом случае окупаются повышенной эффективностью рабочей программы.

Важную методологическую роль в САТУРН-технологии занимает специализированная объектно-ориентированная модель данных, которая позволяет адекватно описать все виды возникающей в полном технологическом цикле исследований информации и обеспечивает достаточную эффективность при проведении многовариантных проектных расчетов СУ СДО. Управление проектными данными в САТУРН-технологии включает такие основные функции, как поддержка иерархических описаний, манипулирование составными объектами, обработка множественных представлений, интерфейс с языками программирования и прикладными программами, поддержка целостности данных и ряд других функций.

Программная система (совокупность знаний и средств их обработки), построенная на основе изложенных и увязанных в единое целое методологических принципов, определяется в диссертации как пакет знаний, точнее программно-модельно-методических знаний о классе вычислительных задач анализа динамики и проектированы СУ СДО. Такие пакеты программно-модельно-методических знаний о классе вычислительных задач имеют следующие особенности, отличающие их от других типов баз знаний: 1) фундаментальную роль в описании ПО играют вычислительные знания, представленные снабженными спецификациями модулями-подпрограммами на языках Фортран, Алгол, Паскаль. Си; 2) ответ на запрос связан с процессом трудоемкого вычисления (не поиска и не вывода) информации с предварительным планированием (поиском и выводом) СРЗ на концептуальной модели ПО, сборкой и конкретизацией расчетных программ; 3) схемные и продукционные знания являются знаниями второго и третьего уровней и обеспечивают необходимую производительность планирования и решения задач и комфортность общения исследователя с компьютером.

Следующие три параграфа первой главы подробно раскрывают изложенные выше определяющие элементы САТУРН-технологии. В третьем параграфе предложен формальный, сдециализнрованный по области (в смысле В.Н.Агафонова), лзык ЭАТЬ спецификации пакетных знаний и постановок задач. От других языков спецификации

модели ПО систем автоматизации проектирования пакетов программ его отличает

используемая система понятий (типов знаний), а также тесная интеграция в рамках лтото языка средств, поддерживающих трехслойную схему описшия модели ПО; обеспечивающих модульное представление и гибкое комплексироваше вычислительных и экспертных знаний; предоставляющих удобный и практичный гаструмент конструирования СРЗ и их исполнения; поддерживающих сборочно-контретизпрующий метод синтеза программ из подпрограмм, являющийся достаточно мощным и эффективным способом доступа к вычислительным ресурсам пакета; обеспечивающих адекватное описание и эффективное манипулирование разнородными проектными данными, возникающими на различных этапах жизненного цикла программного обеспечения расчетных работ. Разработка такого языка являлась одной из центральных проблем создания системной среды анализа динамики и проектирования СУ СДО.

В параграфе представлено подробное описание версий языка SATL, когда в качестве основного базового языка программирования используется объектно-ориентированный язык С++. Ориентация на язык С++ в качестве базового позволяет наиболее кратко и в полной мере раскрыть весь спектр возможностей языка SATL Программа на языке SATL строится в основном по правилам языка С++ с учетом добавленных к нему расширений, к числу которых относится введение ряда новых лыковых конструкции для определения специальных объектов и операторов, отличаюпнхся по своей природе от существующих в С+ + , а также возможность их определения в программе в icx же местах, где могут находиться определения объектов и операторов языка С+ + .

Язык SATL включает средства для спецификации следуюпих. распределенных по слоте описания, типов знаний о ¡10 и постановках исследовательских задач: программные модули М (вычислительные знания), параметры V, варианты 'значений параметров D, операции О. логические уравнения L о свойстих параметров и операций (схемные знания), продукции Prod (продукционные знани), процессоры Ргос и постановки задач Т (надслокные знания).

Каждый объект перечисленных типов определяется набород стандартных (не зависящих от типа) атрибутов и набором атрибутов, уникальных для типа. В качестве стандартных атрибутов используются: ключ объекта (используемый для обращения к объекту); содержательное имя объекта, комментарий для по.тучения детальной информации о семантике объекта, дата и время последней корректировки объекта (для временной привязки при работе с несколькими вариантами описшия ПО). Уникальные атрибуты объекта определяют его специфические характеристики и связи с другими объектами. Дается детальное описание атрибутов объекта каждого типа знаний.

В язык SATL введены и описываются встроенные типы дамых (классы), позволяющие определять в программах специальные объекты - спецификаторы, использование

которых совместно с механизмом ссылок дает возможность получать любую информацию о спецификации проблемной области, вводить/выводить и иным способом динамически модифицировать ее и использовать для создания объектов проблемной области в соответствии с текущим состоянием ее спецификации. Встроенный тип данных применяется также для работы с базами данных и знаний. Для значений параметров ПО и спецификаторов в языке SATL определены потоковые операторы ввода/вывода,, имеющие принятые в С++ обозначения.

Отмечается, что в результате сборки и компиляции программы на языке SATL множество явно определенных в программе логических соотношений расширяется множеством автоматически формируемых логических уравнений, отражающих логические связи параметров, операций и продукций. Объединенное множество логических уравнений используется планировщиком для конструирования схемы решения задачи. В результате компиляции и сборки программы на языке SATL создается целевая база знаний пакета, содержащая спецификации всех определенных в программе объектов ПО, а также база данных для автоматического сохранения значений параметров.

Четвертый параграф посвящен проблемам машинно-ориентированного представления знаний о ПО. Выбор модели данных является одним из ключевых вопросов эффективной реализации языка SATL. В первую очередь, речь идет о концептуальной схеме спецификаций ПО. Дело в том, что работы в области компьютерного исследования динамики и проектирования СУ СДО достигли той стадии развития, когда возможна и необходима унификация концептуальной схемы спецификаций ПО. По сути дела, такая унификация становится одной из центральных проблем создания открытой системной среды автоматизации проектных расчетов. Унифицированная схема создает благоприятные условия для интеграции информационно-вычислительных ресурсов, сохранения, приумножения и эффективного использования накопленных знаний.

Предлагаемая в этом параграфе концептуальна» схема спецификаций ПО ориентирована как на разработчиков пакета знаний, так и конечных пользователей (специалистов по управлению) и представляет семейство отношений (в общем случае "многие-ко-многим"), обозначенных на Рис.1 R1-R28, между рассмотренными типами знаний (множествами объектов) М, Р, О, L, Prod, Ргос, Т, D. Дано определение каждого отношения.

Проанализированы ъозможности реализации концептуальной схемы спецификаций ПО средствами традиционных (реляционной, сетевой, иерархической) моделей данных. Сформулированы требования к специализированной модели данных, которая бы более адекватно учитывала потребности достаточно сложных и объемных задач накопления п активного использования пакетных знаний. Отмечается, что модели такого сорта относятся к классу объектно-ориентированных. В заключении параграфа

массивы-границы

составные параметры

иерархия уравнении/-—ч

( процессоры 1 PROC

продукции \ PROD J

продукции процессора Рис. 1: Концептуальная схема спецификаций проблемной области

приведены формальные спецификации специализированной объектно-ориентированной модели данных в виде набора определений соответствующих классов языка С++.

В пятом параграфе решается проблема автоматического получения схем решения задач (абстрактных программ) по спецификации ПО. Предлагаемый в этом параграфе подход обеспечивает построение итеративных схем решения задач, регулярно возникающих при исследовании динамики сложных управляемых систем, а также систематическое использование логических уравнений (обыкновенных и автоматных) в качестве основного формализма представления модели ПО. Поиск плана в этих условиях сводится к отысканию решений систем логических уравнений. Отправной точкой к формированию подобного взгляда на проблему планирования послужили работы по применению конструктивных логических уравнений в задачах автоматизации синтеза (не доказательства) теорем (С.Н.Васильев, Ш.Б.Гулямов).

Предложена базовая модель функционирования процессора пакета знаний в виде дискретной динамической системы специального вида, отражающей причинно-следственные взаимосвязи продукций, операций и параметров. Задача динамического планирования в рамках этой модели сводится к построению решения динамической системы, удовлетворяющего заданным начальным и конечным условиям, определяющим постановку исследовательской задачи. Динамическое планирование в общем случае связано с отслеживанием большого числа тупиковых ситуаций, пе ведущих к основной цели постановки задачи. В ряде важных с практической точки зрения частных случаев этих затрат удается избежать. В параграфе рассматривается три таких ситуации: безусловное планирование (процессор не содержит продукций и явно определенных логических уравнений), условное планирование (множество продукций процессора не пусто, но выход каждой операции процессора имеет пустое пересечение с множеством логических параметров-условий продукций; допускаются явно определенные логические уравнения) и предварительное динамическое планирование (множество продукций процессора не пусто, но явно определенные уравнения отсутствуют). Все три случая являются вариантами статического планирования, выполняемого на этапе компиляции постановки задачи.

Для безусловного планирования предложено логику взаимосвязей между операциями и параметрами представлять в виде автоматически формируемых средой системы матричных логических уравнений (автоматного типа). Логические векторно-матричные операции имеют эффективную реализацию на ЭВМ за счет поразрядного выполнения логических операций машинного уровня над машинными словами, что позволяет обеспечить высокую эффективность алгоритмов безусловного планирования.

Главное отличие условного планирования от безусловного состоит в том, что в логической спецификации ПО и постановке задачи допускаются явно определенные

логические уравнения. Специфика систем таких уравнений состоит в том, что размерность п вектора неизвестных переменных в рассматриваемых в работе прикладных задачах велика в том смысле, что осуществить полный перебор всевозможных наборов значений переменных при заданном ограничении по времени в ряде случаев не представляется возможным. Кроме того, общее число неизвестных обычно много меньше числа уравнений и много больше числа неизвестных в каждом уравнении. Такие системы автором названы большими разреженными системами логических уравнений. Предложен метод решения таких систем, позволяющий в значительной степени сократить (по сравнению с полным перебором) пространство поиска за счет применения правил раннего распознавания целых множеств решений или бесперспективности поиска решения в выбранном направлении и организации вычисления значений логических функций в некоторой трехзначной пропозициональной логике.

Предложен алгоритм предварительного динамического планирования, позволяющий повысить эффективность функционирования базовой модели процессора. Алгоритм планирования, за исключением ряда деталей, совпадает с алгоритмом безусловного статического планирования.

С точки зрения современных тенденций автоматизации разработки программ, представленный в шестом параграфе анализ методических и технологических аспектов проектирования пакетов знаний позволяет сделать вывод, что в языке БАТЪ и его инструментальном окружении пересекаются возможности четырех стилей программирования: процедурно-ориентированного, логически ориентированного, ориентированного на правила и объектно-ориентированного, а рассматриваемое в последующих главах диссертации иерархическое семейство инструментальных средств относится к категории САБЕ-сред (интегрированных инструментальных сред), поддерживающих комплекс тесно связанных между собой методов проектирования, рассредоточенных по слоям знаний о проблемной области. Полученные в первой главе результаты составляют теоретический фундамент для разработки этих инструментальных средств.

Во второй главе решаются задачи проектирования и реализации инструментальной системы САТУРН для автоматизации процессов разработки, отладки, модификации, комплексирования и применения пакетов знаний. В первом параграфе раскрываются архитектурные особенности ИС САТУРН, инвариантные по отношению к операционной системе и доступному ресурсу оперативной памяти. Обобщенная архитектура ИС САТУРН представлена на Рис.2. Основные результаты первого параграфа, посвященного разработке архитектуры ИС САТУРН, состоят в том, что :

1) разработана подсистема КОНСТРУКТОР ПАКЕТА, которая обеспечивает: пошаговую трансляцию спецификаций объектов всех типов знаний языка БАТЬ; контроль целостности базы знаний при выполнении операций модификации и удаления;

знания разработчика

ПЗ

задание пользователя ПЗ

Диалоговый интерфейс

КОНСТРУКТОР ПАКЕТА

-конструктор-библиотек проблемных модулей

конструктор

схемы проблемной области

конструктор технологических схем исследования

конструктор монитора пакета

БАЗА ЗНАНИЙ

> вычислительные знания

схемные знания

> продукционные знания

> конфигурационные знания

МОНИТОР ПАКЕТА

редактор постановок задач

транслятор постановок задач

планировщик: - динамический - статический

комбинирован

ный исполнитель схем решения

задач: -конкретизатор -интерпретатор -генератор

БАЗЫ РАСЧЕТНЫХ ДАННЫХ

постановки задач

схемы решения задач

рабочие программы

зпачения параметров ПО

Системная база данных

Система управления проектными данными

Рис. 2: Типовая структура ИС САТУРН

ту и целенаправленность модификаций по слоям описаний ПО; автоматическую генерацию архитектурно подобных МОНИТОРОВ ПАКЕТА по спецификациям процессоров и конфигурации системных функций пакета (конфигурационные знания - специальный сорт общесистемных знаний, вне ПО); простоту отладки пакета знаний по слоям описания в процессе его разработки; исключение перепрограммирования базисных модулей за счет создания макета пакета.

2) разработана подсистема МОНИТОР ПАКЕТА, которая предоставляет: удобные и практичные средства конструирования СРЗ. основанные на комплексном использовании процедурных и непроцедурных постановок задач; различные режимы планирования СРЗ; средства конкретизации, интерпретации и генерации СРЗ, используемые в различных сочетаниях, что обеспечивает особую гибкость и эффективность управления ходом вычислительного процесса; возможность комплексирования диалогового и пакетного режимов взаимодействия пользователя с системой с целью эффективного выполнения как быстрых, так и ресурсоемких расчетов. В отличии от других, аналогичного назначения, систем построения пакетов программ ИС САТУРН присуще гибкое сочетание перечисленных средств в рамках единой среды. В первую очередь это вызвано практическими потребностями технологии решения задач в области динамики сложных управляемых систем, обсуждаемых в §1 первой главы.

Во втором параграфе подробно раскрываются возможности макросредств и приводится структура препроцессора. Макросредства в ИС САТУРН служат для создания языков описания математических моделей динамики функционирования сложных автоматических систем управления движущимися объектами и преобразования таких описаний в тексты проблемных модулей, а также для комплексирования возможностей конструктора библиотек ПО и конструктора схемы ПО.

С целью эффективной реализации ИС САТУРН на различных программно-аппаратных платформах в третьем и четвертом параграфах предложены и разработаны две архитектурные линии, ориентированные соответственно на малый (линия САТУРН/М) и большой (линия САТУРН/Б) объем оперативной памяти инсгрумен-1 альноп ЭВМ. В рамках этих двух архитектур разработаны определяющие эффективную реализацию и ориентированные на специфические потребности инструментальной САТУРН-среды система управления памятью в мониторе пакета программ для ИС САТУРН/М и две системы управления проектными данпыми. которые поддерживаю'! необходимые функции описания разнородных данных и манипулирования ими на различных этапах жизненного цикла пакета знаний.

Первая СУБД (РрВАБЕ) - поддерживает функционирование ИС САТУРН/М. использует реляционную модель данных, допускает эффективное хранение данных научно-инженерного профиля, удовлетворяет достаточно жестким требованиям по

производительности и объему занимаемой памяти, открытости, степени интеграции с другими системами и языками программирования, обеспечивает определенную совместимость с СУБД типа хВАЭЕ по формату баз данных.

Вторая СУБД (ОБЪЕКТ) обеспечивает функционирования ИС САТУРН/Б, ориентирована на операционные системы со страничной организацией виртуальной памяти, поддерживает рассмотренную в первой главе специализирсванную объектно-ориентированную модель данных.

Пятый параграф посвящен технологическим аспектам применения ИС САТУРН. В первую очередь речь, предлагается наиболее рациональная схема работы пользователя с инструментальной системой. Эта схема представляет собой совокупность команд (технологических операций) языха инструментальной среды (связанных между собой отношением следования). Представлено две технологические (хемы: 1) конструирование пакета знаний и 2) решение исследовательских задач. Отличительной особенностью первой является использование введенной автором кондепцни макета пакета знаний, специфика второй схемы состоит в использовании механизмов сборочно-конкретизирующего программирования.

Третья глава посвящена разработке принципов построения, архитектуры, языковых средств, алгоритмов функционирования специализированной шструментальной системы моделирования для автоматизации построения и эксплуатации систем машинной имитации составных непрерызно-дискретных объектов (СЯДО), типичными представителями которых являются цифровые системы управления лространственным положением СДО. Методологические основы ИС БАЙКАЛ полностью согласуются с требованиями и принципами, изложенными в первой главе диссертации. Основное отличие от САТУРН-среды состоит в том, что ИС БАЙКАЛ обеспечивает в силу ее большей специализации более высокий "уровень непроцедурности" описания структурной схемы цифровой системы управления динамическим объектом средствами входного языка.

В первом параграфе приводятся характеристики типовых объектов моделирования. Отмечается, что в практике проектирования цифровые система управления пространственным положением СДО представляются обычно в виде структурных схем, блоки которых описываются дифференциальными, разностными или алгебраическими уравнениями. Такая структуризация дает проектировщику наглядное восприятие алгоритмов функционирования системы управления и физических принципов ее построения.

Основой для построения системы БАЙКАЛ служит предложеншя во втором параграфе формальная модель СНДО. Центральными для этой модели являются понятия элемента и схемы сопряжения элементов. Под элементом понима«тся динамическая

система, функционирование которой во времени описывается совокупностью обыкновенных дифференциальных или разностных уравнений. Элемент характеризуется вектором входа и вектором выхода и выполняет определенное преобразование входных сигналов в выходные. Элементы взаимодействуют между собой посредством передачи сигналов (непрерывных и дискретных) по каналам связи, соединяющим компоненты выходных векторов одних элементов с компонентами входных векторов других. Определяется четыре типа элементов СНДО (непрерывный, дискретный, непрерывно-дискретный и дискретно-непрерывный) и приводятся уравнения функционирования элемента каждого типа. Формализуется понятие схемы элемента и схеиы сопряжения элементов, дается определение иерархических СНДО.

В третьем параграфе с использованием методов планирования схем решения задач разработан алгоритм автоматического построения математической модели сложной системы по описанию динамики функционирования ее элементов ж связей между ними. Определяется канонический вид уравнений динамики СНДО, с которым оперирует моделирующая программа. Канонический вид описывается комбинацией взаимосвязанных между собой двух систем дифференциальных и разностных уравнений, в правых частях которых отсутствуют переменные, характеризующие компоненты входных и выходных векторов, и система дифференциальных уравнения представлена в нормальной форме Коши.

Показывается, что с точки зрения программной реализации задача приведения к каноническому виду эквивалентна задаче лланирования схемы исполнения множества операторов присваивания, реализующих алгоритмы вычисления компонент выходных-векторов элементов, компонент вектора состояния дискретных элементов и операторов, реализующих схему сопряжения элементов. Логика причинно-следственных отношений этих операторов определяется на языке векторно-матричных логических уравнений .

Показывается, что все множество задач планирования разбиваете? на два класса. Задачи первого класса можно сформулировать до начала процесса моделирования (статические задачи); задачи второго класса возникают в процессе моделирования в соответствии с очередью обслуживания дискретных элементов (динамические задачи).

Собственно планирование как статических, так и динамических задач носит безусловный характер и осуществляется путем решения системы логических уравнений.

В четвертом параграфе дается описание входного языка ЯМБ, синтаксис и семантика которого основаны на формализованном представлении модели СНДО. Средствами языка ЯМБ обеспечивается: проблемная ориентация системы БАЙКАЛ путем задания элементной базы рассматриваемой совокупности сложных объектов; определение необходимого варианта соединения элементов (схемы сопряжения) и постановок

задач вида: заданы начальные условия, значения параметров и констант -+ вычислить процессы изменения требуемых выходных компонент указанных элементов на заданном промежутке времени; формулировка заданий на постобработку результатов моделирования.

Архитектура инструментальной среды моделирования представлена в пятом параграфе (см. Рис.3). Диалоговый монитор реализует общее управление работой пользователя с системой. Редактор осуществляет ввод с экрана и из архива моделей, вывод на экран принтер и в архив, корректировку и удаление из архива элементов сложной системы. Анализатор описаний выполняет функции синтаксического анализа и архивирования описаний элементов. Архиватор выполняет функции обслуживания всех архивов системы. Препроцессор преобразует описание элемента в множество подпрограмм языка Фортран (вычислительные знания).

Обработчик включает в себя программы вывода результатов на экран и принтер в виде таблиц и графиков и программы статистического анализа. В качестве входной используется информация из буфера, где сохраняются результаты текущего сеанса моделирования, или из архива результатов, предназначенного для долговременного хранения результатов моделирования.

После выбора необходимого режима имитатором, управление передается ведущей программе. Функциями сборщика является сбор сведений об исследуемой системе путем анализа ее описаний, хранящихся в архиве описаний, и перевод этих сведения во внутреннюю форму с последующей записью в архив задачи, создаваемый на время одного сеанса моделирования и обновляемый при каждом запуске сборщика. Анализатор схемы выполняет проверку условий корректности схемы сопряжения исследуемой системы с использованием информации, полученной сборщиком. Составной компонентой анализатора схемы является планировщик, решающий статические задачи планирования вычислений при приведении уравнений динамики СНДС к каноническому виду. Генератор формирует множество ФОРТРАН-программ, настроенных на описание СН-ДО в каноническом виде.

Собственно моделирование выполняется моделирующей программой, которая выполняет все служебные системные операции (включая динамическое планирование) и использует методы численного интегрирования Рунге-Кутта, Гира и Адамса.

В пятом параграфе практическая значимость разработанных инструментальных средств продемонстрирована на примере моделирования динамики системы управления в пространстве космическим аппаратом. Эксплуатация в производственных условиях показала, что система БАЙКАЛ позволяет снизить уровень требований к программистской подготовке пользователей, а также сократить сроки исследования сложных управляемых систем.

Задание на входном языке

АНАЛИЗАТОР ОПИСАНИЙ

Препроцессор

ФОРТРАН-компилятор

ДИАЛОГОВЫЙ МОНИТОР

Редактор

Имитатор

Обработчик

Архиватор

ВЕДУЩАЯ ПРОГРАММА

Сборщик

Анализатор схемы

Генератор

Моделирующая программа

Библиотека подпрограмм

1 уровня

Архив описаний

Архив результатов

Буфер

Библиотека стандартных

функций

Рис. 3: Структурно-функциональная схема системы БАЙКАЛ

Четвертая глава посвящена задачам разработки и применения с использованием ИС САТУРН пакетов программ для динамического анализа и параметрического синтеза так называемых прецизионных электромеханических систем (ПЭМС) - высокоточных систем стабилизации движущихся объектов, математические модели которых не разрешены относительно старших производных, нелинейны, имеют высокий порядок и обладают свойством жесткости.

В первом и во втором параграфах рассматриваются разработанные в рамках САТУРН-среды два производственных пакета программ ДИАНА и ДИСАН. Алгоритмы стабилизации исследуемой системы для пакета ДИАНА должны были иметь непрерывный, а для пакета ДИСАН - дискретный характер. Пакеты снабжены разработанным автором эффективным алгоритмическим и программным обеспечением, имеют простые и удобные языковые средства для описания математических моделей и исходных задач, а также для управления вычислительным процессом. Язык описания математических моделей опирается на векторно-матричное представление, широко используемое в повседневной практике проектирования в НПО, занятых разработкой высокоточных систем стабилизации движущихся объектов.

При создании пакетов ДИАНА и ДИСАН выполнен структурно-модульный анализ проблемы динамических расчетов ПЭМС, выполняемых с использованием метода цифрового моделирования, корневого и частотного методов, методов гармонической линеаризации, параметрической оптимизации, исследования абсолютной устойчивости по частотному критерию В.М.Попова, в результате чего определены необходимые наборы операций и параметров. С помощью ИС САТУРН получены системные компоненты (мониторы) пакетов. Разработаны входные языки пакетов, ориентированные на специалиста по проведению динамических расчетов и предоставляющие возможности описания математической модели ПЭМС и схемы ее исследования в терминах этой проблемной области. Каждый из пакетов включает порядка 100 операций и 300 параметров. Библиотека проблемных модулей каждого из пакетов насчитывает порядка 150 подпрограмм.

Пакеты программ ДИАНА и ДИСАН в комплексе покрывают потребности практики проведения динамических расчетов в методическом, алгоритмическом, информационном, языковом и системном обеспечении, создают для специалиста по управлению диалоговую проблемно-ориентированную среду высокого уровня, позволяют сократить сроки разработки системы управления и повысить качество принимаемых проектных решений.

В третьем параграфе в качестве примера демонстрации возможностей разработанных пакетов (в частности, пакета ДИАНА) и конструирования технологической схемы динамических расчетов рассматривается система пространственной высокоточ-

ной стабилизации оптической оси орбитального телескопа.

Приведено схематичное описание структуры управляемой системы, позволяющее оценить сложность математической модели (механическая часть системы имеет 50 степеней свободы, общий порядок уравнений движения замкнутой трехступенчатой пространственной системы управления равен 121). Рассмотрена декомпозиция сложной системы на подсистемы. Дано описание итерационного процесса решения задач средствами пакета ДИАНА, позволяющего в достаточной мере представить разнообразие взаимодействия подсистем, выделить существенные для точности стабилизации факторы, синтезировать необходимые для достижения требуемой точности корректп-рутотпие устройства.

Другой типовой реальной задачей для испытаний и полной проверки возможностей инструментальной системы САТУРН, ее работоспособности и эффективности в практическом применении, является задача построения - на основе готовой библиотеки проблемных модулей и их описаний - пакетов программ для численного моделирования динамики режимов функционирования системы ориентации и стабилизации спутника связи. В четвертом параграфе на примере производственного пакета СОС.ЧМ продемонстрированы возможности ИС САТУРН для решения этой задачи и показано, что средства языка SATL позволяют вполне адекватно отразить в модели 110 логику функционирования системы ориентации и стабилизации и алгоритма численного моделирования. Описание ПО пакета СОС.ЧМ для трех режимов функционирования включает 116 операций, 156 параметров.

С целью более наглядной демонстрации применения средств описания ирод)кшю-ных знаний в пятом параграфе разработан пакет знаний методического характера для вычисления собственных значений и векторов на основе подпрограмм библио теки NAG. На конкретных примерах раскрыты возможности средств планирования пакета знаний для автоматического построения схемы решения задачи по ее непроцедурному описанию.

Существует критическая точка в создании и развитии программного обеспечения прикладной области, когда становится настоятельной необходимостью разработка многопакетных систем. Важно, чтобы процессы интеграции были как можно менее обременительны и трудоемки для разработчиков мдагопакетных систем. Это требование. разумеется, существенно легче удовлетворить при использовании одной технологии и является одним из определяющих для выбора схем и средств комплексировация, создаваемый па бале ИС САТУРН и рассматриваемых в пятой главе .

Первый параграф посвящен анализу проблема автоматизации процессов разработки и функционирования многопакетных систем, Отмечается, что перспективным подходом к решению проблемы комплексирования является создание инструментально-

технологической среды, обеспечивающей как решение задач разработки пакетов программ, так и последующую их возможную интеграцию. На основе базовых средств ИС САТУРН предложены и проанализированы ряд технологических схем комплексирова-ния пакетов программ при создании многопакетных интегрированных программных комплексов. Эффективность разработанных в этом параграфе методик (в частности, централизованная как по данным, так и по управлению схема комплексирования) далее демонстрируется на примере многопакетной системы производственного назначения.

Данная система рассматривается во втором параграфе и предназначена для имитационного моделирования процессов формирования и управления качеством изображения установленного на борту космического аппарата большого орбитального телескопа. Агрегированная модель процесса формирования и построения оптического изображения большого орбитального телескопа представляет семейство связанных между собой частных разнородных моделей, включающее:

- модель управления движением изображения, которая в результате декомпозиции разделена на модель управления для режима стабилизации и модель вибраций;

- модель надежности системы автоматической фокусировки;

- теплофизическая модель, включающая в себя тепловую модель и модель деформаций;

- модель управления качеством изображения, которая включает модели системы автоматической фокусировки и системы автоматической юстировки телескопа;

- модель формирования изображения, состоящая из моделей атмосферы, оптической системы, учета вибраций, учета смаза изображения.

Большая часть операций, реализующих эти модели и алгоритмы их расчета, разработаны с использованием ИС БАЙКАЛ и пакета программ ДИАНА. Оставшиеся реализованы согласно стандартной САТУРН-технологии.

В целом, во втором параграфе предложена и реализована оригинальная архитектура и технология разработки диалоговой системы имитационного моделирования сложного оптико-механического комплекса. Они базируются на использовании инструментальных систем высокого уровня, методах и средствах комплексирования пакетов программ. Создано алгоритмическое и программное обеспечение, позволяющее автоматизировать проведение вариантных расчетов сложного оптико-механического комплекса, состоящего из подсистем различной физической природы и разнородного математического описания, выполнять планирование вычислительного эксперимента на основании знаний о программных моделях при непроцедурном описании цели машинной имитации. Применение имитационной системы позволяет расчетным путем определить показатели качества функционирования сложного оптико-механического комплекса, выбрать структуру и номинальные значения его параметров, сократить

сроки проектирования оптико-механических управляемых систем.

Заключение

Главными результатами диссертационной работы являются и на защиту выносятся методология и системная интеллектная программная среда для разработки, отладки, модификации, комплексирования и применения пакетов программ, как основного инструмента автоматизации процессов анализа динамики и проектирования сложных управляемых движущихся объектов. Характерной особенностью методологии является теспая интеграция средств и методов программной инженерии, инженерии знаний и доказательного программирования.

Более детально, на защиту выносятся:

1) Описание основных характеристик математических моделей СУ СДО, методов, алгоритмов и методик их исследования. Общесистемные требования, сформулированные к средствам автоматизации расчетной составляющей процессов анализа динамики и проектирования СУ СДО. Согласованные между собой, а также с основными характеристиками и требованиями методологические принципы автоматизации процессов анализа и проектирования на основе комплексного использования средств л методов программной инженерии, инженерии знаний и доказательного программирования.

'21 Совокупность типов знаний о ПО (согласованных с основными характеристиками и общесистемными требованиями ПО), включающая такие понятия, как модули, параме!ры. операции, продукции, логические уравнения, процессоры, задачи и данные. Унифицированная информационно-вычислительная модель ПО в виде семейства отношений между перечисленными типами знаний.

3) Формальный язык ЗАТЬ спецификации пакетных знаний для характеризации разнесенных по слоям описаний конкретных объектов ПО и отношений между ними, постановок исследовательских задач и работы с расчетными данными. Специализированная объек гно-ориентиронапная модель проектных данных, позволяющая выполнить эффективную реализацию транслятора с языка БАТЬ.

4) Новые модели задачи планирования с применением систем матричных логических уравнений, позволяющие расширить возможности планирования с помощью алгоритмов решения таких систем, в частности, позволяющие осуществить диагностику неразрешимости задачи и организовать инициируемый компьютером диалог по извлечению дополнительных знаний ("проталкивание зависших задач").

5) Архитектура и две базовые схемы реализации инструментальной системы САТУРН для автоматизации процессов конструирования, отладки, модификации, комплексирования и применения пакетов знаний.

6) Архитектура и основные алгоритмы функционирования специализированной инструментальной среды БАЙКАЛ длд автоматизации моделирования составных непрерывно-дискретных объектов.

7) Разработанные с помощью САТУРН-среды три пакета программ: 1) ДИАНА и ДИСАН для автоматизации исследования динамики и синтеза параметров прецизионных электромеханических систем (высокоточных систем стабилизации движущихся объектов) с приложением пакета ДИАНА к задаче исследования диламики системы стабилизации орбитального телескопа, и 2) СОС.ЧМ для решения задач крупноблочного описания и моделирования режимов функционирования космического аппарата на основе готовой библиотеки проблемных иодулей.

8) Технология комплексирования пакетов программ при создании многопакетных интегрированных программных комплексов с использованием базовых средств инструментальной системы САТУРН с приложением в задаче иммитационюго моделирования сложного оптико-механического комплекса.

Программная реализация и эксплуатация всех перечисленных систем и пакетов подтвердила правильность предложенных для их построения принципов и решений. Каждая программная разработка имеет полную документацию, сдан! в соответствующий фонд и/или принята соответствующей межведомственной комиссией, принимавшей работу по завершении темы. Различные версии инструментальной системы САТУРН использованы для разработки более 20 пакетов программ в ИДСТУ СО РАН и других организациях. Разработашые программные комплексы внедрены в 12 научно-исследовательских организациях и научно-промышленных объединениях, что подтверждено соответствующими актамв о внедрении.

Изложенные в диссертации методологические основы разработки и применения пакетов программ и разработанное инструментальное обеспечение могут найти применение в других проблемных областях для автоматизации расчетных работ на основе соответствующих математических моделей, методов и методик их исследования.

Печатные работы по теме диссертации

1. Данилов A.M., Опарин Г.А., Стрежнев В.А. К синтезу нелинейных слабодемпфи-рованных колебательных управляемых систем // Вычислительные и управляемые системы летательных аппаратов.- Казань: КАИ, 1978.- Вып.1.- С.24-29.

2. Опарин Г.А. Комплекс программ для параметрического синтеза прецизионных электромеханических систем // Теория устойчивости и ее приложения.- Новосибирск: Наука, 1979.- С.284-292.

3. Опарин Г.Л. САТУРН - метасистема для построения пакетов прикладных программ. Инф.листок N355-80 // Иркутск: Щ1ТИ, 1980,- 4с.

4. Опарин Г.А. К теории планирования вычислительного процесса в пакетах прикладных программ I/ Пакеты прикладных программ. Методы и разработки. - Новосибирск: Наука, 1951. - С. 5-20.

5. Опарин Г.А. САТУРН - метасистема для построения пакетов прикладных программ // Разработка пакетов прикладных программ. - Новосибирск: Наука, 1982. - С. 130-160.

. 6. Опарин Г.А., Феоктистов Д.Г. Генерация управляющей программы пакета прикладных программ в метасистеме САТУРН // Пакеты прикладных программ. Технология разработки. - Новосибирск: Наука, 1983. - С. 4-14.

7. Опарин Г.А., Феоктистов Д.Г. САТУРН - метасистема для разработки пакетов прикладных программ // II Всесоюз. конф. "Автоматизация производства пакетов прикладных программ и трансляторов". - Таллин: ИК АН ЭССР, 1983. - С. 73-75.

8. Опарин Г.А. Пакет программ ДИАНА для анализа динамики предизионных электромеханических систем (библиотека процедур) // Пакеты прикладных программ. Технология разработки,- Новосибирск: Наука, 1983.- С.87-101.

9. Лавров С.. Левин Д., Ма!улис В.. Машин М., Нариньяни А.. Опарин Г.. Ты л у Г)., Хорошевский В. Технологические системы поддержки разработок- искусственного интеллекта// Представление знаний ч человеко-машинных и робот ©технических системах,- М.: ВЦ АН СССР. ВИНИТИ. 1984,- Том В, - С. 102-123.

10. Опарин Г. А., Феоктистов Д.Г. Организация длало! а в пакетах программ, конструируемых с помощью метасистемы САТУРН /,/ Материалы III Всесоюз. конф. "ДИАЛОГ - "ЧЕЛОВЕК - ЭВМ", - Серпухов: ИФВЭ ГКАЭ СССР, 1981. - С. 105.

11. Матросов В.М., Опарин Г.Л.. Почтаренко М.В. Пакет прикладных программ по динамическому анализу нелинейных мехенических и управляемых систем (Рег.номер ГогФАП П006822) Ц Алгоритмы и программы. - М.: ВНТИЦентр. 1981. N1(58).- С.72.

12. Алдоикип Ю.Г., Киселев С.И.. Опарин Г.А.. Рыбачук Ю.В.. Рыжов В.П. Специализированное программное обеспечение моделирования динамики составных непрерывно-дискретных систем // Пакеты прикладных программ: Функциональное наполнение.- Новосибирск: Наука, 1985,- С. 11-19.

13. Опарин Г.Л. Пакет программ ДЕАНЛ аля анализа динамики прецизионных электромеханических систем (языковые средства) // Пакеты прикладных про!рамм. Функциональное наполнение. - Новосибирск: Наука. 1985. С. 135-142.

14. Опаргн Г.А., Киселев С.И. БАЙКАЛ - система автоматизации моделирования сложных непрерывных объектов, управляемых ЦВМ //В сб.: V Всесоюзной конф. по управлению в механических системах.- Казань: КАИ, 1985.

15. Опарин Г.А., Киселев С.И. Специализированное программное обеспечение для автоматизации моделирования динамики сложных непрерывно-дискретных управляемых систем // Тезисы докладов II Всесоюзного совещания "Моделирование авиационных и космических кибернетических систем",- Сухуми, 1985.- С94-97.

16. Опарин Г.А., Феоктистов Д.Г. САТУРН - метасистема для автоматизации конструирования и поддержки функционирования пакетов прикладных программ с автоматическим планированием вычислительного процесса // Пакеты прикладных программ. Итоги и применения. - Новосибирск: Наука, 1986. - С. 12-21.

17. Опарин Г.А., Киселев С.И. ЯМБ - входной язык системы моделирования БАЙКАЛ // Пакеты прикладных программ: Итоги и применения.- Новосибирск: Наука, 1986.- С.21-31.

18. Опарин Г.А., Феоктистов Д.Г. Планирование вычислителшого процесса в метасистеме САТУРН // Проблемы искусственного интеллекта и ркпозпавания образов. Научная конф. с участием ученых из соц. стран. Тез. докл. и сообщений. Секция 1. Искусственный интеллект. - Киев: ИК АН УССР, 1984. - С. 132134.

19. Matrosov V.M., Vassilyev S.N., Divakov O.G., Oparin G.A. On the intellectual program packages// Artifical Intelligence and Information - Control Systems of Robots: Proc. of the Third International Conference, Smolenice, Chechoslovakia, 14-15 June, 1984. - Elsevier Science Publishers B.V.(North-Holland), 1984.- P. 241-246.

20. Опарин Г.А., Феоктистов Д.Г. Новые языковые средства пакетов прикладных программ в метасистеме САТУРН // Пакеты прикладных программ. Функциональное наполнение. - Новосибирск: Наука, 1985. - С. 20-28.

21. Опарин Г.А., Феоктистов Д.Г. Опыт разработки и примеюния инструментальной системы САТУРН для автоматизации конструирования и поддержки функционирования ППП // Численные методы и средства проектирования и испытания РЭА. Тез. докл. Том 2. - Таллин: ТПИ, 1987. - С. 97-100.

22. Журавлев А.Е., Опарин Г.А. Диалоговая инструментальная система САТУРН-ЕС для автоматизации производства и эксплуатации комплексов пакетов программ на ЕС ЭВМ // Комплексы программ математической физики i архитектура ЭВМ.-Красноярск: ВЦ СО АН СССР, 1988.- С. 114-127.

23. Опарин Г.А., Феоктистов Д.Г. Управление памятью в метасистеме САТУРН // Инструментальные системы и моделирование. - Новосибирск: Шука, 1988. - С. 84-91.

24. Журавлев А.Е., Опарин Г.А. Технология комплексироваьия пакетов программ в инструментальной системе САТУРН-ЕС при построении систеи автоматизации проектирования // Численные методы я средства проектирования и испытания элементов твердотельной электоники. Тезисы докладов Республиканского семинара. Том 2,- Таллин: ТТУ, 1989,- С. 89-92.

25. Матросов В.M., Опарин Г.А., Козлов Р.И., Сомов Е.А., Бутырин С.А. СИТО для исследования динамических движущихся объемов // Программные системы в автоматизации проектирования изделий машиностроения.- Ижевск, 1988,- С.10-11.

26. Опарин Г.А., Киселев С.И. Информационное i программное обеспечение сясте-мы БАЙКАЛ // Инструментальные системы и моделирование. - Новосибирск: Шука, 19S8. - С.91-99.

27. Опарин Г.А. Инструментальное программно? обеспечение для автоматизации инженерных расчетов сложных автоматических систем // Программное обеспечение ЭВМ новых поколений. Тезисы докладов VIII Сибирской школы по пакетам принлад-ных программ. - Иркутск: Иркутский ВЦ СО АН СССР. 1989,- С.14-15.

28. Опарин Г.А., Киселев С.И. БАЙКАЛ - диалоговая система моделирования сложных непрерывно-дискретных объектов // Материалы конф. ДИАЛОГ-ЧЕЛОВЕК-ЭВМ. Часть 2.- Свердловск: УрО АН СССР, 1989.- С.118-121.

29. Журавлев А.Е., Опарин Г.А. Языковые средства спецификации проблемной области и постановок задач в ИС САТУРН-ЕС // Программное обеспечение ЭВМ новых поколений. Тезисы докладов VIII Сибирской школы по пакетам прикладных программ. - Иркутск: Иркутский ВЦ СО АН СССР, 1989.- С. 39.

30. /Куравлев А.Е., Опарин Г.А. Организация дгалога па основе баз знаний з инструментальной системе САТУРН-ЕС' // Тезисы докладов VIII Всесоюзной конференции ''Диалог "ЧЕЛОВЕК-ЭВМ". Часть 2,- Свердловск: УрО АН СССР. 19S5.- С. i 07-1 OS.

31. Журавлев А.Е.. Опарин Г.А. Принципы организации н функционирование объектно-ориентированной диалоговой системы управления базами знаний "ОБЪЕКТ" // Тезисы докладов IV Всесоюзной научной конференции "Системы баз данных и знаний". - Калинин: НПО "Центрпрограммсистем'. 1989.

32. Опарин Г.А., Переверзева C.B., Тухалова О.Г. Пакеты программ для автоматизации динамических расчетов непрерывных и цифровых автоматических систем // Машинные методы в задачах механики устойчивости п управления,- Казань: Ь'АИ. 1990.- С.51-02.

33. Опарин Г.А. Инструментальное программное обеспечение для разработн интеллектуальных САПР систем управления движением // Автоматизация созданш математического обеспечения и архитектуры систем реального времени.- М.: НИН АС, 1990,- С.50-51.

34. Опарин Г.А., Киселев С.И. Инструментальный комплекс БАЙКАЛ и его использование для моделирования систем реального времени // Автоматизация создания математического обеспечения и архитектуры сисгемреального времени.- М.: НИИ АС,

1990,- С.54-56.

35. Матросов В.M., Раевский В.А., Козлов Р.И., Сомов Е.И., Титов Г.П., Климарев A.M., Кондратьев В.В., Опарин Г.А., Бутырин С.А., Симонов С.А. СГЩО для автоматизированного проектированм систем управления движением // Автоматизация создания математического обеспечения и архитектуры систем реального времени.- М.: НИИ АС, 1990.- С.45-48.

36. Журавлев А.Е., Опарин Г. А. Инструментальная среда разработки и эксплуатации экспертных систем организации вычислительных процессов на основе библиотек подпрограмм // Экспертные системы. Всесоюзное совещание. Тезисы докладов. - М: ИПУ, 1990. - С. 165-166.

37. Журавлев А.Е., Опарин Г.А. Специализированная система управления базами данных в инструментальной системе САТУРН-ЕС. // Интеллектуализация средств программирования. - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1990. - С. 55-66.

38. Опарин Г. А., Черемных C.B. Алгоритмическое обеспечение динамического анализа и параметрического синтеза линейных непрерывно-дискретных прецизионных электромеханических систем в пахете прикладных программ ДИСАН // Интеллектуализация программных средств.- Новосибирск: Наука, 1990.- С.132-142.

39. Опарин Г.А., Феоктистов Д.Г., Феоктистов А.Г. Диалоговая инструментальная система для автоматизации разработки, производства и эксплуатации пакетов прикладных программ с плакированием схем вычислений и гибким управлением вычислительным процессом (САТУРН-МВК) (Per. номер 50910000253) // Алгоритмы и программы.- М.: ВНТИЦентр, 1991, N4.- С.13.

40. Опарин Г.А., Феоктистов Д.Г. Журавлев А.Е. Инструментальное программное обеспечение для автоматизации разработки прикладных интеллектуальных систем // Интеллектуальные системы в машиностроении. Материалы Всесоюзной научпо-технической конференции. Часть 3. - Самара: Самарский филиал Института машиноведения АН СССР, 1991. - с. 93-96.

41. Matrosov V.M., Oparin G.A., Feoktistov D.G., Zhuravlev А.Е. Kiselev A.I. A Software Tool and Technology of its Application (SATURN - Technology) for Development and Explotation of Applied Intelligent Packages for Mathematical Modelling and Investigation of Control System of Complex Objects' Motion // IMACS/IFAC International Workshop "Methods and Software for Automatic Control System", Summaries of Papers. - Irkutsk: Irkutsk Computing Center, 1991. - P. 92-93.

42. А.Е.Журавлев, Г.А.Опарин, Д.Г.Феоктистов. Инструментальные средства построения и эксплуатации гибридных экспертных систем вычислительного типа для решения задач математического моделирования и вычислительного эксперимента // Программное обеспечение математического моделирования, управления и искусственного интеллекта. Тезисы докладов IX Школы по ППП (ноябрь, Адлер, 1991). - Иркутск,

ИрВЦ СО АН СССР, 1991.- С.96-97.

43. В.Г.Богдакова, А.Е.Журавлев, Г.А.Опарин, Д.Г.Феоктистов. PQBASE - Профессиональная инструментальная СУБД для разработчиков диалоговых систем автоматизированной обработки данных на ПЭВМ типа IBM PC/XT/AT // Программное обеспечение математического моделирования, управления и искусственного интеллекта. Тезисы докладов IX Школы по ППП (ноябрь, Адлер. 1991). - Иркутск, ИрВЦ СО АН СССР, 1991.- С.91-92.

44. С.И.Киселев, Г.А.Опарин. Интеллектуальная среда моделирования динамики цифровых систем управления сложными объектами // Программное обеспечение математический) мояелировання. управления и искусственного интеллекта. Тезисы докладов IX Школы по ППП (ноябрь, Адлер, 1991). - Иркутск, ИрВЦ СО АН СССР,

1991,- С.99-100.

45. Г.А.Опарин, А.Г.Феоктистов. Организация системной части пакета прикладных программ по линейной алгебре EISPACK средствами инструментальной системы САТУРН // Программное обеспечение математического моделирования, управления и искусственного интеллекта. Тезисы докладов IX Школы по ППП (ноябрь, Адлер, 1991). - Иркутск, ИрВЦ СО АН СССР, 1991,- С.112.

46. Г.Д.Одарил, О.Г.Тухалова, С.В.Переверзева. Пакет программ ДИСАН для исследования динамики нелинейных цифровых систем стабилизации элек громеханиче-скими объектами //' Программное обеспечение математического моделирования, управления и искусственного интеллекта. Тезисы докладов IX Школы по ППП (ноябрь. Адлер. 1991). - ИрВЦ СО АН СССР, Иркутск. 1991.- С.113.

47. Г.А.Опарич. Двоичные динамические модели планирования вычислений в модульных программных системах // Программное обеспечение математического моделировании, управления и искусственного интеллекта. Тезисы докладов IX Школы по ППП (ноябрь, Адлер, 1991). - Иркутск, ИрВЦ СО АН СССР, 1991.- С.113-114.

48. В.М.Матросов , Р.И.Козлов. Сомов Е.И.. Бутырин С.А.. Курносо» К А., Бонда-ренко Е.А.. А.Е./Куравлев. Г.А.Опарин, С.А.Симонов. .Методы и npoi раммное обо< печение для автоматизированного проектирования систем управления ориентацией космических аппаратов // Динамика и управление космическими объектами /под ред. Матросова В.М., Решетнева М.Ф. Новосибирск: Наука, 1992,- С.163-179.

49. Г.А.Опарин, Д.Г.Феоктистов. А.Б.Журавлев. Инструментальные средства автоматизированной разработки и эксплуатации интеллектуальных САПР систем управления движением // Автоматизация создания математического обеспечения и архитектуры систем реального времени. Тезисы докладов III Всесоюзной школы,- Саратов.

1992.- C.50-S1.

50. С.И.Киселев, Г.А.Опарин. Сборочное конструирование математических моделей

цифровых систем управления подвижными объектами / / Автоматизация создания математического обеспечения и архитектуры систем реального времени. Гезисы докладов Ш Всесоюзной школы.- Саратов, 1992,- С.90-91.

51. В.М.Матросов, Ю.Г.Алдошкин, С.И.Киселев, Г.А.Опарин. Автоматизация моделирования динамики составных непрерывно-дискретных систем управления движущимися объектами // Динамика и управление космическими объектаии /под ред. Ма-тросова В.М., Решетнева М.Ф. Новосибирск: Наука, 1992.- С.179-193.

52. А.Е.Журавлев, Г.А.Опарин, Д.Г.Феоктистов. Инструментальные средства построения и эксплуатации гибридных экспертных систем вычислительного типа // Вычислительные технологии. - Новосибирск ИВТ СО РАН, 1993, - т.2, N б, с. 13-26.

53. В.Г. Богданова, А.Е.Журавлев, Г.А.Опарин, Д.Г. Феоктистсв. Высокопроизводительная хВАЭЕ совместимая СУБД с оптимизирующим компюнтором входного языка и открытой архитектурой / Программные продукты и системы. - 1994, - N 2, с. 18-21.

54. Г.А.Опарин, Д.Г.Феоктистов. Организация знаний при математическом моделировании и исследовании динамики систем управления движущимися объектами. // Сборник докладов VI Всероссийского семинара по управлению движенцем и навигации летательных аппаратов. - Самара: Аэроюсмический университет, 1994.- С.56-60.

55. Опарин Г.А., Феоктистов Д.Г. Планирование схем решения задач в инструментальном комплексе САТУРН/ПЗ // Компьютерная логика, алгебра и интеллектное управление.- Иркутск: ИрВЦ СО РАН, 1994, Т.1. - С.3-13.

56. Журавлев А.Е., Опарин Г.А. Представление знаний о проблемной области в инструментально-технологическом комплексе САТУРН/ПЗ, Концептуальная схема и выбор модели данных // Компьютерная логика, алгебра и интеллектное управление,-Иркутск: ИрВЦ СО РАН, 1994, Т.1. - С.76-88.

57. Опарин Г.А., Феоктистов А.Г., Феоктистов Д.Г. Конкретизатср схем вычислительного процесса в пакетах программ с автоматическим планированием вычислений // Компьютерная логика, алгебра и интеллектное управление,- Иркутск: ИрВЦ СО РАН, 1994, Т.1.- С.140-157.

58. Богданова В.Г., Опарин Г.А., Феоктистов А.Г., Автоматизация разработки схе-моориентированных языков графического описания для моделированш систем блочной структуры // Компьютерная логика, алгебра и интеллектное управление,- Иркутск: ИрВЦ СО РАН, 1994, Т.1.- С.101-114.

59. Опарин Г.А. Инструментальная САТУРН-среда для разработм и эксплуатации прикладных интеллектуальных систем з области математического моделирования и вычислительного эксперимента // Сборшк научных трудов IV Национальной конференции с международным участием "Искусственный интеллект - 94". - М.: ВЦ РАН,

ИПС РАН. - 1994. - Т.2. - С.332-336.

60. Опарин Г.А. Методологические аспекты технологии компьютерного исследования и проектирования систем управления сложными движущимися объектами. // Устойчивость и управление для трансформирующихся яелппейных систем. Международная научная конференция. 27 - 29 июня 1995 года. .Москва: Тезисы докладов /МАИ, С. 69.

61. Опарин Г.А. Численное решение больших разреженных систем булевых уравнений. // 5V Международная конференция ''ПРИКЛАДНАЯ ЛОГИКА - 95". Иркутск, 15-17 июня, 1995 года. Иркутск: Тезисы докладов /ИГУ.

62. Опарин Г.А., Феоктистов А.Г.. Феоктистов Д.Г. Комбинированный исполнитель схем вычислительного процесса в инструментально-технологическом комплексе САТУРН/ПЗ // Компьютерная логика, алгебра и интеллектное управление. - Иркутск: ИрВЦ СО РАН, 1995.- Т.З.- С.156-168.

63. Опарин Г.А. Сборочно-конкретизируюшее моделирование в инструментальной САТУРН-среде. // Компьютерная логика, алгебра и интеллектпое управление. - Иркутск: ИрВЦ СО РАН, 1995.- Т.З.- С.139-155.

64. Опарин Г.А., Феоктистов А.Г., Феоктистов Д.Г. Комбинированный режим исполнения абстрактных программ в инструмен i адьно-технологическом комплексе СА-TYPH/I13 /7 Авюматика и вычислительная техника. - ¡996, N6. C.7T-S4.

65. Опарин Г.Д., Феоктистов А.Г., Богданова В.Г. Системная САТУРН-среда пакетов знаний / Труды II Международного симпозиума "Интеллектуальные системы" (ИНТЕЛС'ЭбГ. Под ред. Пулкова К.А. (Санкт-Петербург. 1-4 июля 1996т.) В двух томах. Т.2.- М.: Изд-во РУДН-11АИМС. 1996,- С.99-101.

66. Опарин Г.А.. Феоктистов А.Г.. Феоктистов Д.Г., Журавлев А.К.. Богданова В.Г. Инструментальная система для разработки п эксплуатации пакетов знаний для ПЭВМ IBM PC/AT (С'АТУРН/ЛЗ). Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ N 960294. Москва: РосАПО, 1996.

67. Опарин I .A. Алгоритм решения больших разреженных систем булевых уравнений // Новые пнформ. технологии в исследовании дискр. структур. Екатеринбург: УрО РАН, 1996.- С.137-144.

68. Журавлев А.Е., Опарин Г.А. SATL - язык для представления а использования пакетных знаний / Программные продукты и системы. - 1996. N3, С.26-35.

69. Опарин Г.Д., Феоктистов А.Г., Феоктистов Д.Г.. Журавлев А.Г. Ипстру.мен-ja.TbHbic средства построения и эксплуатации пакетов знаний // Управляющие системы н машины. - 1997, N3-3, С.138-143.

70. Журавлев А.Е., Опарин Г.А. Управление данными в инструментальной САТУРН-среде для накопления и использования пакетных знаний // Программные

продукты и системы.- 1997, N3.- С.21-27.

Список используемых сокращений

ИС - инструментальная система ПЗ - пакет знаний ПО - проблемная область ППП - пакет прикладных программ СРЗ - схема решения задач

СУ СДО - система управления сложным движущимся объектом

Содержание

Введение

Глава I. Методологические основы автоматизации процессов разработки и применения пакетов знаний в области исследования динамики и проектированиям сложных управляемых движущихся объектов 25

51. Характеристики ПО и требования к организации расчетных работ.....25

82. Принципы организации процессов разработки и применения пакетов знаний 31

§3. Язык для представления и использования пакетных знаний.....44

§4. Концептуальная схема спецификаций ПО и выбор модели данных.....69

§5. Методы планирования схем решения задач...................85

§6. Методические и технологические аспекты проектирования пакетов знаний 100

Глава II. Инструментальная система САТУРН для разработки и эксплуатации пакетов знаний 107

§1. Архитектура инструментальной С'АТУРН-среды пакетов знаний......109

§2. Макросрелства в инструментальной системе САТУРН............125

§3. Особенности архитектуры п реализации инструментальной сиоемы СЛ-

ТУРН/М .....................................131

§4. Особенности архитектуры и реализации инструментальной системы САТУРН/Б ......................................138

§5. Технология использования инструментальной системы САТУРН......117

Глава III. Инструментальная среда моделирования динамики составных непрерывно-дискретных объектов 154

§1. Характеристики типовых объектов моделирования..............150

§2. Формальная .модель составных" непрерывно-дискретных объектов......160

§3. Каноническая форма уравнений динамики составных непрерывно-дискрет -

пых объектов и планирование вычислений..................165

§4. Языковые средства ................................168

§5. Архитектура инструментальной среды моделирования............176

§6. Моделирование динамики системы управления движением в пространстве

космического аппарата средствами системы БАЙКАЛ...........184

Глава IV. Пакеты программ для исследования динамики прецизионных электромеханических систем 187

§1. Пакет прикладных программ по динамическому анализу и параметрическому синтезу прецизионных электромеханических систем (ДИАНА) . . . 188 §2. Пакет прикладных программ для динамичесюго анализа и параметрического синтеза непрерывно - дискретных прехизионных электромеханических систем (ДИСАН)..............................207

§3. Исследование динамики высокоточной системы стабилизации орбитального телескопа средствами пакета ДИАНА...................226

§4. Пакет программ СОС.ЧМ для моделированш динамики режимов работы

системы ориенгапии и стабилизации космэтеского аппарата.......235

§5. Методический пакет знаний СПЕКТР для зачисления собственных значений и векторов с использованием библиотеки NAG............244

Глава V. Инструментальная поддержка процессов разработки и функционирования многопакетных систем 248

§1. Комплексирование пакетов программ......................248

§2. Имитационная система сложного оптикомехааического комплекса.....253

Заключение 266

Литература 269