автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Автоматизация разработки пакетов статистического моделирования траекторий в геометрически сложных областях

р Г 6 ОД

ГОСУЛАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РТЗССИИ ПО НАУКЕ И ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи УДК 681.3.06:519.245

МОСКВИНА Лариса Анатольевна

АВТОМАТИЗАЦИЯ РАЗРАБОТКИ ПАКЕТОВ СТАТИСТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТРАЕКТОРИЙ В ГЕОМЕТРИЧЕСКИ СЛОЖНЫХ ОБЛАСТЯХ

05.13.16 - применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск - 1993 г.

Работа выполнена в Вычислительном центре Сибирского отделения Российской Академии наук

Научный консультант : чл.-корр. РАН, профессор МИХАЙЛОВ Г.А. Научный руководитель: к.ф.-м.н., с.н.с. БЕЖАНОВА М.М.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Ведущая организация: Институт систем информатики Сибирского

отделения Российской Академии наук

на заседании специал . ,

Новосибирском государственном университете по адресу: 630090, г.Новосибирск. 90 ул. Пирогова, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного университета.

В. И. Дробышевич.

кандидат физико-математических наук Н.А. Калинина

Защта состоится

Автореферат разослан

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат физико-математических наук С

овета ¡п

Г

. Н.Сергеев-Альбов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Пакеты прикладных программ (ППП) являются одной из современных форм автоматизации решения задач в различных предметных областях. Многообразие сфер применения вычислительной техники обусловливает многообразие пакетов, которые различаются по функциональному назначению, сложности исследуемых с их помощью объектов и явлений, способам организации в них вычислительного процесса, принципам их функционирования. Массовый характер производства пакетов, необходимость повышения их качества делают чрезвычайно актуальной проблему создания.методологий и технологий, обеспечивающих автоматизацию конструирования, функционирования и развития конкретного класса пакетов, и, в частности, пакетов, в которых используется алгоритмы статистического моделирования траекторий в геометрически- сложных областях.

Решение этой проблемы требует разработки специализированных технологических средств, ориентированных на определенный круг предметных областей и учитывающих не только операционную обстановку разработки пакета и квалификацию различных категорий его пользователей, но и специфику используемых вычислительных алгоритмов. Базовым методом рассматриваемого семейства пакетов является метод Монте-Карло, активное применение которого для решения широкого круга проблем обусловлено слабой зависимостью трудоемкости алгоритмов от размерности пространства и сложности геометрии. Глубокая модульность алгоритмов метода Монте-Карло позволяет свести сложную задачу статистического моделирования траектории в геоыетрически-сложной области к совокупности более простых, относительно самостоятельных задач моделирования траектории в элементарных подобластях. Последнее обстоятельство делает чрезвычайно перспективной автоматизацию решения разнообразных проблем, использующих статистическое моделирование траекторий.

К началу данной работы активно велись исследования по автоматизации решения задач из различных предметных областей. Однако систематическое исследование по специфике автоматизации указанного семейства пакетов проведено не было. Отсутствие методологии

- г -

и технологии разработки данного класса пакетов затрудняло применение статистического моделирования траекторий для решения практических задач.

Цель работы. Исследование и разработка средств атоматиза-ции, обеспечивающих построение, функционирование и развитие ППП статистического моделирования траекторий в областях сложной геометрии. Разработка конкретных ППП по предложенной технологии.

Область исследований. Принципы и методы построения пакетов прикладных программ. Основные задачи исследований:

- провести модульный анализ предметных областей разрабатываемых пакетов, алгоритмического и программного обеспечения, на базе которого эти пакеты создаются;. определить перспективы дальнейшего развития данного класса пакетов с целью определения направления их автоматизации;

- проанализировать технологические системы разработки пакетов с целью определения требований к разрабатываемым технологическим средствам автоматизации;

- изучить операционную обстановку, в которой разрабатываются пакеты с целью определения архитектуры технологических средств на различных классах ЭВМ.

Научная новизна. В диссертационной работе определены направления автоматизации пакетов статистического моделирования траекторий в геометрически-сложных областях, предложена методология организации таких пакетов, базирующаяся на идеях объектно-ориентированного программирования. Эта методология может быть использована для автоматизации разработки пакетов данного семейства независимо от типа используемой ЗВМ.

Практическая значимость. Предложенная методология разработки пакетов статистического моделирования траекторий в геометрически-сложных областях поддержана совокупностью разработанных технологических средств, предназначенных для создания таких пакетов на ЭВМ БЭСМ-6 и ЕС ЭВМ. Состав и архитектура этих средств существенно зависит от аппаратного и штатного программного обеспечения этих вычисли:зльных машин. На ЭВМ БЭСМ-6 технологические средства реализованы в форме инструментальной системы

СТАРТ. Версии пакетоЕ для ЕС ЭВМ представлены проблемно-ориентированными подсистемами, разработанными средствами технологического комплекса ТРАП. Данные технологические средства использованы при разработке пакетов, предназначенных для проведения вычислительного эксперимента при проектирования сложных инженерно-технических установок. Использование этих средств существенно сократило время разработки пакетов, так как обеспечило пакет готовым системным наполнением, облегчило процесс разработки и реализации удобного входного языка пакета, содержащего средства для автоматизации его разработки, функционирования и развития.

Реализация результатов. Исследование, разработка методологии и технологии автоматизации создания, функционирования и развития пакетов статистического моделирования траекторий выполнены в рамках трех плановых тем ВЦ СО РАН в процессе создания пакетов КЕДР. МИРАЖ И НЕКТОН-1.

Пакет КЕДР предназначен для расчета реакторов с нестандартной геометрией; МИРАЖ - для расчета радиационного теплообмена между поверхностями тел, находящихся в вакууме; НЕКТОН-1 - для решения краевых задач теории упругости и потенциала.

ИС СТАРТ использована при разработке пакетов КЕДР, МИРАЖ и НЕКТОН-1 на ЭВМ БЭСМ-6. Проблемно-ориентированные подсистемы МИРТА и НЕРПА, разработанные средствами технологического комплекса ТРАП, вошли с состав версий пакетов МИРАЖ и НЕКТОН-1. реализованных на ЕС ЭВМ.

Все разработанные пакеты и технологические системы приняты соответствующими межведомственными комиссиями в 1985 - 1991 гг. и сданы в ГосФАП. Система СТАРТ внедрена в эксплуатацию в ряде организаций страны.

Апробация. Результаты работы докладывались на школах по технологии разработки ППП (Иркутск. 1979, 1980, 1981. 1989; Владивосток, '1982; Москва, 1987; Адлер, 1991); Всесоюзной конференции "Синтез, тестирование, верификация и отладка программ" (Рига, 1981); Всесоюзном семинаре "Применение метода Монте-Карло в задачах переноса частиц в веществе" (Алма-Ата, 1983); Всесоюзном семинаре "Промышленная технология создания и применения программных средств в организации управления и НИОКР" (Свердловск. 1984); VII Всесоюзном совещании "Методы Монте-Карло в вычисли-

тельной математике и математической физике" (Новосибирск. 1985); республиканском семинаре "Общие вопросы технологии создания программного обеспечения" (Вильнюс, 1985. 1988); семинарах ВЦ СО АН СССР по пакетам прикладных программ (Новосибирск, 1981, 1984); объединенном семинаре НГУ, ВЦ СО АН СССР и НФИТМиВТ по системному программированию (Новосибирск, 1982); семинаре ВЦ СО АН СССР "Математическое и архитектурное обеспечение параллельных вычислений" (Новосибирск, 1988); школе-семинаре "Актуальные проблемы статистического моделирования и их приложения" (Ташкент, 1989); VIII Всесоюзном совещании "Методы Монте-Карло" (Новосибирск, 1991).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 36 работ, список которых приводится в конце автореферата.

Структура и объем. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (110 наименований), трех приложений; изложена на 108 страницах машинописного текста, содержит 3 таблицы и 5 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении формулируется цель диссертационной работы и обосновывается ее актуальность, коротко излагается ее содержание.

Первая глава посвящена определению архитектуры пакетов статистического моделирования траекторий в геометрически -сложных областях и разработке методологии их автоматизации. Для выявления специфики пакетов данного семейства рассмотрены пакеты КЕДР, МИРАЖ и НЕКТОН-1, 'при разработке которых использована данная методология.

Пакет прикладных программ для расчета ядерных реакторов с нестандартной геометрией методом Монте-Карло (КЕДР) предназначен для решения задач нейтронно-физического расчета некоторых классов реакторов со сложной нестандартной геометрией (реактор имеет нестандартную геометрию, если не существует геометрического модуля для его расчета).

Пакет прикладных программ МИРАЖ предназначен для автомати-

зации решения задач радиационного теплообмена между сложными поверхностями практически произвольной конфигурации, находящимися в вакууме. При этом поверхности тел рассматриваются как односторонние или двухсторонние поверхности нулевой толщины с заданными на каждой стороне оптическими характеристиками, не зависящими от температуры.

Пакет прикладных программ для решения краевых задач теории потенциала и упругости методом Монте-Карло (НЕКТОН-1) . предназначен для решения следующих классов краевых задач математической физики: трехмерные краевые задачи теории потенциала; задачи теории тонких пластин.

Средства автоматизации разработки и функционирования пакета реализуются в форме его системного наполнения (СН). Для определения архитектуры СН небходимо выявить особенности задач предметной области пакета.

Задачи, решаемые пакетами данного семейства, корректны, достаточно хорошо формализованы, для них четко определены критерии выбора алгоритма решения, что позволяет автоматизировать процесс их решения с помощью методов статического планирования.

При разработке входного языка ППП, обеспечивающего автоматизацию его функционирования, учитывается тот факт, что пользователю для формулировки задачи моделирования необходимо задать большой объем информации, включающей данные как о геометрии области, так и о разнообразных факторах (коэффициенты уравнения, краевые условия, физические свойства материалов, характеристики источников и т.д.), влияющих на результаты моделирования. Сложная проблема формулировки задач пакета существенно упрощается-при выделении 6 предметной области пакета проблемно-ориентированных объектов и разработке языковых средств их описания. При этом в процессе решения задачи удобно выделить подзадачи, специализированные на преобразовании описания таких объектов на входном языке в их внутреннее представление, используемое в вычислительном алгоритме статистического моделирования. . Исходными данными и результатами решения таких подзадач являются. ,проблемно-ориентированные объекты вполне определенной природы, которые могут иметь довольно сложную структуру, но в пакете воспринимаются как единое целое. Поэтому в основу организации решения задачи статистического моделирования траекторий в геометрически-сложных областях, положен принцип декомпозиции сложной за-

дачи на совокупность простых относительно самостоятельных подзадач. для каждой из которых четко определен интерфейс с другими подзадачами пакета. Необходимость разбиения задачи на подзадачи (этапы ее решения) продиктована также большим временем решения задачи моделирования. Во избежание потери информации при сбоях в работе ЭВМ процесс решения задачи разбивается на кванты с консервацией промежуточных результатов. Для этого в пакетах предусмотрены подзадачи начала и продолжения расчета. Декомпозиция задачи на подзадачи позволяет выполнять многовариантные расчеты, которые совершенно необходимы для эффективного проведения вычислительного эксперимента. Взаимодействие между подзадачами осуществляется через базу данных (БД). Решение задачи может начинаться с любой подзадачи, для которой в БД есть необходимая информация. В рамках одного задания допускается решение нескольких одинаковых или различных подзадач, последовательность которых задается пользователем.

Трудность описания проблемно-ориентированных объектов, а также важность повышения достоверности и уменьшения объема вводимой информации требуют создания специализированных средств автоматизации их задания, которые должны учитывать специфику проблемно-ориентированных объектов, традиции работы с данными в той предметной области, для которой создается пакет, и особенности используемого вычислительного метода.

Входной язык пакета естественны образом распадается на относительно самостоятельные языки формулировки подзадач. Такая модуляризация входного языка существенно упрощает его разработку. а в дальнейшем и его использование. Входной язык подзадачи обеспечивает пользователя пакета средствами автоматизации задания входных данных и сервисными средствами, облегчающими анализ результатов решения подзадач. Результатом решения подзадачи являются как числовые наборы данных, так и программные модули. Так, описание геометрии объекта моделирования в пакете НЕКТОН-1 преобразуется в геометрическую модель (числовой массив), а описание уравнений и краевых условий в набор подпрограмм, задающих информацию о коэффициентах уравнений и правой части.

Отличительной чертой пакетов статистического моделирования траекторий в геометрически сложных областях является присутствие в них конструктивного знания, содержащего сведения о структуре конкретных исследуемых объектов, о взаимодействии их частей и об

их геометрических параметрах. Кроме того, в состав конструктивного знания входят физические характеристики частей объектов, если эти объекты не однородны. Конструктивное знание имеет динамический характер, так как целью проведения вычислительного эксперимента является уточнение как структуры и габаритов объекта, так и других его характеристик. Такой динамизм поддерживается входным языком пакета, содержащим удобные средства описания и модификации таких объектов. Для контроля правильности задания геометрической информации используется визуализация объектов.

При определении способа задания и представления геометрической информации был проведен модульный анализ программы, реализующей моделирование методом Монте-Карло. В указанной программе обязательно присутствует геометрический модуль, который позволяет моделировать траектории базового процесса в геометрически-сложных областях. Так как траектория в области складывается из траекторий в подобластях, сложная задача моделирования процесса в области сводится к более простым задачам моделирования процесса в подобластях (примитивах). Для данного класса пакетов подходящим является принцип формирования образа сложных объектов из примитивов. Простой объект является неделимым с точки зрения пользователя, сложные объекты (объекты-конструкции) получаются в результате выполнения операций конструирования над простыми объектами. С классом примитивов в семействе пакетов связано обобщающее понятие, присущее данной предметной области (ядро, автономная геометрическая область и т.д.). Каждый из примитивов имеет свой набор параметров, и состав примитивов фиксирован в конкретной версии пакета, но может модифицироваться при его развитии. Также фиксирован в пакете набор операций конструирования, состав которого определяется особенностями используемого для решения задачи алгоритма статистического моделирования.

Функциональное наполнение (ФН) пакетов данного семейства является объединением относительно независимых программных комплексов. которые обеспечивают решение подзадач пакета и содержат:

- программы, обслуживающие метод Монте-Карло.

- программы, обеспечивающие интерфейс с системами машинной графики.

- программы линейной алгебры,

- сервисные программы.

Важной частью ФН является библиотека примитивов. Состав ее опре-

деляет класс геометрических областей, в которых решается задача статистического моделирования.

ФН имеет многоуровневую иерархическую структуру. Модульный анализ ФН позволил определить требования к технологическим средствам представления ФН пакета (регламент модуляризации).

База данных пакета состоит из системной и рабочей частей. Первая часть содержит физические характеристики материалов и может пополняться при развитии пакета, вторая служит посредником между подзадачами, решаемыми пакетом.

Исследовательский характер данного семейства пакетов предполагает необходимость включения во входной язык пакета специальных средств, обеспечивающих возможность развития ППП в процессе его эксплуатации, в частности, включение новых примитивов и апробацию новых алгоритмов в конфигурации пакета. Для данного семейства пакетов определяются категории пользователей (конструктор пакета, разработчик алгоритмов, пользователь пакета) и формулируются требования, предъявляемые ими к технологическим средствам разработки пакетов. Входной язык удобно реализовать в форме встроенного языка, расширенного проблемно-ориентированными операторами с командной структурой.

В результате проведенного анализа разрабатываемых пакетов ■ определяется конкретный состав системного,' функционального наполнения и базы данных пакетов данного семейства. Эти пакеты имеют развитой многофункциональный входной язык, ориентированный на различные категории пользователей, в том числе и на пользователя-непрограммиста, ведущего типовые расчеты.

Вторая глава посвящена определению архитектуры технологических средств, обеспечивающих разработку и функционирование пакетов статистического моделирования траекторий в геометрически-сложных- областях. Для этого проводится анализ существующих технологий разработки пакетов автоматического решения задач, как правило, представленных в форме специализированых инструментальных систем. Целью анализа является выявление принципов функционирования инструментальных систем, влияние этих принципов на архитектуру ИС. определение совокупности средств этих систем, полезных для разработки и эксплуатации пакетов статистического моделирования траекторий в геометрически -сложных областях.

Для реализации этой задачи в резделе 2.1 предложен подход к

классификации инструментальных систем по типу конструирования программ, используемому при решении задач, так как именно тип конструирования в значительной мере определяет как возможности системы, так и ее архитектуру. Все инструментальные системы построения пакетов условно можно разбить на три семейства по подходу к конструированию программ, в них реализованному: дедуктивные, утилитарные и трансформационные.

Раздел 2.2 содержит анализ архитектуры семейства дедуктивных систем, к которому, в частности, относятся инструментальные системы ПРИЗ, СПОРА и МП. Для каждой из них определен самостоятельный входной язык - ядро, используя который, разработчик пакета описывает новые понятия, соответствующие проблемно-ориентированным объектам и. действиям над ними. Формулировка задачи включает задание исходных данных и результатов решения задачи и отличается высокой степенью непроцедурное™.

Раздел 2.3 содержит описание семейства утилитарных инструментальных систем, к которому относятся системы ИСП, DEPOT и REGENT, имеющие развитые средства построения входных языков пакетов. По существу входной язык этих систем является метаязыком, с помощью которого задаются синтаксис и семантика входного языка пакета. Как правило, входной язык пакета является самостоятельным языком, имеет очень простой синтаксис, насыщенную семантику и включает удобные средства описания проблемно-ориентированных объектов, задания их значений, удобные средства формулировки задач.

В разделе 2.4 определена архитектура представительного семейства трансформационных инструментальных систем. К этому семейству относятся САФРА, СОФИСТ. МОПР, ИСТОК и др., имеющие развитые средства описания схем решения задач, представления модулей функционального наполнения пакета и специальные средства задания их паспортных характеристик. Входной язык пакета, построенного средствами ИС этого семейства, как правило, является расширением одного из штатных языков программирования - встроенным языком. Он позволяет удобно и достаточно наглядно указывать основные этапы решения задач.

Раздел 2.5 содержит описание инструментальных систем, в которых использован смешанный подход к конструированию программ решения задач. Сочетание трансформационного и дедуктивного подхода реализовано, в частности, в системе САТУРН.

В разделе 2.6 на основании проведенного анализа сформулированы требования к технологическим средствам построения пакетов, предназначенных для статистического моделирования траекторий в геометрически сложных областях. Технология должна содержать средства

- трансформационных ИС, используемые для описания последовательности подзадач, описания алгоритмов и модификации ФН пакета;

- утилитарных ИС, используемые для реализации входных языков формулировки подзадач, а также для их модификации, для автоматизации задания значений проблемно-ориентированных объектов;

- определения набора примитивных объектов и операций конструирования над ними.

В разделе 2.7 предложено использовать для создания инструментальных средств описания проблемно-ориентированных объектов ( примитивы, конструкции и др.), ставший уже традиционным подход, который базируется на развитии понятия "типа данных". Контроль правильности программы на входном языке пакета при данном подходе включает контроль типов объектов - эффективное средство обнаружения ошибок.

В третьей и четвертой главе рассмотрены аспекты реализация предложенной методологии на ЭВМ БЭСМ-6 и ЕС ЭВМ.

В третьей главе описана технология разработки пакетов, предназначенных для статистического моделирования траекторий в геометрически-сложных областях, на ЭВМ БЭСМ-6. Эта технология реализована в форме инструментальной системы СТАРТ, обеспечивающей разработку и функционирование встроеннных пакетов.

Раздел 3.1 посвящен анализу средств штатного программного обеспечения БЭСМ-6, необходимых для реализации ППП. В качестве базовой системы -для разработки выбрана МС ДУБНА

В разделе 3.2 определяются принципы разрабатываемой инструментальной системы СТАРТ, где реализованы трансформационный и утилитарный подходы к конструированию программ решения задач.

Для обеспечения работ по разработке и функционированию данного класса пакетов в ИС СТАРТ реализованы две тесно связанные подсистемы: ПРЕПРОЦЕССОР и КОНСТРУКТОР. Система ПРЕПРОЦЕССОР обрабатывает задание, написанное на входном языке пакета, и формирует задание в виде пакета МС ДУБНА. Подсистема КОНСТРУКТОР про-

- 11 -

водит обработку описания пакета.

ИС СТАРТ состоит из ядра и совокупности пакетов, разработанных ее средствами. Хотя каждый пакет имеет свой входной язык, приспособленный к конкретной прикладной области, эти пакеты могут быть внутренне информационно-связанными и совместно использоваться при решении крупных проблем. КОНСТРУКТОР реализован как подсистема, входящая в ядро системы СТАРТ. Его входной язык состоит из строго определенного набора команд. В состав ИС СТАРТ также входит библиотека синтаксических конструкций, которая содержит процедуры, широко используемые при реализации как ПРЕПРОЦЕССОРа и КОНСТРУКТОРа. так и входных языков пакетов.

В разделе 3.3 определена архитектура пакетов, разработанных средствами ИС СТАРТ. Все пакеты ИС СТАРТ имеют родственные входные языки командной структуры и включают в себя

- средства представления данного входного языка (ВЯ):

- модули функционального наполнения (ФН):

- файлы базы данных (БД);

- информационную базу пакета (ИБД).

В разделе 3.4 описаны типы компонент ФН, имеющего сложную иерархическую структуру. Проблемные компоненты пакета могут быть реализованы как элементарные компоненты, группы, макрокомпоненты, проблемы и сегменты редактирования. Далее в работе описывается назначение этих типов модулей.

В разделе 3.5 описана специфика входных языков пакетов и средства их разработки в ИС СТАРТ. Входной язык пакета включает средства универсальных языков ФОРТРАН и АЛГОЛ, расширенных операторами и понятиями, присущими данной предметной области. Принцип встроенности позволяет эффективно сочитать средства постановки задач со средствами универсальных языков программирования.

Проблемы, сегменты редактирования и макрокомпоненты используются для автоматической генерации программ решения задач пакета и являются основой реализации трансформационного подхода к конструированию программ решения задач. При этом программа получается постепенно, путем преобразования исходного описания задачи по заложенным в системе правилам обработки этих типов. Входной язык пакета включает стандартизованные системные операторы работы с файлами базы данных.

Так как для постановки содержательных задач моделирования траекторий в геометрически-сложных областях перечисленных выше

средств явно недостаточно, разработчик пакета может включить во входной язык проблемные операторы, предназначенные для описания, например, геометрии области, используя для этой цели специальные средства разработки входного языка командной структуры. Результатом обработки оператора может быть сгенерированный фрагмент программы на базовом языке или сгенерированное описание модуля функционального наполнения на языке пакета КОНСТРУКТОР. Операторы являются основой для реализации утилитарного подхода к конструированию программ, так как с ними связаны частные приемы генерации текстов.

В разделе 3.6 описан входной язык пакета КОНСТРУКТОР, содержащий средства

- указания текстовых файлов и библиотек, на базе которых строится пакет;

- описания проблемно-ориентированных примитивов;

- описания компонент ФН пакета;

- задания состава и структуры БД пакета;

- описания проблемно-ориентированных операторов входного языка пакета, в частности операторов описания геометрии областей.

Обработанное КОНСТРУКТОРом описание пакета в структурированном виде записывается в информационный файл с целью последующей выдачи информации о пакете. Управляющая информация о пакете и его компонентах, о взаимосвязях между компонентами фиксируется в информационной базе пакета. Введенное в систему описание пакета служит единственно верным источником знаний об этом пакете, которое может быть использовано рядовым'пользователем, изучающим возможности пакета. :

В разделе 3.7 описаны различные дисциплины разработки пакетов средствами ИС СТАРТ. Выбор технологии определяется степенью готовности ФН пакета к моменту начала его разработки. Средства восходящего построения пакетов ИС СТАРТ используются в случае создания пакета на базе полностью разработанного функционального наполнения (ФН)'- проблемно-ориентированной библиотеки. По данной технологии разработан пакет НЕКТОН-1. При нисходящем построении пакета разработка начинается с четкого описания класса задач, их классификации, выявления проблемно-ориентированных объектов и определения средств их описания. На этапе модульного анализа выделяются подзадачи, разрабатываются алгоритмы решения подзадач, определяется состав модулей ФН и форма их реализации.

Разработка пакета по такой технологии■ подробно рассматривается на примере построения пакета МИРАЖ. ИС СТАРТ обеспечивает также сочетание этих технологий при построении пакета на базе частично готового функционального наполнения, а также при включении в пакет готовых программных комплексов. По данной технологии разработан пакет КЕДР.

В разделе 3.8 приведена структура системы СТАРТ, описаны принципы ее модуляризации, охарактеризованы компоненты системы и их взаимодействие. Разбиение системы на компоненты проведено по типу данных, с которыми они работают. ■

В разделе 3.9 описано содержимое информационной базы пакета, включающей каталог и паспорта компонент.

В заключение главы содержатся рекомендации по использованию ИС СТАРТ при разработке пакетов статистического моделирования траекторий.

В четвертой главе анализируется операционная обстановка разработки пакетов статистического моделирования на ЕС ЭВМ и рассмотрены особенности их реализации. Разработка этих пакетов велась по восходящей технологии, так как к моменту реализации пакетов на ЕС ЭВМ были уже реализованы версии этих пакетов на БЭСМ-6.

При разработке данного семейства пакетов использовались средства технологического комплекса ТРАП, выбор которого обусловлен наличием в этом комплексе подсистем инструментального характера, как полностью готовых для использования, так и являющихся макетами частей системного наполнения ППП. Этот комплекс содержит удобные инструменты для реализации технологических средств, поддерживающих описанную в первой главе методологию. Он базируется только на штатных и широко распространенных средствах программного обеспечения ЕС ЭВМ таких как ОС ЕС, использует языки ПЛ/1 и ФОРТРАН и диалоговую систему коллективного доступа ПРИМУС.

При реализации пакетов использованы следующие подсистемы технологического комплекса ТРАП:

- СИНАПС: коллекция макетов системного наполнения простых прикладныхых систем;

- ТЕМП: технология разработки многоверсионных программных моделей;

- МЕНЮ: система ведения проблемно-ориентированного диалога.

В рамках данной технологии пакеты НЕКТОН-1 и МИРАЖ реализованы в форме проблемно-ориентированных подсистем (ПОС) НЕРПА и МИРТА, соответственно. Для обеспечения работоспособности на оборудовании любой конфигурации эти пакеты функционируют в двух версиях: пакетной и диалоговой.

При создании подсистем были реализованы системные процедуры, соответствующие подзадачам пакета. Они написаны на языке управления заданиями >1СЬ и содержат описания последовательности шагов задания на выполнение группы работ, необходимых для решения подзадачи. При разработке этих процедур использован принцип макетирования, который позволяет редактированием описания типовых объектов (написаных по определенным правилам), быстро и эффективно создавать необходимые аналогичные объекты. Данные процедуры, как правило, имеют большой набор символических параметров, с помощью которых осуществляется настройка на конкретное проблемно-ориентированное окружение, определяющее как конфигурацию пакета, так и расположение исходных данных и результатов. Для преобразования формулировки подзадачи на входном языке с командной структурой в модуль на языке программирования используется двухэтапная схема обработки при участии транслятора-перекодировщика этой подзадачи и ПЛ/1-препроцессора. Трансляторы-перекодировщики переводят русские командные слова в латинский эквивалент и преобразуют команды в макровызов соответствующего этой команде макроопределения. Такая модуляризация входного языка и технология его разработки позволяют легко реализовать транслятор входного языка пакета как совокупность относительно независимых трансляторов-перекодировщиков подзадач и макроопределений команд, предназначенных для преобразования задания на входном языке подзадачи. Эти трансляторы работают только с объектами одной природы, что позволяет качественно выполнять семантический анализ и обработку их описаний.

При разработке диалоговых версий перечисленных выше ПОС, использована технологическая подсистема МЕНЮ, настройка которой на конкретную проблемно-ориентированную область заключается в создании файла "меню" и разработке программного модуля-исполнителя, формирующего задание на языке ЛЛ,. В файле "меню" описываются решаемые данным пакетом задачи, их варианты и особенности, запрашиваемые исходные данные, вычисляемые результаты и т.п.

Файл "меню" - файл прямого доступа, содержащий записи фиксированного размера, организованные в дерево "меню" и определяющие сценарий диалога. Система МЕНЮ выполняет обход дерева в зависимости от альтернатив (пунктов), выбираемых пользователем в каждом меню, и от задаваемых при этом исходных данных.

В заключение главы приводится описание процесса разработки сценария ведения диалога, технологии формирования задания "исполнителем", средств, обеспечивающих работу с различными версиями пакета, а также средств обработки различных видов вводимой информации.

Пятая глава посвящена вопросам разработки и реализации пакетов статистического моделированя траекторий описанными выше технологическими средствами. Центральное место в ней занимает описание языковых средства формулировки задач.

В разделе 5.1 описана организация решения задачи нейтронно-физического расчета ядерного реактора с нестандартной геометрией в пакете КЕДР и описаны средства ее формулировки. Эта задача разбивается на 4 логически связанные подзадачи:

- описание геометрии реактора и задание его параметров;

- подготовка макросечений с использованием 21- или 26-группо-вых библиотек ядерно-физических констант;

- нейтронно-физический расчет с начальной точки;

- продолжение нейтронно-физического расчета ядерного реактора.

Примитивными проблекно-ориентированными объектами пакета

КЕДР являются так называемые автономные геометрические области (АГО). Объектом-конструкцией является геометрическая область (ГО) реактора, которая получается объединением непересекающихся АГО. АГО в пакете представлена автономным геометрическим модулем (АГМ), а ГО - геометрическим модулем (ГМ). ГМ генерируется пакетом автоматически по описанию геометрии конкретного реактора.

В состав библиотеки автономных геометрических областей (БАГМ) первой версии пакета входят цилиндр, цилиндрическое кольцо, цилиндр с йг-геометрией и цилиндрическое кольцо с иг-геомет-рией.

В состав АГМ и ГМ входят подпрограммы, реализующие следующие операции: ввод данных, розыгрыш начальных координат, вычисление объемов геометрических и регистрационных зон. построение траекторий.

Для задачи подготовки макросечений задание данных стандартизовано и не зависит от используемой библиотеки констант. Задание содержит информацию о числе физических зон. их температуре составе. Задание для задачи расчета состоит из фрагментов, содержащих информацию об используемых при описании геометрии реактора автономных геометрических областях. По семантике она разбивается на три логические группы: геометрические параметры, соответствие между геометрическими и физическими зонами, соответствие между геометрическими и регистрационными зонами.

В разделе 5.2 описана организация решения задачи радиационного теплообмена в пакете МИРАЖ и его входной язык. Эта задача разбита на следующие подзадачи:

- описание геометрии объекта;

- нанесение сетки на поверхность объекта;

- задание оптических характеристик;

- задание информации об источниках:

- расчет радиационных потйсов и температур.

В пакете МИРАЖ поверхность расчетного объекта представляется как объединение непересекающихся фрагментов базовых поверхностей (ядер). В качестве ядер используются поверхности двух видов: фрагменты плоскости и фрагменты поверхностей вращения, на которые наносится изопараметрическая сетка. Каждое ядро определяется набором геометрических параметров, задаваемых в локальной системе координат (ЛСК). Положение ЛСК и состав геометрических параметров определены заранее и зависят от типа ядра. Для автоматизации подготовки входных данных используется многоуровневый метод суперэлементов. Суперэлементом нулевого уровня является ядро. Суперэлемент более высокого уровня получается операцией объединения (сборки) суперэлементов предыдущих уровней. Как и ядро, суперэлемент определяется набором геометрических параметров. задаваемых в локальной системе координат данного суперэлемента. Привязка ЛСК ядер и суперэлементов, а также учет симметрии конструкции осуществляется введением операций сдвига и поворота. При этом расчетный объект представляется как результат выполнения ограниченного набора операций над суперэлементами различного уровня.

Первая версия пакета МИРАЖ содержит описания 20 типов ядер (фрагменты плоскости, цилиндра, конуса, сферы и тора) и 6 операций (сборка, сдвиг на вектор, поворот на углы Эйлера, поворот

вокруг осей координат, отражение относительно координатных плоскостей, инверсия относительно начала системы координат).

Ядро пакета МИРАЖ представлено-объектно-ориентированным модулем. в который объединены подпрограммы, выполняющие следующие функции:

- занесение геометрических параметров ядра и его площади в ГМ объекта;

- вычисление характеристик мажорирующей поверхности, используемой для сокращения времени расчета;

- вычисление точки пересечения поверхности ядра с лучом;

- вычисление нормали в указанной точке ядра;

- пересчет координат точки пересечения из декартовой ЛСК ядра в параметрическую;

- определение элемента сетки, в котором находится точка пересечения;

- вывод на печать информации о параметрах ядра;

- подготовка данных для визуализации ядра.

Суперэлементы ненулевого уровня представлены в пакете подпрограммой, которая генерируется по его описанию, и при необходимости может быть включена в ФН пакета как его расширение, либо в личную библиотеку пользователя.

В разделе 5.3 описана организация решения краевой задачи в пакете НЕКТОН-1. Для формулировки этой задачи необходимо

- ввести информацию об уравнении;

- описать геометрию объекта;

- задать условия на границе;

- задать расчетные данные.

Пакет включает в себя два относительно самостоятельных комплекса В пункте 5.3.1 описана архитектура комплекса пакета НЕК-ТОН-1, обеспечивающего решение задачи потенциала. Задача ПОТЕНЦИАЛа решается для уравнения: '

Для задания этого уравнения необходимо записать его коэффициент С и правую часть Г в виде формул. Для описания проблемно-ориентированных объектов задачи потенциала вводится понятие "примитивная область", т.е. область в К3, границей которой является поверхность первого или второго порядка. Область й задачи ПОТЕН-

ЦИАЛа является объединением конечного числа пересекающихся зон. Зона определяется как область в I?3. являющаяся пересечением конечного числа примитивных областей. В пакете НЕКТОН-1 реализованы 10 типов примитивных областей: левое и правое полупространства, определяемые плоскостью, внутренность и внешность сферы, тора, цилиндра и конуса. Граница трехмерной области в в задаче ПОТЕНЦИАЛа состоит из поверхностей, ограничивающих примитивные области. Задание краевых условий для области состоит из определения граничных условий на каждой из поверхностей, ограничивающих область. Граничные условия задаются в виде формул.

Решение уравнения и его первые производные оцениваются в заданной пользователем точке при заданных числе траекторий, толщине пограничного слоя и радиусе сферы.

В пункте 5.3.2 описана архитектура комплекса пакета НЕКТОН-1, обеспечивающего решение задачи УПРУГОСТИ для широкого класса детерминированных и стохастических уравнений вида:

Ми(х)+С1(х)ли{х)+ С1(*Уи(х)*Р(х), аевсЯ*

заданного своими коэффициентами с нулевыми граничными условиями:

Проблемно-ориентированным объектом задачи УПРУГОСТЬ является двумерная пластина с вырезами - конечносвязная плоская область, каждая компонента связности которой представлена замкнутой кривой (контуром), являющейся окружностью или состоящей из конечного числа элементов контура: отрезков и дуг окружностей (примитивов).

Решение задачи 1КХЛ) оценивается в точках, заданных своими координатами, либо в точках на отрезке прямой в области. Для стохастических уравнений по желанию пользователя могут быть вычислены среднее смещение и его дисперсия, средний момент и нормированная корреляционная функция относительно заданной точки, а также вероятность превышения критического уровня прогиба и момента.

- 19 -

В заключении сформулированы основные результаты:

1. Выявлена специфика ППП статистического моделирования траекторий в геометрически- сложных областях и предложена методология их разработки, функционирования и развития. Предложен модульный подход к разработке входного языка пакета, существенно упрощающий процесс создания средств автоматизации. Определен регламент модуляризации представления компонент пакета для данного класса предметных областей, определены категории пользователей и средства их взаимодействия с пакетом.

2. Проведен анализ существующих инструментальных систем с целью определения принципов функционирования и архитектуры технологических средств, поддерживающих предложенную методологию.

3. Разработана инструментальная система СТАРТ, обеспечивающая автоматизацию разработки, функционирования и развития пакетов данного семейства на ЭВМ БЭСМ-6.

4. Предложена технология разработки пакетов данного семейства на ЕС ЭВМ средствами технологического комплекса ТРАП.

5. Предложенные технологии разработки пакетов использованы при реализации пакетов статистического моделирования траекторий в ВЦ СО РАН.

Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту Г. А. Михайлову и научному руководителю М.М. Бежановей за советы и помощь в работе.

ПУБЛИКАЦИИ

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бежанова М.М., Москвина Л.А. Система построения и функционирования пакетов прикладных программ. - Новосибирск. 1980. - 26 с. - (Препринт/АН СССР Сиб. отд-ние. ВЦ; 244).

2. Бежанова М.М.. Москвина Л.А. Простая система построения и функционирования пакетов прикладных программ // Программирование. - 1982. - N2. - С. 59-63.

3. Бежанова М.М.. Москвина Л. А. Технология разработки и использования пакетов в системе PACKAGE // Пакеты прикладных программ. Технология разработки. - Новосибирск; Наука. 1984. -С. 22-31.

4. Бежанова М.М., Москвина Л.А. Инструментальные системы для построения пакетов прикладных программ. - Новосибирск, 1982. - 32 с.-(Препринт/АН СССР Сиб. отд-ние. ВЦ; 360).

5. Бежанова М.М., Головяшкина Л. В., Москвина Л. А. Пакет программ для расчета ядерных реакторов с нестандартной геометрией методом Монте-Карло // Применение метода Монте-Карло в задачах переноса частиц в веществе: Материалы семинара. . -Алма-Ата, 1983. - С. 18-20.

6. Москвина Л.А. Синтез программ в системе PACKAGE // Синтез, тестирование, верификация и отладка программ: Тезисы докладов Всесоюзной конференции. - Рига, 1981. - С. 157-159.

7. Головяшкина Л.В., Москвина Л.А. Архитектура пакета программ для расчета ядерных реакторов с нестандартной геометрией // Методы и алгоритмы статистического моделирования. - Новосибирск, 1983. - С. 162-165.

8. Головяшкина Л.В., Москвина Л.А. Реализация нестандартных операторов пакета КЕДР // Теория и алгоритмы статистического моделирования. - Новосибирск, 1984. - С. 144-147.

9. Головяшкина Л.В., Москвина Л.А. Пакет прикладных программ КЕДР. - Новосибирск, 1984. - 18 е. - (Препринт/АН СССР Сиб. отд-ние. ВЦ; 550).

10. Бежанова М.М.. Москвина Л.А. Инструментальные средства для нисходящего и восходящего конструирования ППП // Промышленная технология создания и применения программных средств в организационном управлении и НИОКР: Тезисы Всесоюзного семинара. - Свердловск. 1984. - С. 43-44.

11. Бежанова М.М., Москвина Л.А. Пользовательский анализ инструментальных систем построения ППЦ // Там же. - С. 45-46.

12. Москвина Л.А. Разработка пакетов в ИС СТАРТ //'Пакеты программ для задач математической физики. - Новосибирск, 1985. -С. 82-92.

13. Головяшкина Л.В. Москвина Л. А. Пакет прикладных программ КЕДР для расчета ядерных реакторов с нестандартной геометрией методом Монте-Карло // Вопросы атомной науки и техники, Сер. • Физика и техника ядерных реакторов. - М., 1985.- -Вып.7. - С. 41-42.

14. Москвина Л.А.. - Мусихин С.Г., Новожилова, В.И. Пакет прикладных программ КЕДР и перспективы его развития // VII

Всесоюзное совещание. Методы Монте-Карло в вычислительной математике и математической физике: Тезисы докладов. -Новосибирск, 1985. - С. 226-230.

15. Москвина Л.А. Реализация командных языков в ИС СТАРТ // Пакеты прикладных программ. - Новосибирск, 1986. - С. 95-105.

16. Москвина Л.А., Мусихин С.Г., Новожилова В.И. Пакет прикладных программ КЕДР для расчета ядерных реакторов с нестандартной геометрией. N 50860000223 // Информ. бюллетень "Алгоритмы и программы". - М., 1987. - N2. - С. 21.

17. Махоткин 0.А., Москвина Л.А., Новожилова В.И. Автоматизация решения задач радиационного теплообмена между сложными поверхностями. - Новосибирск, 1987. -■18 е.- (Препринт/АН СССР Сиб. отд-ние. ВЦ; 717).

18. Москвина Л.А. Организация базы данных ИС СТАРТ // Автоматизация построения алгоритмов для задач математической физики. - Новосибирск, 1987. - С. 48-57.

19. Москвина Л.А. Инструментальная система построения и функционирования встроенных пакетов (СТАРТ). N 50870000653 // Информ. бюллетень "Алгоритмы и программы". - М.. 1987, - N12. -С. 11.

20. Москвина Л.А., Новожилова В.И., Трепаков C.B. Организация построения и контроля геометрической модели в пакете МИРАЖ // Теория и приложения статистического моделирования. Новосибирск. 1988. - С. Щ1-191.

21. Москвина Л.А. Объектно-ориентированный подход к разработке инженерно-технических пакетов // Технология вычислительного эксперимента. - Новосибирск, 1988. - С. 77-89.

22. Москвина Л.А., Новожилова В.И., Трепаков C.B. Автоматизация нанесения сетки на поверхность трехмерного объекта в паке.те МИРАЖ // Теория и приложения статистического моделирования. - Новосибирск, 1989. - С. 34-42.

23. Москвина Л.А., Новожилова В.И.. Трепаков C.B. Расчет радиационного теплообмена между сложными поверхностями в ППП МИРАЖ // Актуальные проблемы статистического моделирования и их приложения: Тезисы докладов школы-семинара.-Ташкент, 1989.-С.43.

24. Москвина Л.А. Инструментальные системы построения пакетов автоматического решения задач // Технология моделирования задач математической физики. - Новосибирск, 1989. - С. 98-112.

25. Бежанова M.M., Москвина Л. A.. Трепаков C.B. Технология разработки семейства пакетов моделирования геометрически-сложных объектов методом Монте-Карло // Программное обеспечение ЭВМ новых поколений: Тезисы докладов VIII Сибирской школы по пакетам прикладных программ. - Иркутск. 1989. - С. 35.

26. Москвина Л.А.. Новожилова В.И.. Трепаков C.B. Автоматизация решения задачи радиационного теплообмена в пакете МИРАЖ // Программное обеспечение ЭВМ новых поколений: Тезисы докладов VIII Сибирской школы по пакетам прикладных программ. -Иркутск. 1989. - С. ИЗ.

27. Москвина Л.А/, Новожилова В.И.. Трепаков C.B. Автоматизация решения задачи радиационного теплообмена в пакете МИРАЖ // Пакеты прикладных программ. Моделирование, прогнозирование и управление в региональных и производственных системах. - Новосибирск: Наука, 1991.

28. Комплекс системных и интерфейсных компонент построения геометрической модели пакета МИРАЖ (МИРТА). N 50900000893 / M.М.Бежанова, Л.А.Москвина. В.И. Новожилова и др. // Информ. бюллетень "Алгоритмы и программы". - М.. 1990. - N12. -С. 16.

29. Комплекс системных и интерфейсных компонент пакета прикладных программ НЕКТ0Н-1 (НЕРПА). N 50900000894 / M. М. Бежанова, Л.А.Москвина. Т.Х. Рапацкая и др. // Информ. бюллетень "Алгоритмы и программы". - М.. 1990. - N12. - С. 6.

30. Бежанова М.М., Кузьминов Т.В.. Москвина Л.А. Использование ПЛ/1-препроцессора // Вычислительный эксперимент в задачах математической физики. - Новосибирск, 1990. - С. 11-23.

31. Бежанова М.М., Москвина Л. А., Сабельфельд К.К. Назначение и архитектура пакета прикладных программ НЕКТОН-1 // Методы Монте-Карло в вычислительной математике и математической физике. VIII Всесоюзное совещание. - Новосибирск. 1991.- Ч. 1. -С. 142-145.

32. Бежанова M.М.. Квашнин Г.Д.. Москвина Л.А. Обеспечение диалогового взаимодействия с проблемно-ориентированными системами в технологии ТРАП // Вычислительный эксперимент в задачах математической физики. - Новосибирск. 1991. - С 22-33.

33. Квашнин Г.А.. Москвина Л.А., Яковенко Г.Т. Адаптация системы МЕНЮ для реализации диалога с ППП // Вычислительный

эксперимент в задачах математической физики. - Новосибирск. 1991. - С. 133-148.

34. Бежанова М.М..Москвина Л.А., Сабельфельд К.К. Пакет прикладных программ для решения краевых задач потенциала, упругости и диффузии методом Монте-Карло (НЕКТОН-1). N 50910000254 // Информ. бюллетень "Алгоритмы и программы". - М., 1991.- N 3. - С. 16.

35. Бежанова М.М..Москвина Л.А. Автоматизация решения краевых задач теории потенциала и упругисти в ППП НЕКТОН-1 // Теория и практика статистического моделирования. - Новосибирск, 1991. * С. 18-29.

36. Москвина Л.А. Архитектура семейства пакетов моделирования геометрически сложных объектов //Вычислительные методы и технология решения задач матаматической физики. - Новосибирск, 1993. - С. 108-115.

МОСКВИНА Лариса Анатольевна

АВТОМАТИЗАЦИЯ РАЗРАБОТКИ ПАКЕТОВ СТАТИСТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТРАЕКТОРИЙ В ГЕОМЕТРйЧЕСки-СЛОЖНЫХ ОБЛАСТЯХ

Автореферат

Подписано в печать 06.09.93

Формат бумаги 60x90 1/16 Объем 1.5 уч.-изд. л.

Заказ N 151 Тираж 100 экз.

Отпечатано на ротапринте Вычислительного центра СО РАН 630090, Новосибирск-90, проспект академика Лаврентьева, 6