автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Инструментальная система поддержки вычислительного эксперимента на примере исследования реакции лесных экосистем на техногенное воздействие

РГВ Ой

- 0 Ш11 тРоссиАсЬя сАкадвмнл Щк

Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации

На правах рукописи

УДК 681.3 ОЛЕЙНИК Андрей Григорьевич

ИНСТРУМЕНТАЛЬНАЯ СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА НА ПРИМЕРЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕАКЦИИ ЛЕСНЫХ

ЭКОСИСТЕМ НА ТЕХНОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

Специальность 05.13,16 •

Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1995

"Работа выполнена в лаборатории системных методов моделирования-Института информатики и математического моделирования технологических процессов Кольского научного центра РАН.

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор В. А. Путилов

Официальные оппоненты: доктор технических наук.

профессор В.В. Фильчаков кандидат технических наук В. В. Михайлов.

Ведущая организация: Институт физико-технических проблем энергетики севера Кольского научного центра РАН

Защита состоится "_" _ 1995 г. в "_" часов на

Заседании Специализированного Совета Д.003.62. 01 при Санет^Петер-бургском институте информатики и автоматизации РАН по адресу: 199178, С.- Петербург, 14 линия, дом 39.

С диссертацией Можно ознакомиться в библиотеке СПИИРАН.

Автореферат диссертации разослан "_" _ 1995г.

Ученый секретарь Специализированного Совета кандидат технических наук

В. Е. Марлей

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время одним из наиболее эффективных методов исследований в различных областях знаний является вычислительный эксперимент (ВЭ).

Процесс организации и проведения ВЭ включает в себя этапы, которые, как правило, реализуются специалистами различных профилей - от специалиста в конкретной предметной области до программиста. При этом возникают определенные трудности по адекватному преобразованию модели исследуемой системы от описательного к программно - алгоритмическому представлению, необходима четкая разработка требований, которые предъявляет исследователь к программному' обеспечению ВЭ. Многие проблемы при создании среда реализации ВЭ связаны не столько с разработкой отдельных компонент, сколько с качеством их объединения в рамках одной системы.

Решением ряда проблем организации и проведения ВЭ моает Сыть использование автоматизированных технологий, позволяющих строить формальные описания структуры и задач ВЭ. осуществлять .анализ и оценку качества проекта и генерировать, полностью или частично, исполнительную среду, обеспечивающую реализацию ВЭ.

Существуют технологии'и " инструментальные средства, которые ориентированы на автоматизацию решения задач, аналогичных задачам различных этапов ВЭ. Ряд задач, связанных с организацией вычислительного эксперимента, может быть решен методами концептуального проектирования. Однако, в настоящее время не существует систем, обеспечивающих' поддержку всех этапов вычислительного эксперимента от построения модели предметной области до получения и анализа результатов эксперимента.

Расширение круга пользователей вычислительных средств, не являющихся специалистами в области .программирования, определяет актуальность задачи создания инструментальных средств соответствующей ориентации. Инструментальная система поддержки ВЭ. ориентированная на специалиста в конкретной предметной области, дслнна обеспечивать максимальную возможность использования знакомой терминологии на этапе постановки задачи ВЭ. Процессы перевода задачи на формальный язык, ее анализа и генерации среды реализации ВЭ должны быть в' значительной степени автоматизированы. Обязательным для инструментальной системы является хорошо организованный диалоговый интерфейс.

Целью диссертационной работы является создание ориентированной на пользователей интегрированной системы инструментальных средств для поддержки основных этапов организации и проведения вычислительного эксперимента на основе формально-логических моделей предметной области, имеющих древовидную структуру.

Для достижения поставленной цели в работе на примере предметной области "Реакция лесных экосистем на многолетнее техногенное воздействие" решаются Следующие задачи:

- определение требований к инструментальной системе на оснозе анализа структуры современного вычислительного эксперимента;

-.выбор существующих подходов и средств, которые могут быть использованы в качестве основы инструментальной системы, удовлетворяющей сформулированным требованиям;

- разработка средств формального представления и анализа модели вычислительного эксперимента;

- разработка средств автоматизированного формирования структуры базы данных вычислительного эксперимента на основе концептуальной модели данных;

- разработка алгоритмов анализа конкретных вариантов проведения вычислительного эксперимента и процедур автоматизированного синтеза программ реализации вычислительного эксперимента.

Используемые методы. Для решения поставленных- в работе задач используются элементы теории множеств и теории графов, методы системного анализа и математической логики.

Научная новизна. В диссертации в рамках подхода, получившего название "Концептуальный анализ", разработаны:

1. Формальная система логического типа, предназначенная для представления с использованием терминов предметной области древовидной концептуальной модели вычислительного эксперимента, содержащей спецификаторы: объектов предметной области - процессов и данных; определенных на множестве объектов отношений иерархии, следования, управления и "вход-выход"; исполнителей- - программных модулей реализации в ЭВМ процессов и конкретных форм хранения в ЭВМ данных, декларированных в концептуальной модели.

2. Алгоритмы анализа концептуальной модели вычислительного эксперимента, обеспечивающие анализ корректности модели относительно правил назначения имен объектам модели и их исполнителям, правил определения допустимых отношений на множестве объектов модели и анализ разрешимости задач вычислительного эксперимента при прямой и обратной постановке.

3. Алгоритмы и процедуры синтеза программ проведения вычислительного эксперимента с использованием процедурных библиотек, обеспечивающих реализацию элементарных процессов, декларированных в концептуальной модели, и автоматически генерируемых алгоритмических спецификаций фрагментов концептуальной модели, соответствующих выбранному варианту реализации вычислительного эксперимента.

4. Структура интегрированной инструментальной системы, объединяющей в себе средства поддержки и автоматизации ряда этапов вычислительного эксперимента: ■ построение и анализ его концептуальной модели; создание базы данных вычислительного эксперимента и работа с ней; выбор и анализ варианта реализации вычислительного эксперимента; 'создание программ реализации вычислительного эксперимента, представления и анализа его результатов..

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Отображение концептуальной модели вычислительного эксперимента на формальную систему, содержащую спецификации объектов модели - процессов и данных, конкретных форм их реализации в ЭВМ и заданных на множестве,объектов модели отношений иерархии, следования, управления и "вход-выход", обеспечивает возможность автоматизации таких этапов вычислительного эксперимента как: анализ корректности и разрешимости модели;' генерация файловой структуры базы данных вычислительного эксперимента; выбор варианта проведения вычислительного эксперимента; синтез программ реализации вычислительного эксперимента, представления и анализа его результатов.

2. Использование структурных типов данных "часть файла" и "индекс"- позволяет автоматизировать процесс генерации файловой структуры реляционной базы данных вычислительного эксперимента на основе иерархической концептуальной модели данных.

3. Состав спецификаторов и атрибутов, задаваемых в концептуальной модели вычислительного эксперимента,, обеспечивает возможность автоматизированного выбора .и анализа варианта проведения вычислительного эксперимента и синтеза программ реализации выбранного варианта с использованием процедурных библиотек, обеспечивающих реализацию элементарных процессов, декларированных в концептуальной модели, и алгоритмических спецификаций фрагмента концептуальной модели, соответствующего выбранному варианту проведения вычислительного эксперимента.

4. Интеграция з рамках единой инструментальной системы

средств поддержки и автоматизации ряда этапов вычислительного эксперимента от построения и анализа его концептуальной модели до получения и анализа результатов вычислительного эксперимента предоставляет возможность проведения вычислительного эксперимента пользователю, не являющемуся специалистом в области программирования.

Практическая "значимость. На основе результатов работы создана инструментальная система поддержи! вычислительного эксперимента. Данная система представляет собой интегрированную среду и предоставляет следующие возможности:

1. Построение формализованной древовидной концептуальной модели вычислительного эксперимента с использованием терминологии предметной области и автоматизированный анализ корректности и разрешимости полученной концептуальной модели.

2. Автоматизированная генерация файловой структуры реляционной базы данных вычислительного эксперимента на основе иерархической концептуальной модели данных с использованием структурных типов данных' "часть файла" и "индекс".

3. Выбор и анализ различных вариантов реализации вычислительного эксперимента, которые могут быть проведены в рамках полученной модели, ' и синтез программ реализации вычислительного эксперимента.

4. Проведение вычислительного эксперимента, анализ и представление его результатов.

Встроенные средства диалога и автоматизация в рамках системы ряда этапов вычислительного эксперимента дают возможность проведения корректного вычислительного эксперимента пользователем, не являющимся специалистом в области программирования.

Реализация и внедрение результатов. Основные теоретические положения и практические результаты работы были использованы при обработке части результатов комплексного мониторинга окружающей природной среды в зоне расположения Кольской АЭС-2, в гитовых НИР лаборатории системных методов моделирования ИИМ КНЦ РАН, в работах по Государственной научно-технической программе "Перспективные информационные технологии" и программе АН СССР "Биосферные и экологические исследования" (секция Теоэкоинформатика").

Апробация работы. Основные положения и некоторые результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XXIV Всесоюзной школе по автоматизации научных исследований (Апатиты,1990г.)

Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 10 печатных работах и отражены в .5 отчетах по НИР.

Структура и . объем работы.. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (59 наименований), имеет общий объем 136 машинописных страницы, содержит 3 таблицы и И рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, сформулированы ее цель и основные задачи, изложены основные научные и практические результаты, выносимые на защиту.

В первой главе, на основе рассмотрения задач основных этапов ВЭ, определяется назначение инструментальной системы поддержки ВЗ и требования, которым она должна удовлетворять. Отмечается, что рост сложности моделируемых объектов, усложнение математических моделей, увеличение объемов данных делают невозможной полную формализацию задачи и требуют проведения ВЭ в диалоговом режиме. При этом повышается роль такого понятия как концептуальная модель объекта (модель предметной области), а создание математической модели становится составной частью ВЭ.

Инструментальная система должна "помочь" пользователю реализовать все основные этапы ВЭ. обеспечить возможность проверки их взаимосоответствия и корректировки. Помощь может осуществляться двумя путями: предоставление пользователю инструментальных средств с удобным и понятным - "дружественным" интерфейсом и полной или частичной автоматизацией некоторых этапов ВЭ. Автоматическая реализация возможна только для тех этапов. ВЭ, которые могут быть представлены в'виде задач', поддавшихся формализованному.решению.

Во второй части первой главы произведен анализ существующих технологий и программных разработок, которые ориентированы на автоматизацию решения задач, аналогичных задачам ряда этапов ВЗ. Приводится сравнительная характеристика автоматизированных методов спецификации (SADT, - REVS, RSL и др.), технологий разработки ГОШ (решение задач на основе вычислительных моделей в системе ПРИЗ, 1-Д-технология. метод И-порождения программ) и технологии концептуального проектирования. Наиболее перспективной, с точки зрения методологической основы инструментальной системы поддержки ВЭ. представляется технология концептуального проектирования.

В методике концептуального проектирования решается ряда за-

дач, существенных с точки зрения организации системы ВЭ.• Однако, в данной методике предусматривается только начальный этап перехода к алгоритмической реализации вычислительного эксперимента в исследуемой предметной области и совсем не рассматриваются проблемы работы с базой данных.

Для организации БД вычислительного эксперимента й работы с ней могут быть использованы существующие системы управления базами данных. Техническим возможностям распространенных персональных компьютеров наиболее соответствуют реляционные СУБД. Наиболее перспективными представляются СУБД семейства FoxPro так как они превосходят по ряду параметров (быстродействие, возможности языка, удобство интерфейса) другие, современные им СУБД.

Во второй главе вводится формальный аппарат для представления и анализа концептуальной модели предметной области.

Концептуальная модель (КМ) предметной области включает: множества объектов модели; отношения, задаваемые над множествами объектов модели; множества атрибутов объектов и отношений; множества функций (функциональных отношений между информационными объектами, процессами и их атрибутами).

Схемой концептуальной модели называется:

S UII1=<P. О, Нр, Н,,, In, Out, s, D> , где: P={pi } - множество процессов обработки .информации; 0={о1) -множество информационных объектов (данных); НР,Н0 - отношения иерархии процессов и данных №р(р1)={рл____рп) и be (Oj )={о3.. ..ов};

In- отношения "входные данные процесса - процесс" (ln(pj) =

={Оц.....ош}); Out - отношения "процесс - выходные данные"

(out(Pi)—{о^,...,Ощ}); s - отношения следования процессов (s(pj) = ={р3,.. .,р„}); D - отношения "объект - управляющее данное"(cKpj ) = {оа} и d0(o1.)={o(1}).

Модель атрибутов, определяющих дополнительную информацию, связанную с объектами КМ, имеет вид:

А кмпо~^Р' N0. Ер. Тр. Е0. Т0, Ть>. где: Np,H0 - множества имен процессов и данных; Ер.Тр,Е0,Т0 -множества имен и типов исполнителей процессов и данных; Тв - множество типов отношений иерархии процессов и данных (Th={&,v.*} -"композиция", "классификация", "итерация").

Исполнители трактуются как конкретные программные модули реализации в ЭВМ процессов и реальные формы .хранения в ЭВМ данных предметной области. Атрибуты, определяющие тип отношения иерархии, конкретизируют представление объектов модели на следующем.

нижнем уровне иерархии! Управляющие данные вводятся для доопределения структуры процессов, имеющих тип отношений иерархии "классификация" или "итерация", и данных, имеющих иерархическое отношение типа "итерация". Они указывают число итераций соответствующих подпроцессов, обеспечивающее выполнение итерационного процесса, размерность регулярной структуры данных, выбор конкретного подобъекта, представляющего объект с типом декомпозиции "классификация". Введение данного атрибута позволяет полностью автоматизировать процедуры генерации алгоритмических спецификаций неэлементарных процессов.

Количественные характеристики.разделены на два класса - предметные и процедурные. Процедурные характеристики относятся к исполнителям. представляющим реальные объекты при реализации ВЭ.

Набор процедурных характеристик (характеристик исполнителей) образуют :

Ce=<Cpr, Cpt, СрС, Cor, Cot. Сос>,

где : СрГ, Сог - показатели надежности исполнителей процессов и данных; Cpt. Cet - временные характеристики (время выполнения программы, время доступа к данным или их передачи); Свс, С5с -емкостные характеристики (требуемые объемы памяти). Процедурные характеристики позволяют получить количественные оценки вариантов реализации ВЭ.

Предметные характеристики - это количественные ■ характеристики, присущие объектам предметной области. Для каждого объекта или группы объектов задается идентификатор характеристики, ее значение и правила расчета результирующей Ееличины дачной характеристики для объектов различных уровней иерархии. .

Набор предметных количественных характеристик образуют: Cs =<NC, С. F>,

где: Nc={ncl} - - множество имен предметных характеристик; C={Ci> -множество -значений предметных характеристик; F={<r11,f21>} - множество функций вычисления предметных характеристик (Гц- функция ct от значений характеристик объектов, связанных с рассматриваемым отношениями "вход - выход"; f2i3 ~ Функция Ci от значений характеристик объектов; подчиненных рассматриваемому). Данные функции определяются пользователем в процессе построения концептуальной модели. Использование предметных характеристик дает возможность проведения предварительного анализа решаемой задачи по заданному пользователем набору критериев не переходя к этапу ее алгоритмической реализации.

Для концептуальной модели заданы правила, определяющие допустимые варианты использования компонентов формального-описания. Эти правила положены в основу анализа корректности назначений имен и отношений в КМ. Правила назначения имен и исполнителей определяют при каких условиях объектам модели могут быть заданы одинаковые имена и. эквивалентные исполнители. Правила назначения управляющих данных определяют условия, при которых объекту модели должно быть задано управляющее данное, а также связанные с управляющим данным ограничения на структуру отношений в соответствующем фрагменте КМ. Правила назначения отношений следования задают ограничения, связанные с явным определением частичного порядка выполнения процессов.

Концептуальную модель удобно рассматривать и анализировать как систему фрагментов описания отдельных неэлементарных процессов предметной области - шаблонов. Шаблоном концептуальной модели предметной области называется подмножество модели, включающее относительно некоторого выбранного процесса модели pt (процесса -владельца шаблона) множества: Ps={pje h9 (pt)} - непосредственно подчиненных pt процессов; 01 = {о1€ 1п(рх)} -входных данных pt; о0= = {Oje out(p1)} - выходных данных pt: 0ls={ok:oKe 1п(р3) & р.,е Р3} - входных данных подпроцессов ; 0os={o1:охе out(р3) & рлеР3) -■выходных данных подпроцессов; 0п={о„ : [o,6h0'(o8) & (о„е 0Х & & (Зог: огей„'(о») & or€0l3)) v (опе0о & ( Эог : oreV(o„) & & ore 0OS))]} -данных, промежуточных в иерархической структуре между входами - выходами процесса и входами - выходами его подпроцессов; Oa={od€d(p1)} - управляющее данное рх. Множества объектов шаблона могут частично пересекаться.

Требования, предъявляемые к структуре шаблона основаны на правилах определения иерархических отношений и отношений "вход -выход". Соблюдение- этих правил обеспечивает корректное представление реализации pt на следующем уровне иерархии.

При проведении анализа разрешимости концептуальной модели она рассматривается как формальная система. Множество формул формальной системы образуют: символы, обозначающие объекты модели; выражения, задающие отношения иерархии, следования, вход - выход и управления (аксиомы); выражения, определяющие правила отождествления объектов с подобъектами следующего, нижнего уровня иерархии : ^(Oi) =>> Оц, tip(Pt)=>Pi (аксиомы); выражения вычислимости. К множеству аксиом относятся также символы, обозначающие элементарные данные, не имеющие процессов - генераторов, элементарные

процессы, не имеющие входных данных и предшествующих процессов, и выражения вычислимости для р1: )1р (рг) =0. Выражение вычислимости, являющееся.ключевым при анализе разрешимости КМ, имеет вид:

1П(Р1 )\01о & Оа & Б(р,) => Р1 & 0Ц1(Р!).

где: 1п(р1) - множество входных данных; Оюе!!!^) и 01о={ок: оке1п(р1) & ок еот (р±) & (~Зр3:оКе ои^р.,) & р3 е б* Ср1))}; оа - управляющее данное для процесса Р!: э(р!) - множество процессов предшествующих р^ оиКр^- множество выходных данных процесса р^.

В формальной системе имеется два правила вывода: "> и Г,. Г,-^. Тг => Р3 ь Р3.

Концептуальная модель предметной области является разрешимой тогда и только тогда, когда для каждого выражения вычислимости существует вывод из множества аксиом.

В третьей главе рассматривается процесс формирования исполнительной среды ВЭ на основе полученной концептуальной модели.

Множество исполнителей в системе поддержки вычислительного эксперимента определяется подмножеством объектов КМ, которым назначены исполнители (заданы атрибуты <ер.Ц> или <е0, 1;0>). Различным объектам КМ может назначаться один исполнитель или не назначаться исполнителя вообще. Имя исполнителя является его идентификатором. Тип исполнителя определяет язык, на котором генерируется спецификация исполнителя и тип объекта в данном языке.

Начальным этапом формирования программ - исполнителей процессов является анализ планируемого варианта ВЭ и выбор фрагмента КМ, достаточного для реализации этого варианта. В КМ могут быть' представлены альтернативные возможности реализации. Критериями выбора альтернативы может являться наличие в выделенном фрагменте определенных процессов и данных или заданные пороговые значения количественных характеристик.

Программный модуль, реализующий неэлементарный процесс КМ формируется как процедура вызова подпрограмм реализации подпроцессов, входящих в соответствующий шаблон КМ. Порядок вызова подпрограмм и структура входных и выходных данных определяется отношениями, заданными в КМ. Таким образом иерархия, определенная в КМ, преобразуется в схему вложенности программных блоков.

Исходной информацией для построения программного кода исполнителя процесса р! является: множества имен и типов исполнителей элементов соответствующего шаблона; тип отношения иерархии процесса р!: типы отношений иерархии данных шаблона; отношения ин- . формационных зависимостей на множестве элементов шаблона; отноше-

ния следования на множестве hp(р!>. Текст программы формируется путем упорядоченной конкатенации необходимых лексем языка и имен исполнителей объектов шаблона в соответствии со структурой отношений в КМ и правилами построения предложений выбранного языка программирования. В системе задается множество допустимых типов исполнителей процессов:

.Тр-{ Т,р. т2р. ЕХЕ }.

где: Т1р - множество типов, однозначно определяющих алгоритмический язык реализации; Т2р - множество типов для которых язык реализации определяется типом исполнителя верхнего уровня иерархии; ЕХЕ - тип. определяющий, что исполнитель представляет собой готовую к выполнению программную единицу.

Исполнители всех процессов элементарного уровня КМ создаются вне рамок инструментальной системы ВЭ и хранятся в библиотеке в виде программных кодов.

Компиляция исполняемых программ осуществляется с помощью трансляторов соответствующих языков.

БД вычислительного эксперимента состоит из двух частей. Одна часть базы отводится под собственно концептуальную модель. В ней содержатся данные, задающие схему концептуальной модели, ее атрибуты и характеристики. Эта часть базы, имеет постоянную структуру. Структура второй части БД задается для каждой конкретной модели индивидуально и определяется структурой декомпозиции данных предметной области. Эта часть базы предназначена для работы с конкретными значениями данных исследуемой предметной.области.

Под БД предметной области ВЭ понимается совокупность конкретных значений данных предметной "области, хранящихся на внешних за1 поминающих устройствах ЭВМ. Кроме данных, хранящихся на внешних запоминающих устройствах (ПОСТОЯННЫЕ и ВРЕМЕННЫЕ), при проведении ВЭ используются данные, которые существуют только-в оперативной памяти ЭВМ (ОПЕРАТИВНЫЕ), и данные, которые вводятся в диалоговом режиме или выводятся на устройства вывода (ВНЕШНИЕ). ОПЕРАТИВНЫЕ и ВНЕШНЕ данные не принадлежат БД предметной области.

Базисом для построения файловой структуры БД предметной области является множество исполнителей элементарных данных КМ. Исполнители неэлементарных уровней представляются некоторой структурой исполнителей нижних уровней иерархии.

Для обеспечения автоматизации создания файловой системы БД вводятся вспомогательные структурные типы IND_X1 - "индекс^" и POFJ^-"часть файла_Х!". Исполнитель типа P0F_X1 не имеет собс-

твенной физической реализации в ЭВМ. Назначение t0(o3) - POFJCi трактуется как указатель на то. что структура данных, соответствующая объекту Од, физически является частью файла FILE_NAME. где е0(Oj)=FILE_NAME. Число полей записи файла FILE_NAME равно мощности множества, полученного в результате объединения множеств элементарных данных поддеревьев КМ. соответствующих .каждому данному о31: е0 (ot) =FILE_NAME.

Введение типа INDJCj дает возможность определения на КМ данных. которые будут рассматриваться как индексы при автоматической генерации БД. Для созданного файла БД с именем FILE_NAME формируется мультииндексный файл с тем же именем - структурный мультиин-дексный файл. Получаемые индексные выражения представляют собой текстовую конкатенацию полей БД-, соответствующих подобъектам элементарного уровня каждого о-,1. Число индексов для каждого файла FILEJJAME БД будет равно числу данных, имеющих тип исполнителя INDJCt и суперобъект с именем исполнителя FILEJJAME.

В четвертой главе рассматривается инструментальная система поддержки ВЭ и пример ВЭ с ее использованием.

Инструментальная система ВЭ построена по модульному принципу. Такая организация позволяет относительно независимо разрабатывать и использовать блоки поддержки различных этапов ВЭ.

В системе используются два алгоритмических языка: встроенный язык СУБД FoxPro и язык общего назначения Pascal. Это обусловлено тем. что практически в любом вычислительном эксперименте присутствуют задачи обработки данных типа сортировки, выборки по условиям и т. п., которые эффективно решаются средствами СУБД и расчетные задачи, для которых требуются более широкие и сложные вычислительные возможности. Кроме этого, средства FoxPro предоставляют возможности создания стандартизованного дружественного интерфейса работы с данными, а на языке Pascal созданы инструментальные средства работы с концептуальной моделью, использованные при создании настоящей системы.

Система состоит из четырех основных модулей: блок постановки ВЭ (ПВЭ), блок синтеза базы данных (СБД). ,блок синтеза программ реализации ВЭ (СПВЭ) и блок реализации ВЭ и анализа его результатов (РВЭ). Кроме этого в состав системы входят база данных ВЭ (БД) , библиотека программных модулей реализации элементарных задач (БМЭЗ) и трансляторы используемых языков программирования. Взаимодействие между функциональными блоками обеспечивает монитор.

Блок постановки ВЭ предназначен для поддержки процессов формирования и анализа моделей ВЭ. Специальный редактор позволяет строить декларативную-концептуальную модель вычислительного эксперимента с использованием терминологии предметной области. Модель наглядно представляется в виде двух взаимосвязанных древовидных графов - дерева процессов и дерева данных. Для каждой вершины в диалоговом режиме задается набор параметров, определяющий ее представление в формальном языке. Завершение построения декларативного описания соответствует .построению формальной модели, допускающей единственную трактовку. Процессы анализа корректности и разрешимости модели в системе автоматизированы. В системе предусмотрен автоматический анализ назначений типов исполнителей процессов. Множество допустимых типов образуют:

Тр = { EXE, UNIT,- PRG, SPR, MPR, PROC, FUNC }, где: UNIT - тип исполнителя, для которого программный код генерируется на языке Pascal; PRG, SPR, MPR - типы, определяющие генерацию кода на языке СУБД FoxPro; PROC, FUNC - типы, для которых язык построения спецификации определяется типом исполнителей более высокого уровня-иерархии ({ UNIT, PRG, SPR, MPR }=Tlp. {PROC. FUNC)=T2p). Тип исполнителя верхнего уровня для типа UNIT может быть любым. Для исполнителей типов PRG, SPR и MPR исполнители верхних уровней должны иметь тип, определяющий их генерацию на языке СУБД FoxPro.

В этом же блоке реализуются процедуры планирования и анализа конкретных вариантов ВЭ и осуществляется синтез текстов программ, обеспечивающих реализацию ВЭ. Для планируемого ВЭ с использованием процедур вывода формируется фрагмент модели, обеспечивающий его реализацию. На основе фрагмента может быть проведен анализ количественных характеристик варианта реализации ВЭ, анализ наличия необходимых данных и исполнителей элементарных процессов, входящих в полученный фрагмент. Завершающим этапом является генерация текстов программ выбранного варианта реализации ВЭ.

Блок синтеза БД реализует генерацию прикладной БД со структурой, заданной деревом данных КМ. Не всегда данные используейые в вычислительном эксперименте можно представить в стандартном формате файлов баз данных (DBF- файлов). Конкретный тип представления данных в ЭВМ задается при формировании концептуальной модели. База данных вычислительного эксперимента может состоять из некоторого набора файлов в формате DBF и файлов других форматов для хранения информации, которую невозможно или нецелесообразно

представлять 8 формате баз данных.

Блок синтеза программ ВЭ создает исполняемые программные модули на основе полученных в блоке ПВЭ текстов программ и выбранных из БПЭЗ необходимых модулей реализации элементарных процессов. В зависимости от структуры задач требуемого ЗЭ и типов заданных им исполнителей может быть сгенерирован не один исполняемый модуль, а некоторый их набор. При этом один из модулей является "главным", он соответствует корню полученного фрагмента КМ и из него осуществляется запуск программ, реализующих выполнение отдельных подзадач ВЭ.

Наиболее трудоемким и сложным при использовании предлагаемой инструментальной системы поддержи является процесс формирования необходимой библиотеки программных модулей реализации элементарных задач. Этот процесс не может быть автоматизирован, так как в модели предметной области не существует полной спецификации элементарных процессов. Частичным решением данной проблемы может быть использование в качестве исполнителей программных модулей стандартных библиотек соответствующих языков программирования, имеющих структуру входов и выходов совпадающую со структурой, заданной множествами ln(pt) и out (р.) для элементарного процесса pt в КМ. При отсутствии возможности использования существующих программных модулей, необходимый модуль должен .быть создан пользователем.

Любые изменения спецификаций элементарных процессов в КМ или включение в модель- новых элементарных процессов, для которых не может быть назначен' исполнитель из имеющихся в БМЭЗ требует внесения изменений в эту библиотеку. Поэтому использование предлагаемой инструментальной системы наиболее эффективно в областях где множество элементарных процессов является стабильным, .а на его основе варьируются структуры процессов неэлементарных уровней иерархии.

Исполняемая программа или комплекс программ, полученных в результате работы блока СПВЭ. образуют блок реализации вычислительного эксперимента и анализа его результатов. Рябота данного блока представляет собой выполнение запланированного ВЭ а рассматриваемой предметной области. В процессе реализации ВЭ.• как правило, осуществляется выборка требуемого подмножества конкретных экземпляров (значений) исходных данных из БД и их обработка с целью достижения указанного подмножества результатов. Для организации потока данных между исполнителями, созданными в различных языко-

вых средах,1 используются временные файлы. Процедуры, реализующие анализ и представление результатов ВЭ, имеют стандартную для процессов КМ структуру. описания и определяются пользователем при построении концептуальной модели.'

В качестве примера использования разработанной системы рассматривается вычислительный эксперимент в области исследования реакции лесных экосистем на многолетнее антропогенное воздействие. При организации ВЭ учитывалось наличие готовых программ решения ряда задач, связанных с математической обработкой данных и существование в готовом виде части БД вычислительного эксперимента (БД результатов натурного эксперимента, файлы постоянных коэффициентов к файлы картографической основы представления результатов ВЭ). Разработанная концептуальная модель данной предметной области включала в себя фрагменты декларативных описаний существующих наработок. Созданные ранее программы использовались как исполнители процессов неэлементарного уровня КМ, имеющие тип ЕХЕ, Назначения исполнителей соответствующим подпроцессам не производилось.

Использование инструментальной системы поддержки в данной области позволяет позысить наглядность ВЭ и оперативность модификации модели, легко варьировать варианты реализации и условия ВЗ.

В заключении изложены основные результаты работы.

' ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основе анализа структуры и.задач современного ВЭ сформулированы и обоснованы требования к инструментальной системе его поддержи. Определены существующие • подходы и инструментальные средства, которые могут, быть использованы для создания системы поддержки ВЗ, удовлетворяющей сформулированным требованиям.

2. В рамках подхода, получившего название "Концептуальный анализ", разработаны: формальный аппарат для описания предметной области и исполнительной среды ВЭ; алгоритмы и процедуры анализа модели, постановки.и анализа вариантов реализации конкретной задачи ВЭ; средства автоматизации процесса создания исполнительной среды ВЭ. Концептуальные модели, позволяют представить знания экспертов о предметной области ВЭ, формализовать эти знания, определить требования к структуре и возможностям среды реализации ВЭ.

. 3. Анализ корректности модели относительно правил назначения имен и отношений и анализ разрешимости модели позволяют проверить пригодность модели для выполнения в дальнейшем таких действий

как выбор подмножества модели, обеспечивающего реализацию ВЭ. и синтез элементов исполнительной среды. Анализ позволяет установить следующие основные аспекты корректности модели:

тождественные понятая предметной области имеют в модели тождественные модельные представления;

объекты концептуальной модели, которым поставлен в соответствие один и тот же исполнитель, допускают тождественную реализацию;

описанная в модели предметной области совокупность задач выполнима, их решение обеспечивает получение всех необходимых выходных данных ВЭ;

детализация действий и данных на нижних 'уровнях модели соответствует общим спецификациям верхних;

определенные для предметной области информационные потоки реализуемы в системе исполнительных средств.

Процедуры выбора и анализа фрагмента реализации варианта ВЭ позволяют определить минимальное подмножество модели, обеспечивающее выполнение ВЭ с учетом заданных ограничений.

4. Разработанные средства анализа и синтеза исполнительной среды ВЭ обеспечивают автоматизированную генерацию части БД предметной области и программ реализации неэлементарных задач ВЭ, а также проверку наличия в исполнительной среде элементов, которые не могут быть синтезированы системой, и их поиск на доступных внешних запоминающих устройствах.

5. Основной эффект от использования инструментальной системы поддержки вычислительного эксперимента состоит в:

предоставлении возможности использования терминологии предметной области при построении формальной модели;

обеспечении адекватности формальной модели знаниям экспертов о предметной области;

уменьшении временных затрат на анализ и корректировку модели; ускорении процесса создания и модификации исполнительной среды вычислительного эксперимента;

обеспечений возможности использования готовых программ для решения некоторых задач вычислительного эксперимента;

повышении надежности программного обеспечения вычислительного эксперимента за счет исключения ошибок структурирования и организации вызовов элементарных процедур;

обеспечении наглядности ВЭ и, преемственности разработки при изменении состава коллектива исполнителей. '

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

•1. Автоматизированная система телеметрического анализа древес- ■ ных кернов / А.В.Кузьмин. А.Г.Олейник, О.В.Олейник. А.И. Зотов // Экология - 1989. - КЗ. - с. 79-80."

2. Многомерная классификация трансформированных лесных экосистем и построение приближенной декомпозиции на основе последовательного расширения фазового пространства / А.В.Кузьмин. Л. И. Кузьмина, О.В.Олейник, А.Г.Олейник // Методы и средства вычислительного эксперимента. - Апатиты, 1990,- с. 66-74.

3. Информационная подсистема пространственно-временного анализа динамики лесных экосистем/ А.В.Кузьмин, А.Г.Олейник. О.В.Олейник. Л.И.Кузьмина // Методы й средства вычислительного эксперимента. -Апатита, 1990. - с. 77-83.

4. Кузьмин А. В., Олейник А. Г. Формально-логическая система последовательной декомпозиции элементов гетерогенных насаждений // Тез. докл.- XXIV всесоюзная школа по автоматизации научных исследований - Апатиты,1990.- с. 45-47.

5. Кузьмин A.B.. Олейник А.Т.. Олейаик О.В. Информационная технология многолетнего ретроспективного анализа антропогенного воздействия // Тез.докл. - XXIV всесоюзная школа по автоматизации научных исследований - Апатиты, 1990. - с. 47.

6. Олейник А. Г. Нетрадиционный метод вычисления параметров для оценки эффекта воздействия на лесные .экосистемы.//Вычислительный эксперимент в исследованиях технологических процессов и систем. -Апатиты, 1991.- с. 78-85.

7. Олейник А. Г. О возможностях применения концептуального моделирования для исследования динамики лесных экосистем //Вычислительный эксперимент в задачах прогнозирования. - Апатиты, 1993.-с. 115-128. - "

8. Алгоритм 'оценки многолетней реакции лесных экосистем на изменение параметров окружающей среды / A.B. Кузьмин, О.В. Олейник. А. Г. Олейник, А.Я. Фридман // Вычислительный эксперимент в'задачах-прогнозирования. -Апатиты, 19S3.- с. 129-139.

9. Олейник А.Г. Инструментальная система поддержки ряда этапов вычислительного эксперимента на основе концептуальной модели // Синтез систем вычислительного эксперимента.-Апатиты, 1994.-с..^8-85.

10. Программная система ретроспективного анализа динамики 'антропогенного воздействия ка лесные массивы / Л.В. Бенкевич, А.Г. олейник, О.В. Олейник. А.Я.Фридман, С.Б.Ченосов // Синтез систем вычислительного эксперимента. - Апатиты, 1994. - с.120-134.