автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Методы и средства имитационного моделирования алгоритмов управления автоматизированными экспериментами

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ЛЕНИНГРАДСКИЙ ИНСТИТУТ ИНФОРМАТИКИ И АВТОМАТИЗАЦИИ

На правах рукописи УДК 681.3

НИКИФОРОВ Виктор Викентьевич

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫМИ ЭКСПЕРИМЕНТАМИ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 0S.13.16 — ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ, МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И МАТЕМАТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ В АВТОМАТИЗАЦИИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ЛЕНИНГРАД 1991

Работа выполнена в Ленинградском институте информатики и автоматизации АН СССР.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, член-корреспондент АН СССР ВАСЬКОВ Семен Тимофеевич; доктор физико-математических наук, профессор РЕШЕТНИКОВ Валерий Николаевич; доктор технических наук МАЛЬЦЕВ Павел Августович.

Ведущая организация — Научный совет по комплексной проблеме «Кибернетика» АН СССР.

п П

Защита состоится « ^ > с'ОСЯ--^ 1991 г, в часов на

заседании специализированного совета Д 003.62.01 Ленинградского института информатики и автоматизации АН СССР по адресу: 199178, Ленинград, В. О., 14-я линия, д. 39.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке специализированного совета Д 003.62.01.

Автореферат разослан « » ¡99} г

Ученый секретарь специализированного совета Д 003.62.01 кандидат технических наук В. Е. МАРЛЕЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

^ИСССрг^ми.

^Требования интенсификации развития народного хозяйства, повышения эффективности производства и качества выпускаемой продукции тесно связаны с углублением роли научных исследований в работе предприятий, повышением поли наукоемкой продукции, использованием в производстве и исследованиях сложных автоматизированных комплексов, построенных на базе применения средств вычислительной техники. В частности, все большая доля автоматизированных установок, предназначенных для проведения научных экспериментов, управляется вычислительными машинами и комплексами.

Применение средств вычислительной техники, обеспечивающей разнообразные функции автоматической регистрации, упорядочения, накопления и оперативной обработки данных эксперимента, Функции оперативного управления работой оборудования, входящего в состав исследовательских установок, определяет качествн-ное расширение потенциальных возможностей проведения естественнонаучных экспериментов. При этом типичной является ситуация, когда уникальные приборы и агрегаты, входящие в состав исследовательского комплекса, комплектуются универсальными вычислительными машинами и системами; настройка универсальной вычислительной техники на конкретные исследовательские задачи выполняется путем разработки специальных программных систем реального времени, обеспечивающих проведение требуемых исследований.

Возможность расширения возлагаемой на исследовательские комплексы Функциональной нагрузки сопряжена, с существенным ростом сложности их логической организации. Это обстоятельство и Фактор большого разнообразия управляемого оборудования, входящего в состав установок для проведения экспериментов, приводит к необходимости разработки большого числа вариантов достаточно сложных систем реального времени. Задачи создания таких систем во многих случаях осложняются требованиями повышенной надежности их функционирования, обуславливаемой высокой стоимостью подготовки и проведения экспериментов, высокой стоимостью оборудования и материалов. Все это ставит в ряд в ряд важнейших задачу создания средств и методов разработки

высоконадежных систем реального времени, обеспечивающих проведение естественнонаучных экспериментальных исследований. Внедрение предлагаемых в настоящей работе методов и средств имитационного моделирования открывает путь к созданию высоконадежной технологии разработок систем рассматриваемого класса.

Ц_е_л_ь_ _Д_и_с_с_е_р_т_а_ц_и_и_, Определение роли и места имитационного моделирования в развитии перспективных технологий разработки алгоритмов управления автоматизированным оборудованием для проведения естественнонаучных экспериментов, построение комплекса методов и средств имитационного моделирования, обеспечивающих повышение эффективности разработки высоконадежных систем реального времени для проведения экспериментов в естественнонаучных областях.

М_е_т_о_д_ы_ _и_с_с_л_е_д_о_в_а_н_и_й_. В работе используются средства и методы общей теории систем, теории множеств, теории графов, системного программирования.

Н_а_у_ч_н_а_я_ _н_о_в_и_з_н_а_. В диссертации разработана концепция построения и использования имитационных моделей алгоритмов функционирования автоматизированного оборудования для проведения естественнонаучных экспериментов, при этом:

1. Выделены два класса имитационных моделей, различающиеся степенью детализации моделируемых процессов и составом решаемых с их помощью задач: структрурные модели, отражающие общие особенности логической организации систем автоматизации экспериментов, и комплексные модели, обеспечивающие полное воспроизведение последовательноси и содержания событий, составляющих информационно-алгоритмические процессы в системах автоматизации эксперимента; определена роль структурных и комплексных имитационных моделей в интернированной технологии разработок программных систем, обеспечивающих проведение автоматизированных экспериментов.

2. На основе анализа информационных связей процессов, реализуемых автоматизированным оборудованием, с процессами во внешней информационной среде разделены две специфические функции информационных взаимодействий - знаковая и сигнальная функции; сформулирована роль сигнальных и знаковых информационных связей в организации информационно-алгоритмических процессов, определена роль сигнальных и знаковых компонент (сигнальных и

знаковых операторов и переменных) в алгоритмических языках, ориентированных на представление алгоритмов функционирования управляющих систем.

3. Определено понятие алгоритмического комплекса (совокупность алгоритмических процессов, ориентированных на квазипараллельную реализацию), послужившее основой разработки языка программирования систем реального времени (языка нульти-Си), который позволяет в единообразной форме программировать как управляющее оборудование автоматизированных экспериментов, так и их имитационные модели. Разработан метод построения программных моделей асинхронных параллельных процессов, протекающих в автоматических и автоматизированных системах с использованием дисплейных образов для отображения их динамики; определены принципы использования этих программных моделей для выполнения работ по отладке полных текстов программного обеспечения автоматических и автоматизированных систем реального времени.

4. Построен механизм имитационного моделирования систем асинхронных процессов, протекающих в ходе реализации автоматизированных экспериментов. Предложенный механизм опирается на использование разработанных в диссертации специальных графов (маршрутные сети), позволяющих в наглядной Форме изучать возможные направления развития моделируемых процессов. Предложены методы визуализации сетевых структур на растровых устройствах без промежуточного ицспользования представлений векторного типа.

5. В классе инвариантных (по отношению к трансформациям базиса описаний) алгоритмов классификации состояний моделей определены два подкласса - разностные и метрические алгоритмы; показано, что при описании состояний двоичными признаками в широком диапазоне условий возможности обоих выделенных подклассов алгроитмов эквивалентны возможностям всего класса инвариантных алгоритмов.

П_р_а_к_т_и_ч_е_с _к _а_я_ _Ц_е_н_н_о_с_т_ь_.

1. Разработанные в диссертации методы и средства имита-ционногб моделирования онеспечивают возможность использования современных средств вычислительной техники для построения имитационных моделей, представляющих особенности общей алгоритмы-

ческой организации /правления работой установок и комплексов, предназначенных для проведения научно-исследовательских экспериментов; информация, получаемая в ходе работы таких имитационных моделей, обеспечивает принятие рациональных структурных решений при построении исследовательских установок и комплексов.

2. Представленная в диссертации концепция отладки- алгоритмов и программ, обеспечивающих проведение автоматизированных экспериментов, позволяет доводить полные тексты управляющих программных систем до высокой степени готовности уже на инструментальных ЭВМ за счет использования языка мульти-Си и разработанной в диссертации техники использования имитационных моделей, включающей управление дисплейными образами, которое может эффективно использоваться также а) при разработке средств интерактивного взаимодействия экспериментатора с автоматизированным оборудованием, б) при построении тренажеров для персонала, обслуживающего исследовательские комплексы.

3. Выделение знаковой и сигнальной функций информационных посылок, формализация в языке муяьти-Си концепции внешних интерфейсов управляющей системы представляет собой результат методологического характера, открывающий возможности совершенствования спобобов построения систем реального времени, соответствующих языковых средств и инструментальных систем.

р_е_а_л_и_з_а_ц_и_я_ Р_е_з_у_л_ь_т_а_т_о_в _р_а_6_о_т_ы.

1. Предложенные в диссертации формальные средства представления имитационных моделей под руководством и при участии автора реализованы в виде действующих программных комплексов, обеспечивающих а) визуальный (по изображениям на экране графического дисплея персональной ЭВМ) анализ особенностей эволюции графических моделей типа сетей Петри и маршрутных сетей, б) трансляцию текстов яа языке мульти -Си либо в машинные коды инструментальной ЭВМ, либо в мащинные коды целевой (управляющей) ЭВМ с возможностью подключения в случае необходимости моделей управляемого оборудования.

2. Предложенные в диссертации методы и средства имитационного моделирования были использованы при разработке и реализации алгоритмов управления автоматизированными исследовательскими комплексами в ленинградских институтах АН СССР (Институт

г -

физиологии им. И.П.Павлова, Институт экспериментальной физиологии ц биологии им. Сеченова), кишиневском ПКБ АСУ.

3. По материалам диссертационной работы в Ленинградском электротехническом институте им. В.И.Ульянова (Ленина) поставлен специальный курс лекций.

А_п_р_о_б_а_ц_и_я_ р_а_б__о_т_и. Основные результаты диссертационной работы докладывались на всесоюзных и международных конференция, симпозиумах, совещаниях, семинрах, школах, в частности - Второй всесоюзной конференции по теоретической кибернетике (Новосибирск - 1969 г>. ), Всесоюзной конференции по локальным вычислительным сетям (Рига - 1964 г.), третьем и четвертом Всесоюзной совещании по робототехническим системам (Вороне* - 1984 г., Киев - 1987 г.), 19-ой и 22-ой Всесоюзных школах по автоматизации научных исследований (Новосибирск 1985 г., Тольятти - 1988 г.), 5-ом Международном симпозиуме по информационным проблемам в автоматизированном производстве (Суздаль - 1986 г.), 5-ой Всесоюзной конференции по вычислительным сетям коммутации пакетов (Рига - 1987 г. ), 4-ом Международном совещании по гибким производственным системам (Ленинград - 1987 г.), Международной конференции "Искусственный интеллект - промышленное применение" (Ленинград - 1990 г.).

С_т_р_у_(с_т_у_р_а и о_б_ъ_е_м Д_и_с_с_е_р_т_а_ц_и_и. Диссертация объемом 255 страниц содержит пять глав, 17 таблиц, 27 рисунков, список литературы 183 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность проводимых исследований, сформулирована цель и указаны методы исследований.

В _п_е_р_в_о_й_ _г_л_а_в_е_ диссертации анализируется роль методов и средств имитационного моделирования в разработке систем автоматизации естественно-научных экспериментальных исследований.

Применение автоматизированных систем научных исследований (АСНИ) является важнейшим способом повышения производительности труда в сфере науки и техники. Потребности в создании АСНИ нарастают лавинообразно, по опубликованным оценкам их чи-

- в -

ело к гвее году будет нарастать ло 36-40 тысяч систем в год. Необходимость автоматизации связана с тем, что исследователь вторгается во все более сложные взаимосвязи в природе, что обуславливает возрастание числа регулируемых и контролируемых параметров, возрастание скоростей изучаемых процессов. Задачи исследователя усложняются настолько, что он сам, без помощи ЭВМ, уже не в состоянии с ними справиться.

Наиболее распространенной разновидностью автоматизированных систем научных исследований являются системы автоматизации экспериментов <САЭ), характеризующиеся требованиями выполнения в реальном времени таких функций, как управление работой исследовательского оборудования, сбор данных, их предварительная обработка и оперативное представление с целью контроля над ходом эксперимента со стороны исследователя.

Требования взаимодействия в реальном времени с большим числом разнородных источников и приемников информации предопределяют значительный объем и сложность алгоритмических систем, обеспечивающих функционирование ОАЭ. Успешное проектирование, реализация и эксплуатация таких сложных систем возможны лишь при наличиии естественной и ясной общей концепции их структурной организации. Жизнеспособность такой структурной концепции определяется тем, насколько полно и точно она отражает особенности требований к САЭ, объективные условия функционирования ОАЭ. Жизнеспособная концепция структурирования САЭ должна естественным образом вытекать из подобных требований и условий. Первый таг к формированию общей концепции структурирования САЭ должен включать выделение общих особенностей и условий, свойственных предельно широкому классу систем рассматриваемого рода. Анализ выделенных свойств должен дать универсальные выводы структурного плана, отвечающие требованиям и условиям, характерным для любых САЭ. Следующие шаги формирования общей концепции структурирования САЭ должны отражать специфические особенности САЭ, ориентированных на выполнение того или иного класса Функции. Построение естественной концепции структурирования должно опираться на систематизацию представлений о составе Функций автоматизированных исследовательских комплексов.

В к'ачестве основных тенденций развития функциональных возможностей САЭ указывает: 1) усложнение аппаратуры и алгоритмов, 2)_рост числа объектов и явлений, контролируемых в ходе выполнения автоматизированных экспериментов, 3) резкое расширение сферы применения методов представления и обработки данных в виде двунерных полей -изображений, 4) возрастание роли интеграции разнообразных функций, 5) возрастание требований пользователей к уровню комфорта. ЭВМ может взять на себя ряд функций исследователя, которые поддаются формализации и, следовательно, программированию. Среди них: теоретический анализ модели явления, контроль параметров состояния и управления экспериментальной установкой, проведение измерений, сбор, накопление и хранение данных, документирование обработанных данякх и занесение их в архив, поиск в архиве и работа с библиографией.

На фоне общего роста стоимости программных средств, обеспечивающих проведение экспериментальных исследований, отмечается довольно низкий уровень их повторного использования. Пользователи весьма скептически относятся к тому, что программные средства, разработанные посторонними организациями, могут удовлетворить их нужды, попытки повторного использования обычно приводят к таким изменениям в программах, при которых стоимость использования становится сравнимой со стоимостью разработки" . Высокая стоимость и значительное разнообразие систем программных средств, обеспечивающих проведение научно-техничек-ких экспериментов, связаны с низкой технологичностью их проектирования.

Трудности развития арсенала программных средств обеспечивающих функционирование САЭ не могут быть преодолены в рамках ориентации на создание отдельных вариантов программных систем. Единственно возможный путь преодоления этих трудностей освоение интегрированной технологии разработок, технологии, обеспечивающей эффективное взаимодействие разработчиков при одновременном углублении их специализации. Перспективы совершенствования методов создания САЭ, создания интегрированной технологии разработок, связываются с внедрением в технологические схемы методов моделелирования процессов проведения экспериментов и Использования моделей для генерации требуемых про-

- 1в -

граммных средств. Это обстоятельство определяет роль и место здоач развития методов моделирования работы ОАЭ в ряду ключевых задач соверпенствования технологии создания систем управления автоматизированными экспериментами.

В последние годы предпринимаются усилия в направлении разработки интегрированных технологических схем создания программных систем САЭ (например, комплекс работ по созданию автоматизированных проблемно-ориентированных лабораторий в Институте кибернетики АН УССР).^ В Ленинградском институте информатики и автоматизации АН СССР ведутся исследования, ориентированные на разработку технологии создания мультипрограммных систем (технологии СНС), в частности исследования методов и средств имитационного моделирования алгоритмов функционирования управляющих устройств САЭ.

В заключительном разделе первой главы рассматриваются два типа имитационных моделей САЭ - структурные и комплексные имитационные модели, различие между которыми заключается в целях моделирования и в полноте воспроизведения моделируемых событий. Полное воспроизведение последовательности и содержания всех событий и сообщений соответствует комплексным имитационным моделям. Класс имитационных моделей, концентрированно представляющих особенности общей организации процессе в УУ, составляют структурные имитационные модели.

Комплексные имитационные модели должны предусматривать потенциальную возможность реализации всех возможных зависимостей содержания выходных сообщений имитируемых объектов от со-' держания последовательности их входных сообщений. Построение комплексных имитационных моделей позволяет проводить полномасштабный анализ информационно -алгоритмической организациии УУ, составляющих их блоков и подсистем.

Если задача построения имитационной модели преследует какие-то специальные узкие цели, то большой объем информации, содержащейся в комплексной модели, может мешать достижению задач моделирования, заслонять особенности, определяющие специальные свойства моделируемых блоков, подсистем или структуру их связей. В такой случае целесообразно построение специализированных имитационных моделей, воспроизводящих особенности структурной организации процессов в УУ (структурные модели).

В комплексных имитационных моделях содержание информационных обменов играет существенную роль - в атом случае выполнение операций моделирования действий экспериментатора может потребовать привлечения интеллекта разработчика (коллектива разработчиков), участвующего в сеансе моделирования САЭ: интеллект разработчика выступает в таком случае в качестве разновидности ресурса моделирования (моделирует интеллект экспериментатора).

Реализация имитационных моделей (в особенности комплексных моделей) может потребовать использования инструментальных комплексов, возможности которых (объемы памяти, производительность, состав пультовых средств) существенно превосходят возможности целевых ЭВМ, непосредственно обеспечивающих работу САЭ. Дефицит ресурсов пультовых средств инструментального комплекса (информационная емкость экранов, количество клавиш терминалов) приводит к необходимости решения вопросов их динамического распределения для обеспечения задач реализации информационных обменов разработчика с вычислительными устройствами инструментального комплекса.

Для упорядочения эвньев интегрированной технологии разработок САЭ необходимо провести исследование нетривиальной системы отношена* между языковыми средствами, ивпольэуемыми в ходе создания и эксплуатации САЭ. Такое аеваедование тесно связано с.исследованием структурных особенностей моделей САЭ, способов организаци этих моделей, характера отражения ими структурных особенностей и способов организации самих систем автоматизации.

Таким образом, одной из актуальных проблем повышения эффективности разработок программных средств САЭ является проблема создания системы методов и средств имитационного моделирования алгоритмов функционирования оборудования, управляющего проведением автоматизированных экспериментов. Решение этой проблемы требует, в частности, упорядочения представления о системе языковых средств интегрированной технологии создания, развития и эксплуатации алгоритмов и программ, обеспечивающих проведение автоматизированных экспериментов. При этом необходимо уделять особое внимание различию абстрактной природы математической основы языковых средств и материальной природы

действующих (интерпретируемых)~ языковых форм.

Необходимо исследование объективных предпосылок, определяющих способы организации процессов моделирования .управляющих устройств САЭ; решение вопросов построения структурных имитационных моделей тесно связано с концепцией структурирования информационно-алгоритмической организации Функционирования УУ.

Поскольку системы управления экспериментами относятся к разряду систем реального времени с жесткими требованиями ко времени отклика на внешние события, необходимо проведение исследований, связанных с изучением динамических особенностей формирования и движения информации, порождаемой в ходе работы управляющих устройств и управляемого оборудования САЭ. Построение интегрированной технологии создания САЭ требует также решения вопросов построения двух типов имитационных моделей -моделей комплексного и структурного типа.

В_о_ _в_т_о_р_о_й_ _г_л_а_в_е_ рассматриваются вопросы информационно-алгоритмической организации имитационных моделей САЭ, которая во многом повторяет структурную организацию моделируемых объектов как в части представления информации (данных), так и в части структуры алгоритмов ее обработки. И хотя решения по организации моделируемого объекта (системы) не исчерпывают всех проблем построения модели (остаются еще, например, вопросы организации взаимодействия модели с разработчиком), тем не менее, решение общих вопросов организации имитационных моделей во многом определяется решениями по общей организации алгоритмов функционирования самих систем автоматизации .

По мере развития средств автоматизации экспериментальных исследований и совершенствования технологических схем их подготовки происходит не только существенное увеличение объемов и разнообразия потоков информации, обеспечивающих эти процессы, но и расширение состава языковых средств различного назначения, которые используются в этих процессах. При этом возникает нетривиальная структура отношений между языковыми средствами, обеспечивающими взаимодействие исследователя с целевой ЭВМ, взаимодействие разработчика со специализированными инструментальными средствами и функционирующими блоками имитационных

моделей, взаимодействие подсистем САЭ между собой и со средствами инструментального комплекса.

Упорядоченное рассмотрение отношений между языковыми средствами различного типа и назначения, необходимое для составления целостного представления об общих принципах организации САЭ, эффективной ограиизации труда по подготовке и проведению автоматизированных экспериментов, возможно лишь при условии систематизации всей совокупности языковых средств, используемых в ходе подготовки и реализации автоматизированных экспериментов. Для получения полного представления о структуре отношений языковых средств необходимо проведение анализа особенностей движения информации в ходе разработки и использования САЭ, исследование закономерностей, определяющих порядок порождения и интерпретации порций информации различного назначения.

Информационная настройка систем управления экспериментом осуществляется путем размещения в памяти управляющих устройств языковые Формы (Яф) различного типа и назначения. После введения Яф в память УУ они фактически начинают играть роль элементов конструкции УУ, определяя состав реализуемых УУ функций, характер поведения УУ в ходе реЛения возлагаемых на систему задач. Особенности движения языковых форм, особенности их взаимодействия отражают характер взаимоотношений между соответствующими им разновидностями языковых средств.

В диссертации анализируются отношения между различными языковыми средствами, обеспечивающими процессы разработки и Функционирования систем автоматизации экспериментов. В основу анализа положено рассмотрение характера движения физических экземпляров языковых форм, которые генерируются и интерпретируются в ходе подготовки и реализации, экспериментов. Языковые формы, интерпретируемые до качала эксперимента, относятся к разряду инструментальных форм, формы, интерпретируемые в ходе проведения эксперимента, относятся к разряду целевых. В . ряду целевых ЯФ различаются статические, порождаемые до начала эксперимента, и динамические целевые Яф (сообщения), . порождаемые в ходе эксперимента. Иерархическая организация множества целевых языковых форм определяется тем, что формы, представляющие младшие иерархические уровни целевых языковых средств, являют-

ся элементами конструкций интерпретаторов, которые осуществляют обработку форм, представляющих старшие уровни этой иерархии.

Анализ возможной роли сообщений в организации вычислительных процессов показывает, что в общем случае могут иметь значение два фактора: содержание сообщения и его привязка ко времени.

Если роль сообщения (информационной посылки) ограничивается Аервым фактором, оно выступает в качестве знака (актуальна его знаковая функция). В случае реализации знаковой функции сообщение принимает одну из двух (бинарная информационная посылка), трех или более возможных форм. Если сообщение выполняет функцию знака, то конкретизация множества его возможных форм задает его синтаксис. Смысл, ассоциируемый с каждой из этих форм, задает его семантику.

В некоторых ситуациях содержание сообщения (его знаковая роль, его знаковое наполнение) может быть вырождено - тогда роль сообщения ограничивается лишь привязкой к конкретному моменту времени. В этом случае становится актуальной сигнальная функция сообщения - оно выступает в качестве сигнала, извещающего о наступлении определенного момента времени. Для сигнала способ представления переносимой им информации связан не с вариацией его формы, а вариацией момента его появления.

Генерация сигнальных сообщений (сигналов) выполняется в те моменты времени, когда возникает либо необходимость переключения режимов функционирования системы или отдельных ее частей, либо необходимость включения/выключения отдельных фаз исполнения составляющих систему алгоритмов. Сигнальные сообщения могут отмечать, задавать такты работы системы (например, сигналы таймера).

Таким образом, принципиальное синтаксическое различие между знаками и сигналами состоит в том, что если представление знаков связано с вариацией их конфигурации (пространственная вариация), то представление сигналов связано с вариацией их временной привязки.

Существенны также различия системной роли линиий связи, реализующие транспортировку сигналов и знаков: линии знаковой связи пассивны в том смысле, что извлечение информации из них

происходит по инициативе интерпретаторов ЯФ; напротив, операции интерпретации сигналов инициируются линиями сигнальной связи. Это означает, в частности, различие требований к физической реализации сигнальной и знаковой линий связи: первые могут б1ггь реализованы пассивными элементами.

Принципиальное семантическое различие негду знаками и сигналами - в характере их влияния на интерпретирующий процесс: знаки непосредственно влияют на содержание действий осуществляемых воспринимающим их процессом; сигналы воздействуют на временную привязку (и порядок выполнения) операций воспринимающего их процесса.

Значительная доля трудоемкости создания САЭ падает на конструирование статических целевых Яф. При этом возникает следующее противоречие. С одной стороны, только в условиях широкого тиражирования ЯФ можно рассчитывать на эффективность использования информационной технологии создания САЭ. С другой стороны, разнообразие условий работы САЭ, разнообразие возлагаемых на них задач и функций чрезвычайно широки, конфигурация САЭ во многих случаях уникальна.

Рациональное разрешение этого противоречия, создание эффективной инфромационной технологии возможно только на пути выделения нескольких уровней специализации языковых средств. При этом компоненты, обеспечивающие реализацию универсальных механизмов, функций, операций, тиражируются широко и применяются в системах самого различного назначения. Массовость тиражирования предъявляет повышенные требования к их качеству, такой проработки всех возможных вариантов конструктивных решений, которая обеспечила бы максимальную эффективность их тиражирования и применения.

Адаптация УУ к конкретным условиям функционирования, конкретной конфигурации САЭ, решению конкретных задач осуществляется путем создания компонент, ориентированных на конкретные приложения (узкоспециализированных компонент). Такие прикладные компоненты применяются в рамках узкого класса УУ, или даже применяются лишь в уникальных условиях.

Таким образом, во множестве языковых средств выделяются два полюса: наиболее универсальным из них соответствуют уникальность разработки и массовость применения (микропрограммы,

универсальные обслуживающие компоненты и подсистемы), а самым узкоориентированным (конструируемым во многих случаях конечными пользователями) - уникальность применения и массовость разновидностей. Посредине лежат проблемно-ориентированные компоненты.

Наибольший объем и, соответственно, наибольшая трудоемкость разработки как управляющей системы, так и ее комплексной модели, приходится на разработку проблемно-ориентированных компонент. Преодоление трудностей построения сложной системы возможно при наличии рациональных, объективно оправданных принципов ее организации - в первую очередь принципа иерархического модульного построения. Модули низшего иерархического уровня обеспечивают взаимодействие с внешней средой, через их посредство реализуются функции старших иерархических уровней. На каждом из иерархических уровней выделяются декларативный и операционный подуровни - так параллельно с иерархией алгоритмов формируется иерархия структур данных, Фиксирующих настройку и текущее состояние системы.

Первый уровень обеспечивает взаимодействие с информационным окружением, второй - преобразование внешней формы представления информации во внутреннюю и обратно, третий - синтез последовательности генерируемых системой сообщений и формирование оценок текущей ситуации по оперативным данным. Верхний уровень координирует деятельность всей системы. Обслуживающие подсистемы стоят вне системы иерархических отношений проблемно -ориентированных компонент.

Сложная управялющая система строится в виде совокупности подсистем, каждая из которых может иметь более или менее сложную иерархически упорядоченную организацию - в результате вся система имеет вид объединения иерархически упорядоченных Функциональных ветвей. Эта структура естественно повторяется и в структуре комплексной модели управляющей системы. В соответствии с принципом дуальности эта структура повторяет систему отношений управляемых процессов, из чего следует, что модель совокупности управляемых объектов, модель сцены эксперимента, должна представлять собой нечто вроде зеркального отражения веера функциональных ветвей. Объем и сложность модели сцены эксперимента характеризуюся величинами того же порядка, что и

соответсвующие характеристики управляющей системы. Построение такой модели сцены эксперимента, которая достаточно полно представляла бы поведение управялемых объектов дает решение трудной и всегда актуальной задачи формальной спецификации поведения управялемых объектов - в комплексной модели, организованной по предлагаемым принципам, имеется возможность строить формальную спецификацию поведения управялемых объектов с любой требуемой полнотой и точностью.

Одной из отличительных особенностей комплексных моделей систем экспериментальных исследований является то обстоятельство, что взаимодействие с ними осуществляется на языке конечных пользователей. Хотя ее Формы относятся к разряду инструментальных, она охватывает и большую часть целевых языковых форм, поскольку содержит полный алгоритм функционирования управляющего устройства.

Разработка эффективной системы визуализации, которая обеспечивала бы полноценное визуальное воспроизведение динамики поведения моделируемых объектов, дело весьма трудоемкое, но преодоление этих трудностей означает создание центрального инструмента всей интегрированной технологии, и не только потому, что дает незаменимый инструмент отладки, но и потому, что может дать качественное повышение уровня понимания требований к создаваемым системам на самых ранних стадиях их проектирования, поскольку управление дисплейными образами ведется на языке конечного пользователя, на самых ранних стадиях разработки появляется возможность эффективного взаимодействия пользователя-экспериментатора с разработчиком системы. Появляется возможность преодолевать разобщенность пользователя -экспериментатора и разработчика системы автоматизации за счет организации сеансов работы с "живыми" дисплейными образами оборудования, составляющего сцену эксперимента.

В _т_р_е_т_ь_е_й_ _г_л_а_в_е_ диссертации рассматриваются вопросы построения комплексных имитационных моделей систем автоматизации экспериментов -. моделей, взаимодействие с которыми осуществляется путем использования языковых средств конечных пользователей.

Актуальность построения комплексных имитационных моделей на этапе подготовки автоматизированных экспериментов вызывает-

ся во-первых, требованиями высокой надежности к комплексу программных средств, обеспечивающих работу дорогостоящего исследовательского оборудования и, во-вторых, необходимостью выполнения разработки программных средств в параллель с разработкой и изготовлением управляемого оборудования.

Комплексная имитационная модель, представляющая общий алгоритм функционирования устройства управления автоматизированным экспериментом должна охватывать все уровни целевых языковых средств, рассмотренные во второй главе. Поскольку, как отмечалось выше, наибольшие обьемы и, соответственно, наибольшая трудоемкость разработки программных средств приходится на разработку текстов проблемно-ориентированных компонент, большое значение имеет использование эффективного языка разработки этих компонент. Значительная часть проблемно-ориентированных компонент решает задачи эффективного взамиодействия со специфическими интерфейсными блоками , связывающими управляющие устройства с исследовательским оборудованием. До недавнего времени для решения таких задач приходилось прибегать к использованию языка ассемблера. Нередко это приводило к тому, что все тексты функциональных программных компонент составлялись на языке ассемблера. Использование таких текстов для построения моделей, интерпретируемых в операционной среде инструментальных ЭВМ либо проблематично, либо практически невозможно (в особенности в случае, когда процессы инструментальной и целевой ЭВМ принадлежат различным архитектурным линиям). Это обстоятельство настолько осложняло проблему, что практически исключало возможность построения и использования комплексных имитационных моделей в качестве технологического этапа разработки программных систем автоматизации экспериментов.

Радикальное изменение ситуации произошло в результате появления языка Си и широкого распространения систем программирования, допускающих сборку программных компонент, представленных средствами различных языхов разработки. Появилась возможность широкого использования в качестве языков разработки универсальных алгоритмических языков высокого уровня, расширились рамки использования в качестве инструментальных ЭВМ различных архитектурных линий.

Использование комплексных имитационных моделей требуют разработки программных процессов-эмуляторов и соответствующих средств их визуализации (дисплейных образов), представляющих характер развития процессов во внешней (по отношению к УУ) среде (и, в первую очередь, характер реакции управляемого исследовательского оборудования на управляющие воздействия). Комплексные модели строятся посредством модельной сборки - сборки спецификаций целевых компонент вместе со спецификациями процессов, эмулирующих поведение объектов сцены. Модельная сборка производится для исполнения в операционной среде инструментальной ЭВМ. Это позволяет а) использовать весь сервис, предоставляемый для отладки программ инструментальной операционной системой, б) в широких пределах варьировать темп исполнения отдельных компонент, произвольно замедлять и даже полностью приостанавливать исполнение целевых компонент и процессов-эмуляторов. Время исполнения целевых компонент на инструментальной машине может быть и существенно меньшим, чем время их исполнения реальными управляющий устройствами (за счет более высокого быстродействия инструментальной ЭВМ, Форсирования темпа моделируемых явлений). Поэтому исполнение целевых подсистем в рамках комплексной имитационной модели уместно называть исполнением в модельном времени.

Исполнение в модельном времени становится особенно наглядным и эффективным, если события, реализуемые процессами-эмуляторами с достаточной полнотой и выразительностью представляются своими дисплейными образами. При этом наиболее полно используются психологические ресурсы разработчика, наблюдающего за эволюцией дисплейных образов, управляемых модельной реализацией целевых компонент и подсистем.

Внешний вид дисплейных образов, моделируемых объектов, характер их эволюции с течением модельного времени и под влиянием управляющих воздействий,, (точнее говоря, тех модельных эквивалентов управляющих воздействий, которые передаются через структурные модели интерфейсных блоков) определяется спецификациями процессов-эмуляторов. Эти спецификации должны строиться таким образом, чтобы обеспечиваясь возможность управления дисплейными образами от трех источников: а) со стороны тех подсистем инструментальной ЭВМ, которые ответственны за течение

модельного времени; 6) со стороны целевых компонент и подсистем; в) со стороны разработчика, выполняющего (за дисплеем инструментальной ЭВМ) сеанс комплексного моделирования.

Одной из ключевых функций комплекта процессов-эмуляторов является моделирование таймеров целевой ЭВМ, формирование соответствующих информационных посылок в структуры, моделирующие регистры таймеров, формирование сигналов, моделирующих таймер-ные прерывания. Модели таймеров должны также инициировать выполнение циклов и процедур, представляющих эволюцию внешних процессов. Поскольку визуально эволюция моделей внешних процессов отображается в виде движения соответствующих дисплейных образов, можно говорить об управлении дисплейными образами со стороны компонент, ответственных за течение модельного времени .

Другим источником, влияющим на эволюцию моделирующих структур и движение дисплейных образов являются целевые компоненты и подсистемы. Они влияют на моделирующие структуры и дисплейные образы посредством модификации состояний моделей интерфейсных регистров.

В обстановке управления исследовательским оборудованием всегда имеется та или иная доля неопределенности состояния управляемого оборудования, неопределенности текущего состояния внешних процессов и направления их развития. В ходе функционирования комплексной модели имитация этой неопределенности может осуществляться либо путем обработки данных, генерируемых либо датчиками случайных чисел, либо по директивам разработчика, выполняющего сеанс моделирования.

Для реализации таких директив необходимо обеспечить возможность непосредственной модификации оператором параметров наблюдаемых им дисплейных образов. Таким образом оператор-разработчик в ходе сеанса моделирования может произвольно создавать специфические внешние ситуации и анализировать поведение целевых'программных компонент в этих ситуациях. Эффективность восприятия хода подобных экспериментов зависит от степени наглядности дисплейных образов.

Полномасштабное моделирование работы сложных автоматизированных исследовательских комплексов может потребовать привлечения ресурсов нескольких инструментальных ЭВМ нескольких

операторов-разработчиков. Это означает . переход к построению расперделенных комплексных моделей с их визуальным представлением в виде полиэкранных дисплейных образов. В таком случае реализация техники управления дисплейными образами обеспечивается средствами локальных сетей ЭВМ.

Построение комплексных имитационных моделей требует: а) сопряжения функциональных программных компонент, представляющих целевую систему, с компонентами, обеспечивающими эмуляцию работы исследовательского оборудования; б) наличия средств спецификации отдельных последовательных компонент общего асинхронного вычислительного процесса и средств спецификации сигнальных связей между этими компонентами. Оба эти требования могут быть удовлетворены за счет использования языка мультиСИ -90, разработанного автором для построения комплексных имитационных моделей САЭ. В основу концепции языка положены сформулированные в диссертации понятия сигнальной и знаковой переменных, сигнальных и знаковых функциях операторов, понятие алгоритмического копмлеса как подмножества процессов, ориентированных на квазипараллельное исполнение. Важнейшим прагматическим свойством языка мультиСИ является возможность единообразной спецификации как организации управляющих систем, так и организации информационных процессов во внешней информационной среде. Конструкции языка мультиСИ обеспечивают также единообразную спецификацию информационных связей между комплексами процессов, реализуемых управляющим и управляемым оборудованием. Это свойство делает язык мультиСИ средством построения комплексных имитационных моделей. Средства языка мультиСИ обеспечивают настройку программной системы на работу с различной конфигурацией аппаратных средств, в том числе с различным числом процессоров.

Базовые понятия, положенные в основу языка мультиСИ-90 -понятия о Знаковой и сигнальной Функциях информационных посылок, о знаковой и сигнальной функциях операторов, составляющих алгоритм функционирования системц реального времени, дают естественную основу для построения эффективнвых методов разработки систем реального времени, общего алгоритма их Функционирования.

Сигнальные связи между процессами внутри алгоритмического комплекса строятся на основе систематизации типов сигнальных взаимодействий. Состав методов синхронизации является достаточно полным и эффективным для построения систем реального времени средствами современных ЭВМ. В диссертации показано, что при использовании классификационных критериев, характеризующих емкость линии сигнальной связи, характер обработки переполнений и наличие знаковой нагрузки образуется единое пространство типов сигнальных взаимодействий, включающее такие механизмы синхронизации параллельных процессов, как семафоры, рандеву, обменники, аппаратные механизмы прерываний.

По составу средств язык мультиСИ-90 является универсальным алгоритмическим языком, позволяющим строить формальные описания открытых алгоритмических систем, содержащих множество взаимодействующих друг с другом последовательных алгоритмических процессов.

Язык мульти-Си сочетает в себе особенности языков высокого урвня и языков уровня ассемблера. По синтаксическому оформлению, составу поддерживаемых способов организации данных, составу реализуемых управляющих механизмов язык мульти-Си относится к языкам высокого уровня. Вместе с тем, он позволяет специфицировать структуры и действия, традиционно относившиеся к представлениям ассемблерного уровня.

В части конструирования последовательных алгоритмов та- | кое сочетание унаследовано вместе со всем составом изобразительных средств базового языка Си, играющего по отношению к языку мультиСИ-90 роль подмножества, ориентированного на построение последовательных компонент общего параллельного алгоритма. В части организации параллельных вычислений эта особенность продолжена в том, что транслятор языка мультиСИ-90 берет на себя все Функции по построению специальных структур данных, фиксирующих текущее состояние процессов и линий сигнальных связей между ними, а также Функции по построению необходимых процедур модификации этиха структур данных. Организация языка допускает высокоэффективную по памяти и быстродействию реализацию параллельных алгоритмов. Обмен сигнлами и данными с внешней информационной средой организован не на уровне отвлеченных процедур ввода-вывода, а на уровне операций модификации

состояний линий, внешних связей, ассоциируемых при сборке программной системы с конкретными физическими внешними регистрами и конкретными векторами прерываний.

Подход к спецификации информационных связей, реализованный в языке мультиСИ-90| в существенной мере универсален и имеет самостоятельное значение. Он содержит концептуальную основу для формализации таких особенностей архитектуры, как система внешних прерываний и тех составляющих архитектуры ЭВМ, которые именуются внешними (интерфейсными) регистрами, внешними портами, устройствами связи с объектом.

Целесообразность использования комплексных имитационных моделей обусловлена следующими факторами:

а) трудоемкость разработки и отладки программных средств на целевой ЭВМ существенно (иногда в несколько раз) превосходит трудоемкость аналогичной разработки в среде инструменлаль-ной ЭВМ; б) отладка на дисплейных образах не сопряжена с риском выведениия из строя реального оборудования; в) отладка на дисплейных образах может опережать по срокам создание работоспособных образцов управляемого оборудования; г) качество программных компексов, прошедших всестороннюю отладку на дисплейных образах может быть значительно повышено за счет специальной организации в процессе отладки всевозможных специфических внешних ситуаций.

В _ч_е_т_в_е_р_т_о_й_ _г_л_а_в_е_ рассматриваются вопросы построения и анализа имитационных моделей, представляющих структурную организацию алгоритмов функционирования САЭ.

Одним из характерных требований к подсистемам САЭ, требованием, определяющим характер их общей алгоритмической организации, является требование адекватной и своевременной реакции на сигнальные информационные посылки, поступающие от различных асинхронно Функционирующих источников. Это требование приводит к необходимости построения алгоритмов функционирования устройств рассматриваемого класса и соответствующих имитационных моделей в виде системы асинхронных согласованно взаимодействующих алгоритмических процессов.

Разделение сигнальной и знаковой функций информационных * посылок позволяет выделить фазовые интервалы - составные динамические операторы асинхронного алгоритмического процесса, фа-

зовый интервал представляет собой отрезок последовательной составляющей процесса, заключенный между двумя операциями сигнального взаимодействия. Операции, реализуемые процессом внутри Фазового интервала, осуществляют лишь интерпретацию знакового содержания информационных посылок. Операции, ограничивающие фазовый интервал (сигнальные операции) реализуют их сигнальную Функцию.

Согласованное взаимодействие алгоритмических процессов, асинхронно реализуемых отдельными компьютерными устройствами, координация этих-процессов с ходом различных событий, обусловленных асинхронно развивающимися процессами во внешней информационной среде, обеспечивается и поддерживается организацией соответствующей системы сигнальных информационных связей. Решения по общей организации совокупности процессов, реализуемых автоматизированной системой, общей структуре сигнальных связей между процессами относятся к числу наболее ответственных. Корректность организации системы сигнальных связей между асинхронными алгоритмическими процессами не может гарантироваться применением методов отладки и тестирования, традиционно используемых при разработке последовательных программ. Для построения корректной системы сигнальных связей необходимо использование средств моделирования, специально ориентированных на представление особенностей организации сигнальных взаимодействий в системе асинхронных алгоритмических процессов. Необходимо использование методов и средств анализа свойств и характеристик систем, предстваляемых структурными имитационными моделями асинхронных систем.

Для представления структуры множества сигнальных связей в асинхронных системах наиболее распространено использование формальных моделей типа сетей Петри и их разнообразных модификации. Проводившиеся в последние десятилетия исследования Формализмов такого типа привели к накоплению большого теоретического материала. В терминах сетей Петри сформулированы постановки актуальных задач анализа моделей асинхронных систем (достижимость, безопасность, тупиковость и т.п.), получены результаты по алгоритмической разрешимости этих задач,, их взаминой сводимости. В то же время, эти абстрактные результаты еще не привели к созданию и широкому практическому использованию

средств автоматизации проектирования, которые давали бы в руки конструкторов эффективный инструмент построения и анализа структуры сигнальных информационных связей в разрабатываемых асинхронных системах. Для создания таких средств необходимо построить такие модификации формальных моделей, которые были бы хорошо приспособлены для представления структурных особенностей систем асинхронных процессов и позволяли бы эффективно решать задачи анализа структурных•свойств моделируемых систем.

Имитационная модель асинхронной системы включает два типа компонент - статические и динамические компоненты. Статические компоненты, остающиеся неизменными в ходе эволюции модели, представляют все существенные - с точки зрения задач моделирования - особенности общей структурной организации моделируемой системы. Они задают состав элементов, представляющих моделируемую систему и характер связей между этими элементами. Множество динамических компонент (представляемое набором переменных имитационной модели) отражает ход эволюции модели, последовательность смены значений параметров ее текущего состояния. Множество всевозможных комбинаций значений параметров состояния образует пространство состояний модели. В общем случае пространство состояний имитационной модели шире, чем пространство ее достижимых состояний. В практических случаях оно неизмеримо шире.

Для моделей типа сетей Петри роль статической компоненты играет структура двудольного графа из позиций, переходов и соединяющих их дуг. Роль динамической компоненты играет изменяющаяся в ходе работы модели разметка позиций сети. Широкое использование моделей типа сетей Петри для представления особенностей структурной организации асинхронных систем обусловлено, в первую очередь, следующими двумя обстоятельствами: а) наглядностью изображения статической компоненты модели; б) простотой и высокой степенью универсальности формализма, определяющего характер Функционирования модели. Многочисленные модификации средств моделирования на базе концепций, составляющих идейную сущность сетей Петри, связаны либо со специализацией моделей, либо со стремлением достигнуть дополнительной наглядности за счет введения некоторой иерархии изобразительных средств. Но эти формализмы плохо приспособлены для представле-

кия структур, реализуемых процессно-ориентированной аппаратной базой, и процедурно-ориентированными языками программирования, поскольку фактически соответствуют концепции управления потоками данных, разработанный в диссертации процедурно-ориентированный формализм - маршрутные сети - в определенном смысле рав-номощен сетям Петри, и в то же время сопряжен с языком мульти -Си: конструкции типа маршрутных сетей могут быть последовательно развернуты в тексты соответствующей программной системы на языке мупьти-Си. Это дает возможность использовать маршрутные сети и язык мульти-Си в качестве составляющих средств интегральной технологии программирования систем автоматизации экспериментов.

Концептуальную основу маршрутных сетей составляют понятия о сигнальных операциях и фазовых интервалах алгоритмического процесса. Статической составляющей моделей типа маршрутных сетей является совокупность маршрутов (непрерывных линий,

©

которые могут сливаться и ветвиться и циклиться) и элементы, моделирующие линии сигнальных связей (синхронизирующие элементы). Динамической составляющей являются параметры положения курсоров процессов, движущиеся по маршрутам, и состояния синхронизирующих элементов. Вдоль маршрутов размещаются указатели сигнальных операций, связанные с синхроэлементами. Текущее состояние каждого из синхроэлементов представляется размещаемыми в . нем метками. При прохождении курсором указателя синхроопера-ции осуществляется (в зависимости от типа синхрооперации) либо изъятие метки из соответствующего синхроэлемента, либо помещение метки в синхроэлемент. Отдельный синхроэлемент характеризуется объемом - максимальным числом меток, которые он способен вместить. Указатели синхроопераций разбивают маршруты на участки - фрагменты, соответствующие фазовым интервалам моделируемых алгоритмических процессов. Таким образом модели типа маршрутных сетей концентрированно представляют структурную организацию асинхронного алгоритмического процесса.

Множество фаз, доступных отдельному курсору процесса, составляет пространство положений курсора. Декартово произведение таких пространств (по всем курсорам модели) составляет фазовое пространство моцели. Декартово произведение (по всем синхроэлементам) возможных состояний синхроэлементов образует

пространство состояний пиний связи. Произведение фазового пространства и пространства состояний линий связи составляет полное пространство состояний модели.

Модели реальных САЭ содержат десятки или сотни синхро-элементов, координирующих движение десятков курсоров процессов объем полного пространства состояний таких моделей выражается сверхбольшими числами. В то же время, структурная организация реально действующих систем обычно допускает построение и обработку явных описаний их полных динамических портретов, поскольку, во-первых, число достижимых состояний составляет ничтожно малую часть общего объема пространства состояний модели и, во-вторых, объемы дисковой памяти и производительность современных ЭВМ позволяют размещать и обрабатывать динамичесхие портреты, включающие миллионы и десятки миллионов состояний. Вместе с тем, необходимая эффективность представления динамических портретов и необходимая эффективность их обработки достигается за счет применения различных эвристических процедур в частности, эвристических алгоритмов классификации состояний модели. В заключительном разделе четвертой главы выделены два подкласса алгоритмов классификации состояний моделей - разностные и метрические алгоритмы.

Разностные алгоритмы по определению ограничиваются входными данными из таблицы шкал различий (таблицы, в которой для каждой пары состояний содержатся перечни различающихся параметров). Разностные алгоритмы отличаются свойством инвариантности в том смысле, что не зависят от способа выбора системы отсчета значений параметров классифицируемых состояний.

Разновидностью разностных алгоритмов являются алгоритмы, оперирующие значениями спектров расстояний между описаниями состояний - метрические алгоритмы (их использование связано с введением определенной метрики на пространстве состояний). Апелляция к таким алгоритмам оправдана отличающей их наглядностью. При этом возникает вопрос, насколько широки возможности метрических алгоритмов - как много информации о конфигурации исходного множества содержится в спектрах расстояний?

Оказывается, что в случае бинарных признаков по спектрам расстояний однозначно восстанавливается таблица шкал различий. Некоторые примеры показывают, что в самой таблице шкал разли-

ний может быть /трачена существенная часть информации о структуре представляемого множества. В диссертации получен результат, который свидетельствует, тем не менее, в пользу апелляции к алгоритмам, ограничивающимся информацией типа таблицы шкал различий или к спектров расстояний: для множеств с нечетным числом элементов структура исходного множества может быть однозначно восстановлена по спектрам расстояний. Это означает, что для таких множеств возможности обработки спектров расстояний не уступают возможностям любого класса инвариантных алгоритмов.

В _п_я_т_о_й_ _г_и_а_в_ё_ рассматриваются вопросы визуализации структурных моделей САЭ.

Использование сетей того или иного типа для представления структурных моделей САЭ приводит к необходимости решения вопросов построения изображений сетевых структур посредством тех средств отображения информации, которые имеются в арсенале современных- ЭВМ - в частности, растровых дисплеев и матричных принтеров. Использование традиционных методов машинной графики для визуализации сетевых структур на растровых графических устройствах связано с последовательным переходом от дискретных Форм представлений к аналоговым и обратно. Этим обстоятельством обусловлена актуальность изучения способов растровых представлений сетевых структур. Отсюда вытекает также актуальность разработки методов автоматизированного и автоматического синтеза и анализа таких представлений. В главе дан подход к постановке задач Формирования растровых представлений сетевых структур, приводится ряд конструктивных решений, обеспечивающих автоматизацию решения подобных задач.

В качестве формальной модели прямоугольного растра используется ограниченная двумерная область с топологией плоской решетки, соответствующая множеству точек (_х, _у| с целочисленными значениями координат, отвечающими неравенствам: _0 < _х < _0 < _у < ; где и - целые числа, характеризую-

щие, соответственно, ширину и высоту растра _В(_*г, _М. Для современных технических средств значения и _П лежат приблизительно в пределах от 200 до 400В. Это означает, что представляющая растр решетка может содержать десятки и сотни тысяч элементов - точек, соответствующих пикселям растрового изобра-

жения. Элементы растра - точнее, соответствующие им точки решетки - обозначаются строчными буквами - _а, _b, _с, _d или _е - либо парой символов (_ха , _уа), представляющих значения абсциссы и ординаты элемента _а.

Основу строительного материала для построения растровых представлений сетевых струтур составляют свободные цепочки.

Множество, состоящее из _п > _0 элементов растра называется свободной цепочкой, если его1можно представить в виде последовательности _с0, . ... _сп, удовлетворяющей требованию: _ci и _cj являются смежными элементами растра, если и только если : _í_ -_ j ! = (замыкающие элементы _св и _сп представляют противоположные концы свободной цепочки, остальные ее элементы будем называть внутренними). Значениям _п = в и _п = 1 соответствует вырожденные свободные цепочки, не содержащие внутренних элементов.

Интуитивно свободной цепочке сопоставляется некоторая разомкнутая линия, не имеющая самопересечений, причем различные участки этой линии не подходят друг к другу слишком близко (принадлежащие различным участкам элементы свободной цепочки не являются смежными элементами растра).

Пара смежных элементов свободной цепочки образует ее звено. Выделяются четыре типа ориентации звеньев на растре. Ориентация типа 0 соответствует горизонтально ориентированным звеньям, ориентация типа 2 - вертикально ориентированным звеньям. Звенья с ориентацией типа i расположены параллельно диагонали - биссектриссе координатного угла, образуемого осью абсцисс и осью ординат; звенья с ориентацией типа 3 перпендикулярны этой биссектриссе. Указании* четыре типа ориентации звеньев естественно группируются > жва класса - диагональные ориентации (типы 1 и 3) и недиагоямьные ориентации (типы 0 и 2).

Если два соседние (пересекающийся по некоторому общему для них элементу) звена свобояво* цепочки имеют различную ориентацию, то их общий элемент является точкой сгиба свободной цепочки. Особую роль в построении растровых представлений сетевых структур играет класс гладких цепочек: свободная цепочка отностися к классу гладких цепочек, если в каждой ее точке сгиба пересекаются звенья, принадлежащие различным классам ориентации.

то есть, у гладких цепочек в каждой точке сгиба по одну ее сторону лежит диагональное звено, а по другую сторону - недиагональное. Другими словами, гладкие цепочки не имеют резких (под прямым углом) изломов, что облегчает их визуальное отслеживание и определяет ряд свойств, облегчающих их автоматический анализ и синтез.

При определении цепочки как множества элементов растра оба ее замыкающие элемента являются равноправными, так как такое определение не выделяет какого-либо преимущественного направления движения вдоль цепочки от _с1 к _сп или от _с1 к _сп. Использование цепочек в качесве элементов растровых представлений сетевых структур может потребовать введения в цепочке внутренней асимметрии, выражающейся в выделении начального и конечного замыкающих элементов. В случае такого выделения вся цепочка и каждое ее звено наделяется внутренней направленностью - от начального ее элемента к конечному.

Естественным обобщением понятия направленной цепочки является понятие траектории, определяемое как последовательность (_с0, ..., _сп] элементов растра, удовлетворяющая требованию: если ! - I = _1, то _с! и ^^ являются смежными элементами растра (в данном случае заключение перечня элементов растра в круглые скобки означает, что порядок следования элементов существенен). В случае невырожденной траектории определение последовательности элементов растра означает и определение

соответствующей последовательности звеньев (_С1....._Сп).

Траектории представляют собой менее богатый свойствами (в сравнении с направленными цепочками) класс последовательностей точек растра: для них не выполняются, в частности, такие свойства, как разомкнутость, отсутствие самопересечений. Направленные цепочки представляют собой специфический подкласс траекторий.

Построение цепочек (при синтезе растровых представлений сетевых структур) в большинстве случаев осуществляется последовательно - . от звена к.звену. При этом каждый шаг движения вдоль цепочки однозначно представляется приращением _<И значения направления _f очередного звена цепочки по отношению к предыдущему (напомним, что по определению свойства гладкости возможны лишь два ненулевые значения _<Н - единица и минус

единица).

форма невырожденной цепочки (_Ав, _А1, ... , _Ап) однозначно определяется формообразующей последовательностью (_<Н1, _<Н2, ... , _/Нп ) приращений значений направления ее звеньев при движении вдоль цепочки от одного ее конца к другому. Из формообразующей последовательности эффективно извлекается как локальная, так и глобальная информация о свойствах цепочки. Так, совпадение знаков всех ненулевых элементов формообразующей последовательности означает отсутствие перегибов (в-образ-ных участков) цепочки. Значения координат начальной точки _ав и кода направления _10 начального звена дополняют информацию о цепочке, однозначно определяя ее конфигурацию и положение на растре.

Для представления узлов сетевых структур целесообразно использование Фигур. фигурой называется множество элементов растра, обладающее двумя свойствами - плотностью и связностью. При этом под плотным будем понимать такое множество _Х, что для каждого его элемента а существует не менее трех элементов из _Х, смежных с _а. Связность множества _Х означает, что для любых _а и _Ь из _Х найдется целиком принадлежащая _Х траектория, которая содержит элементы _а и _Ь.

Одним из эффективных способов спецификации фигуры является задание траектории, содержащей все (и только) принадлежащие фигуре элементы, формообразующая последовательность задающей траектории и класс ориентации начального звена определяют тип Фигуры. Координаты начала задающей траектории определяют размещение экземпляра фигуры на растре. Код направления начального звена задает ориентацию экземпляра Фигуры.

Другой способ спецификации фигуры - задание контура, охватывающего Фигуру как множество своих внутренних элементов. Оба способа позволяют отделить спецификацию Формы фигуры от спецификации ее размещение на растре и ориентации.

В качестве примера использования техники построения растровых представлений сетевых структур рассматривается подход к построению растрового графического формализма для представления сетей Петри. Показательными примерами элементов растровых графических представлений явялются представляения переходов сети Петри, задаваемых траекторией с формообразующей последо-

вательностью (06221106011226) и позиции сети Петри представляемых контурами с формообразующей последовательностью (101010101010101). Отношения между ее узлами сетевой структуры отображаются с помощью цепочек. С каждой фигурой, представляющей переход, связана единственная пара элементов растра для замыкающего звена цепочки, соответствующей входной дуге. Но переход сети Петри может иметь несколько входных дуг. Аналогичное замечание можно сделать относительно выходных дуг. Противоречие снимается тем, что допускается объединение (слияние) цепочек, представляющих входные дуги и расщепление (ветвление) цепочек, представляющих выходные дуги.

В заключительном разделе главы рассматриваются задачи, возникающие при необходимости автоматического синтеза растровых представлений сетевых структур: построение цепочки по замыкающим элементам, построение цепочки по замыкающим звеньям, слияние цепочек, обход препятствий. Даны сведения о двух системах, реализующих принцпы синтеза и анализа растровых представлений сетевых структур - системы ВИЗА-П, ориентированной на анализ структурных моделей на базе сетей Петри и систем ВИЗА -М, ориентированной на анализ структурных моделей на базе маршрутных сетей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленные в диссертации методы и средства имитационного моделирования САЭ могут быть использованы в качестве ключевых элементов интегрированной технологии разработок высоконадежных систем реального времени для проведения экспериментов в естественнонаучных областях. В ходе исследований, представленных в диссертации, были получены следующие основные результаты.

1. Определены различия и характер взаимодействия двух классов имитационных моделей САЭ - структурных и комплексных моделей: структурные модели отражают общие особенности логической организации систем автоматизации экспериментов, комплексные модели обеспечивают предельно полную имитацию последовательности и содержания событий, составляющих информационно-ал-

горитмические процессы САЭ. Структурные имитационные модели используются для исследования динамических свойств систем параллельных алгоритмических процессов, для анализа их логической корректности (в частности, для составления динамических портретов). Комплексные модели используются в первую очередь для проверки работоспособности программных систем, обеспечивающих работу УУ САЭ.

2. На основе анализа особенностей движения физических экземпляров языковых форм, используемых в ходе подготовки и реализации автоматизированных экспериментов определены формальные критерии систематизации языковых средств, используемых в ходе подготовки и реализации автоматизированных экспериментов. Целевые языковые формы, интерпретируемые в ходе проведения экспериментов, подразделяются на статические - порождаемые до начала эксперимента и динамические (сообщения) - (порождаемые в ходе проведения эксперимента. Иерархическая организация множества целевых языковых форм определяется тем, что формы младших иерархических уровней являются элементами конструкций интерпретаторов, осуществляющих обработку форм, представляющих старшие уровни иерархии целевых языковых средств.

3. Сформулирован методологический принцип разделения сигнальной и знаковой Функций информационных посылок. Опеделены критерии, определяющие сущность различия между сигнальными и знаковыми переменными и операторами в языках параллельного программирования. Показана структурообразующая роль сигнальных взаимодействий в информационно-алгоритмических процессах. Проведена систематизация типов " сигнальных взаимодействий между процессами, реализующими функции САЭ. Показано, что при использовании классификационных критериев, характеризующих емкость линии сигнальной связи, характер обработки переполнений и наличие знаковой нагрузки образуется пространство типов сигнальных взаимодействий, включающее такие механизмы синхронизации параллельных процессов, как семафоры, рандеву, обменники, аппаратные механизмы прерываний.

4. Построена концепция структурирования систем параллельных процессов, опирающаяся на разделение сигнальной и знаковой функций информационных взаимодействий. Определено понятие алгоритмического комплекса, позволяклцееее Формализовать на

уровне конструкций универсального алгоритмического языка представление о механизмах внешних прерываний.

5. Разработан язык программирования мультипроцессорных управляющих систем мультиСИ-90. Концептуальную основу языка составляют сформулированные в диссертации понятия сигнальной и знаковой переменных, сигнальных и знаковых функциях операторов, понятие алгоритмического копмлеса. Важнейшим прагматическим свойством языка мультиСИ является возможность единообразной спецификации как организацию управляющих систем, так и организацию информационных процессов во внешней информационной среде. Конструкции языка мультиСИ обеспечивают также единообразную спецификацию информационных связей между комплексами процессов, реализуемых управляющим и управляемым оборудованием. Это свойство делает язык мультиСИ средством построения комплексных имитационных моделей. Средства языка мультиСИ обеспечивают настройку программной системы на работу ■ с различной конфигурацией аппаратных средств, в том числе с различным числом процессоров. Важнейшей составляющей комплексных имитационных моделей являются дисплейные образы моделируемого оборудования, сеансы имитационного моделирования внешне выглядят как сеансы управления движением дисплейных образов. Применение методов управления дисплейкми образами выводит технологию разработок программных средств автоматизации экспериментов на качественно новый уровень, позволяя произоводить предельно глубокую отладку алгоритмов и программ без риска вывести из строя дорогостоящее экспериментальное оборудование, позволяя осуществлять превентивную разработку программных средств - то есть разработку с опережением по отношению к изготовлению управляемого оборудования и управляющего комплекса, использовать стенды имитационнго моделирования в качестве тренажеров для обслуживающего персонала.

6. Разработай графический формализм - маршрутные сети -обеспечивающий построение структурных имитационных моделей САЭ. Маршрутные сети ориентировны на решение задач структурного моделирования, аналогичных задачам, возлагаемым на модели типа сетей Петри. В отличие от сетей Петри, отражающих концепцию управления потоками данных, маршрутные сети, отражающие концепцию управления процессами, лучше приспособлены для пред-

ставления сист.ем, строящихся на процедурно-ориентированной программно-аппаратной базе. Соответствие выразительных возможностей маршрутных сетей выразительным возможностям языка муль-ти-Си позволяют использовать эти формализмы в рамках единой интегрированной технологии разрабток программных систем реального времени.

7. Структурная организация реально действующих систем допускает построение и обработку их полных динамических портретов. Вместе с тем, имеется необходимоеь использования различных эвристических алгоритмов классификации достижимых состояний модели системы. Определены два подкласса инвариантных (по отношению к трансформациям базиса описаний) алгоритмов' классификации состояний моделей - разностные и метрические алгоритмы. Показано, что в широком диапазоне условий (по крайней мере для множеств с нечетным числом элементов в пространстве двоичных признаков) возможности разностных и метрических алгоритмов эквиваленты возможностям всего класса инвариантных алгоритмов.

в. Показано, что использование традиционных методов машинной графики для визуализации сетевых структур на растровых графических устройствах связано с последовательным переходом от дискретных форн представлений к аналоговым и обратно. В диссертации предложены средства построения растровых изображений сетевых структур, непосредственно растровые элементы представлений - цепочки, траектории, формообразующие последовательности - позволяющие избежать промежуточного использования аналоговых форм представления.

9. Представленные в диссертации методы структурного моделирования реализованы в разработках двух программных систем - системы ВИЗА-П, ориентированной на анализ структурных моделей на базе сетей Петрики систем ВИЭА-М, ориентированной на анализ структурных моделей на базе маршрутных сетей.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Ю.И.Журавлев, В.В.Никифоров. Алгоритмы распознавания, основанные на вычислении оценок. - Кибернетика Н 3, 1971, стр. 3 - 10.

2. В.В.Никифоров. Особенности включения решающих подсистем в систему управления роботами. В кн.: Проблемы представления знаний в системах искусственного интеллекта. Владивосток, 1976, стр. 97-119.

3. В.В.Никифоров. Имитация ощупывания поверхности очувст-вленным манипулятором. Препринт НАЛУ ДВНД АН СССР, Владивосток, 1978, 27 стр.

4. В.В.Никифоров, H.A.Смирнов, В.А.Чиганов. Унификация архитектуры и алгоритмической структуры средств управления промышленными роботами, в кн.: Алгоритмические модели автоматизации исследований. И.: наука, 1980, стр. 1вь-192.

5. А.Н.Домарацкий, В.И.Воробьев, В.В.Никифоров. Технологические аспекты разработки программного обеспечения. Препринт ЛНИВЦ АН СССР К 45, Л: 1982, 32 стр.

6. V.M.Ponomarev, A.N. Domaratskiy, V. V.NiRif orov. Dynamic correctness of control devices function realization. In book: Arntifical lntellecence and information. Control systems of robots. Amsterdam: Pergamon-press, 1984, pp. 293 - 296.

7. ¿.Н.Домарацкий, В.В.Никифоров. Интерфейс сеансового уровня локальных вычислительных сетей для автоматизированных производственных систем. В кн.: Локальные вычислительные сети. Тезисы долкладов Всесоюзной конференции. Рига: 1984, ИЭВТ АН ЛатвССР, с. 198 - 202.

8. В.В.Никифоров, В.А.Чиганов, Н.С.Эскенази. Системы управления позиционными и контурными роботами. В кн.: Управляющие системы для промышленных роботов. И: 1984, Машиностроение, с, 175 - 286.

9. В.М.Пономарев, А.Н.Домарацкий, В.В.Никифоров. Основные программные средства гибких автоматизированных производств. В кн. : Третье Всесоюзное совещание по робототехническим системам. Тезисы докладов. Часть 2. Воронеж: 1984, Воронежский политехнический институт, стр. 48-49.

10. Ю. С.Вишняков, А.Н.Домарацкий, В.В.Никифоров. Динамика взаимодействия Прикладных процессов в локальных вычислительных сетях. Прикладные вопросы " создания информационно-вычислительных сетей. Л.: Наука, 1984, стр. 12 - 23.

11. А.Н.Домарацкий, В.В.Никифоров. Организация взаимодействия прикладных процессов через локальную вычислительную сеть. В кн.: Прикладные вопросы создания информационно-вычислительных сетей. Л.: Наука, 1984, стр. 24 - 35.

12. В.М.Пономарев, А.Н.Домарацкий, В.В.Никифоров. Локальные вычислительные сети в интегрированных производственных комплексах. - Автоматика и вычислительная техника, N 4, 19нЬ, стр. 54 - 68.

13. А.Н.Домарацкий, В.В.Никифоров. Принципы организации операционной среды, обеспечивающие возможность построении децентрализованных кваэипараллелькых систем реального времени. Ь кн.: Автоматизация научных исследований, тезисы докладов 19-ои Всесоюзной школы. Новосибирск: 1985, с. 75 - 76.

14. А.В.Каюирин, В.В.Никифоров. Реализация механизмов синхронизации ■ параллельных -процессов в системах реального hpe-мени. В кн.: Проблемы автоматизации научных и производственных процессов. Л.: Наука, 1985, стр. 196-203.

15. А.Н.Домарацкий, В.В.Никифоров. Интерфейс ислпу прикладными программами и «сеансовым уровнем локальных вм'пилите.пь-ных сетей. - Автоматика и вычислительная техника, N 3 19. с. 24 - 30.

16. Н.Л.Смирнов, В.В.Никифоров. Языковые средства разработок программного обеспечения промышпенных роботов. В кн.: Программное обеспечение промышленных роботв. М.: Наука, 1986, стр. 26 - 33.

17. А.Н.Домарацкий, В.В.Никифоров. Программное обеспечение устройства контурного управления УШ-772 для промышленных роботв. В кн.: Программное обеспечение промышленных роботов. М.: Наука, 1986, стр. 64 - 70.

18. А.Н.Домарацкий, В.В.Никифоров. Разработка программного обеспечения интегрированных производственных комплексов. В кн.: Системное проектирование производственных комплексов. Л.: Машиностроение, 1986, с. 181 - 221.

19. А.Н.Домарацкий, В.В.Никифоров. Программное обеспечение интегрированных производственных комплексов. В кн.: Интегрированные производственные комплексы. Концепция. Методические материалы. Л.: ЛИИАН, 1986, стр. 23-28.

20. А.Н.DomaratsKy, V.V.Hikifогоv. Parallel algorithmic processes realization in FMS control devices. In booK: Infoi— mation problems in manufactoring tecnology. Preprints of 5-th IFAC/IFIP/IMACS/IFORS symposium, MosKow, 1986, pp. 343-346.

21. A.H.Домарацкий, В.В.Никифоров. Комплекс средств разработки алгоритмов и программ Функционирования управляющих устройств гибких производственных систем. В кн.: 4-ая Международная конференция по гибким производственным системам. Тезисы докладов. Н.: МНИИПУ, 1987, стр. 28-30.

22. А.Н.Домарацкий, В.В.Никифоров. Язык мульти-Си - инструмент разработки программных средств информационных сетей. В кн.: Вычислителные сети коммутации пакетов. Тезисы докладов пятой Всесоюзной конференции КОМПАХ-87. Ток 2. Рига: ИЭВТ, . 1987, стр. 202-205.

23. А.Н.Домарацкий, В.В.Никифоров, А.А.Сафаров. Разработка программных систем для управляющих устройств ГПС на базе языка мульти-Си. В кн.: 4-е Всесоюзное совещание по робототехничес-ким системам. Тезисы докладов. Часть 2. Киев: ИК АН УССР, 1987, стр. 97-98.

24. А.Н.Домарацкий, В.В.Никифоров, О.Б.Перова. Модульная система для разработки программного обеспечения компьютерных управляющих систем. Препринт Н 37 Ленинградского института информатики и автоматизации. Л.: ЛИИАН, 1987, 18 стр.

25. А.Н.Домарацкий, В.В.Никифоров, А.А.Сафаров. Технологический комплекс для создания программных средств гибких производственных систем на базе использования алгоритмиченкого языка мульти-Си. В кн.: Сосотояние и развитие гибких производственных систем (труды 3-го международного совещания по гибким производственным системам). М.: МНИИПУ, 1987, стр. 327-336.

26. В.В.Никифоров. Представление структуры сигнальных связей алгоритмических процессов в гибких производственных системах. В кн.: Интегрированные производственные комплексы. Л.: Машиностроение, 1987, стр. 42-46.

27. А.Н.Домарацкий, В.В.Никифоров. Принципы организации операционной среды в управляющих устройствах гибких производственных систем. В кн. : Проблемы интегральной автоматизации производства. Л.: Наука, 1988, стр. 62-70.

28. В.В.Никифоров. Реализация формализмов типа сетей Петри средствами персональных ЭВМ. В кн.: Разработка и эксплуатация программных и технических средств в автоматизированных системах. Л.: ЛДНТП, 1988, стр. 24-26.

29. А.Н. Домарацкий, В.В.Никифоров. Концепция структурирования программных средств гибких производственных систем. В

-кн.; 5 -ая Международная конференция по гибким производственным системам и вопросам КАД/КАМ. Москва, МНИИПУ, 1988, стр. 50 , -52.

30. В.В.Никифоров. Технологические этапы и средства разработки драйверов для управляющих устройств гибких производственных систем. В кн.: Проблемы обработки информации и интегральной автоматизации производства. - Л.: Наука, 1990, стр. 103-112.

31. А.Н.Домарацкий, В.В.Никифоров. Инструментальные средства разработки программных систем для управляющих устройств. В кн.: Труды международной конференции по гибким производственным системам. М.: ,МНИИПУ, 1989, стр. 12-18.

32. В.В.Никифоров. Система языковых средств подготовки и реализации автоматизированных экспериментов. В кн.: Автоматизация научных исследований. Материалы XXII всесоюзной школы. Горький: ИПф АН СССР. 1989. С. 127-132.

33. А.Н.Домарацкий, В.В.Никифоров. Представление организации процессов в ГПС средствами маршрутных сетей. В кн.: YI Международная конференция по гибким производственным системам. М.: МНИИПУ, 1989, стр. 8-9.

34. HiKiforov V. V. Difference algorithms abilities in decision support systems. In: International conference "Artificial intelligence - industrial application". Leningrad: LIIAH, 1990. P. 244-246.

35. В.В.Никифоров. Задачи синтеза растровых представлений сетевых структур. Препринт ЛИИАН Н 112. Л.: ЛИИАН, 1990. 29 стр.

36. А.Р.Катилюс, В.В.Никифоров. Моделирование внешних информационных интерфейсов управляющих устройств реального времени. В кн.: Моделирование в задачах проектирования автоматизированных производств. Л.: ЛИИАН, 1990, стр. 228-238.

37. "В.В.Никифоров, Построение растровых представлений сетевых структур. В кн.: Моделирование в задачах проектирования автоматизированных производств. Л.: ЛИИАН, 1990, стр. 123-134.

подписано к печати £ 04 9?, . Заказ Ё^б . тираж

формат бумаги 60x84 1/16, 5(сЬпеч.л. Бесплатно. Ш - 3 "Ленуприздага". 19П04 Ленинград, Литейный пр., дом № 55.