автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Оценки показателей и анализ проектных решений систем автоматизации экспериментов в рамках информационно-технологического подхода

9 8Г.

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи

ДОРФМАН Евгений Исаакович

УДК 681.3

ОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ И АНАЛИЗ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ В РАМКАХ . - -

ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПОДХОДА

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

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Горький - 1990

Работа выполнена в Институте прикладной физики АН СССР, г. Горький.

Научный руководитель: кандидат технических наук, с.н.с.

Ю.К. ПОСТОЕ НКО

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Л.С.СИТНИКОВ

кандидат технических наук, в.н.с, А. А.СИДОРОВ

Ведущая организация: Институт автоматики и электроме-4-- трии СО АЧ СССР (г.Новосибирск)

Защита состоится " 2 Ь " и.ЮИ-%_ 1990 г.

в 44 ч^ов на заседании специализированного совета К 003.36^02 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук в Институте прикладной физики АН СССР по адресу: 603600, г. Горький, ул. Ульянова, 46

Отзывы направлять по адресу: 603600, г. Горький, ГСП-120, ул. Ульянова, 46, ИПФ АН СССР.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики АН СССР.

Автореферат разослан _ 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор физико-математических наук

А.Г.ЛУЧИНИН

■лныл".''

'шЫ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

^А^к'У уальиость темы. Применение автомати-:_гзацй!1 в экспериментальных научных исследованиях является одним из гаЕнейлсс факторов, обусловливающих повышение отдачи научных коллективов, особенно в области прикладных исследований /1/. В этой свази все большее значение приобретают: во-первих, исследования требований к системам автоматизации экспериментов (САЭ) для разных классов экспериментальных исследований и их критический' анализ, фор.тализация описания САЗ в построение на их основе различных моделей програшно-аппаратних козлллексоБ {задача анализа) ; во-втсрых, разработка и исследование новнх принципов и методов проектирования систем ЕЕгогатлзащи! экспериментов на основе предложенных моделей (задача синтеза).

Анализ САЭ предполагает, с одной стороны, формулирование требований, ирод'являемых в САЭ экспериментом, а с другой -оценивание характеристик технических к программных средств автоматизации с целы? выбора структуру и состава технических и дрограмянх средств, наиболее полно отвечающие этшл требованиям. Задача выбора оптшладьной ( по кекоторшд критериям ) конфигурации програшяо-агшаратных средств автоматизации является частным случаем синтеза САЭ /2/.

Бурный рост 5эдтереса к вопроса» анализа и синтеза САЭ при-зел в последнее зреш к разработке ряда технологических концепций и методов, посвященных исследования« ь разных областях ¡ауки. Здесь наряду с обциш годходаш /1-4/ предложен боль-юй набор методов частного характера, покрывавших широкий диапазон систем.

Многоэтапные (перманентно развивающиеся) эксперименты ота сятся к наиболее дорогостоящим и трудоемки:.: исследованиям не только в силу усложнения репае:лых задач, козяшексирования эк перилентальньи методик и развития во времени ( т.е. высокой динамики требований к САЗ ), но и из-sa совершенствования и постоянной модернизация методов и средств AHI1. Такие особенности делают разработку и модификации САЗ весьма трудоёмкий занятие«. Задана выбора оптимальной ^конфигурации технических и прсграымшх средств -. осложняется тек, что для систем этого класса нет ни четкого ^определения критериев и составлящих эффективности, ни единых количественных оценок этой эффективности /4/.

Сегодня усилия проектировщиков САо направлены главный образом на разработку методов создания систем автоматизации конкретных Експергелекюв иди класса близка по параметрам экспериментов (например, концепция преблешо-ориентированного комплекса - ПОК /3/ - или типовые структуры САЭ /5/>. При таком подходе изменение условий эксперимента-или pemei.uH в его ходе задач, или гюдафикации параметров экспериментальной устано. ки тает потребовать перепроектирования разработанной САЭ, т.; существующая конфигурация технических а лрограи.шх средств может не обеспечить решение задач в hgbux условиях. Даже при существовании технического репения дека-адаптации имеющихся оборудования и программ может оказаться непомерно высокой.

Говоря сегодня о способа* описания САЭ, нельзя не отметить тот факт, что основные критерии качества систем ленат в плоскости эксшсуатащш САЗ, т.е. основное вникание разработчика уделяет повышению эффективности систем автоматизации на этапе эксплуатация систем. Однако нельзя сбрасывать со счетов ту

- г -

цену, которую необходимо заплатить для создания эффективно функциошп>укцей САЗ, шлея ввиду материальные и человеческие ресурсы, необходимые для разработки и модернизации систем /6/. Эта ресурсн могут играть решавдую роль на современном этапе АН'!, когда происходит переход от "индивидуальной" автоматизация к массовой, основанной на единых подходах и методологии.

Е качестве альтернативы на основе ян^ор.'ацгюкно-технологического подхода предложена такая модель CAS, в которой огра-«енн как эксплуатационные качеогва системы в процессе проведения эксперимента. так и технологические показатели, характеризующие процесс разработки САЭ и затраты на этой этапе. Еда оценки различных аспектов качества САЗ предложен ряд показателей. Такая модель гоззодяе-г не только-оценить качество того или иного проектного реиения в широком синсле, но и cj-op-лулировать ооэде принципы и стратегию проектирования систем 1зтоттизадаи шогоэташшх экспериментов.

Указанные соображения определяют актуальность теин диссертации

le л ь, и задачи исследований. Целью ра-5отк является разработка теоретических основ и решение лрак-

Г

ютесюгх вопросов оценивания показателей н'жроектирования си-:теп автоматизации пирокого класса пнсгозтапних перманентно ааззива^стхся экспериментов. Лсстхт.енпе зтой цели потребовало: - определения понятгл пер.анектно раззивандахся экспери-¡ентов, выявления особенностей s г ото класса экспериментов и оалулированпя требований к авта.'ат'/.защш таких исследований ;

- экдзлекия связей пе:-:ду требованиями, пред'являемши ме-одиишн таких экспериментов и показателям САЭ, включая затра-

- 3 -

ты на разработку систем ;

- разработки инфорд^ожо-техЕйтютаческого подхода к п строению модели и исследования критериев качества CAS, выбор системы показателей и установления связей ;ле.-ду шзла ;

- постановки и репения задач оптюизгарш для выбора оп-тимзльно^ структура САЭ ка основе исследованных критериев и эффективных алгоритаэв ;

- применения указанного подхода для. проектирования к реализации конкретных САЭ в области гидрофизики.

Методыасследовьний. В диссертацион-

ной работе использовались элемента теория градов, методы оп-гииизации, статистиче&кая теория оценивания, метода структурного программировали,* г числекнне метода.

Научная новизна

Впервые выделен класс ¡зогоэтапнкх пернакантно-развивая- _ иихся ькспер;шентоЕ как об' ектсв автскатизацш.

Впервые лредлокея ш^ря.эцшшо-технологический подход к оценивание показателей и проектированию САЭ, учитиваадй как эксплуатационные показатели САЗ, так я технологические характеристика , связанные с затратами ресурсов на этгле разработки системы. Впервые введена кнтегралыше показатели САЭ { коэффициент использования, предел развита ) и исследованы их свойства и поведение для некоторых коделей систем.

Поставлены задачи выбора оптшлальноЯ конфигурации технических в програм.пшх средств CAS ка основе кекотсрих кр;:~ср::ез качества САЗ. Предложен алгоритм решения задачи, учихивсксий технЕко-экэношческпе факторы.

На основе единого подхода разработана структура герархи-

- 4 -

ческой системы автоматизации гидроакустических экспериментов зри помощи выбора соответствующей конфигурации технических зредотв. Создало семейство уникальных САЗ для экспедиционных гидрологических исследований на базе предложенной технологии проектирования я переноса программнного обеспечения.

1рактическая ценность. Применение

разработанного подхода при анализе и проектировании систем штомзтазации многоэтапных экспериментов дает возможность пу-гем сравнения различных вариантов принимать научно обоснование технико-ькокомнческле реаения на стадии предпроектных исследований а проводить научно-оргакизацпсккые мероприятия, яособствуюцне повыпегаш качества проекта и росту г^ектив-iocm разработки и применения САЭ в экспериментальных иссле-.ованиях.

Использование разработанной модели в качестве основы для .втотатпзащш конкретного исследования позволяет существенно кизить обцую трудоемкость разработка и модернизации программой? обеспечения систем, сделать его более гпбкпл. Разрабо-анньй подход применил при проектировано САЗ произвольной роблемноЗ ориентации.

еалчзацал р с- з у л ь т а т о в\ р а б о т и .

Исследования ц результаты работа внедрены в совместных аботах, проводила Институтом прикладной физики АН СССР в аиках задания 2 проблем:! 2.2.2 Комплексной программ каучно-гхняческого сотрудничества стрьн-членоз CS3 до 2000 года КЛ ЯГО С2В ) и. в частности, при разработке методов .проек-.фования АСШ ( совместно с Институтом измерений и измери-гльной техника Центра электрофизических исследований Словац-

- 5 -

кой Академия наук. г.Братислава } и при разработке таловой системы автоматизации в области гидрологии "СИНЕНЛ4 ( совместно с Институтом водного строительства Польской Академии к ук, г.Гданьск ).

На основе предложенных подходов созданы и внедрены в практическую деятельность ряд систем автоматизации 5Услвд:£щюши гидрофизических исследований, провидимых ШК> АН СССР. Разработана структура иерархической системы автоматизации гидроакустических экспериментов. Создано семейство ОАЭ для гидрологических исследований приповерхностного слоя Океана.

Применение указанных систем обеспечило повышение качества и сокращение общих cjp-.OB проведения пщрофиз лческих псследО' ваний.

Аппробация работы.

Основные результаты работы докладывались на 6 Всесоюзной конференции "Автоматизация научных исследований на основе применения ЗН.!И ( Новосибирск, 1981 г.), на 8 Всесоюзной конференции по теории кодирования и передачи информации ( Москва-Еуй-бшев, 1981 г.), на 16-й ( Горький, 1932 г.), 18-й ( Алма-Ата 1984 г.), 21-й. ( Фрунзе, 1387 г.), 22-й {.Тольятти, 1988 г.) Всесоюзных школах по АНИ, на Всесоюзной околе по техническим средствам п методам изучения океана ( Москва, 1£89"г. ), на Международных сешшарах ИШ ЦЗГИ САН ( Братислава, ЧССР, 19® 1989 гг.) и ИВС ПАН ( Гданьск. UHF, 1089 г. ).

Автоматизированная система для парологических исследований, созданная б Ш* АН СССР, экспонировалась па ВДН£ CCCF в 1987 г. и была удостоена серебрянкой медали, а автор ( как один из непосредственных создателей системы ) бнл награжден

бронзовой медалью БДИ СССР.

Система автоматизации гидрологических исследований з при-бренвой зоне "СИРЕЕА" { совместная разработка ИПФ АН СССР и КВС ПАН ШР ) экспонировалась на Выставке-Ярларке КП НТО СЭВ на ВДЩ. СССР » 1Э8Э г.; ' . '

Публикации. По результата?.! диссертации опубликовано 11 печатных работ. Перечень работ прилагается.

. >

Структура и о<3/ ем работы: Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения. Работа изложена на-154 страницах машинописного текста, содержит 5 таблиц, 22 рисунка. Список литературы включает-ВЭ наименований.

За защиту в и носятся:

1. Кяфор.йционно-технааогтеский подход к оцениванию качества и анализу проектных репений систем автоматизации эксперимента.

2. Система показателей.качества САЗ и методики расчета их.оценок ( с учетом затрат на разработку и эксплуатацию САЗ ).

3. Постановка задач и конструирование алгоритмов выбора оп- -гадальной структуры САЭ на основе введенной системы показателей качества.

1. Структура иерархической систе:лы автоматизации гидроакустических экспериментов и технические репения для ликвидации "узких" пест.

5. Технология проектирования и программное обеспеченна многофункциональной зкспедиционной САЭ для гидрологических исследований приповерхностного слоя Океана.

_ п _

СОДЕШНИЕ РАБОТЫ.

Зо введении обосновывается актуальность выбранной гены, формулируется научная новизна и практическая ценность полученных результатов, представлена структура и краткий обзор содержания диссертации, приводятся основные положения, представляемые к защите.

В первой главе рассмотрены цесто и значение автоиатизяро-ванкого эксперимента в канонической структуре научного исследования, включавдей теоретические и экспериментальные этапа я завершмцейгя интерпретацией и оформлением результатов. На основе анализа структуры аьто:.5ат изпрованнсго зкспершентг рассматриваются особенности процесса проектирования вычислительных систем вообще a САЭ в частности. Проведен сравнительный анализ методологии проектирования систем., предложенной зарубежными авторшд; ¡2/ и принятой в ряде отечественна:-: разработок технологией.

Экспериментальные физические исследования косят существенно эволюционный характер, Вместе с îeobi долены ъзолщио-нировать и система автоматизации экспериментов. сто проявляется в дшэшке требований к CAS, а следовательно, в перманентном развитии характеристик САЗ. Вопроси дгагашкя САЗ в конкретных исследованиях с точки зрения эволюции требований и показателей САЭ не наши адекватного отражения в литературе. На основе введенного в /7/ понятия "рабочей нагрузки" ( IH ) выделяется четыре форш эволюции САЭ : расшгоекие, усложнение. функциональная эволюция п шлиексированке. Предложены основные технические мропряятая, обеспечивающие реализации эволвдцонного развития САЭ.

Выявлена тенденция "сдвига" шга "перекачки" сложности задач обработки данных от старзга элементов тракта прохоадения данных САЗ к кяадши по мере увеличения глубины исследования.

На основе анализа ряда источников выделены три основных подхода к описанию САЭ : функциональный, пафорлационний, технологический. Проведен сравнительный анализ всех подходов. Показано, что в репсах отих существующих сегодня подходов к пписан;ю слоте!.; автоматизации экспериментов невозможно адекватное оценивание САЭ как человеко-шпюшой системы. Оценки качества САЭ дохлга проводиться с учетом не только ее эксплуатационных качеств, но и технологических показателей и уровня ]ро€кт!1рования. Для перланентно развпвпкцихся экспериментов юляны такт.е учитываться затраты и г-коно!лм усилий на создание юзсй версии системы.

Во зтороЯ глазе на основе ин^ор-ацконно-технологического юдхода предложена модель САЗ, в которой ограч-ены как *ксллу-LramioHKne качества системы в процессе прозедеши эксперимен-'а. так и технологические показатели, ларактеризуэдие процесс азработкп САЭ и затраты на этом этапе. Дяя оценки.различных .спектов качества САЭ лредложен ряд показателей.

Предложена методика оценки тснккальнсП производительности бьстродействпя ) САЗ на базе пикрс- и мпкп-ЗВП семейства DP, основанная на простой трехкомпоненткой смеси инструкций. редлсхены методики оценки коэффициента загрузки и ко^ки-нта полезной загрузки САЭ, являхягхед cchcehïmï оксплуата-иоккал показателями САЗ. Приведен1.: расчеты трудоемкости рограммчого обеспечения через миншлальную ( об'ектиьную ) ложность алгоритмов и коэффициент реализации программ. При- 9 -

ведены основное соотношение между коэффициентами загрузки,

интенсивностью потека данных и трудоемкостью программ в тракте САЭ.

Еа основе анализа сухдествумдо; методов оценивания затрат на разработку программного обеспечения предложена модифкциро-ванная модель Путнэма ( SLIM - модель ), учитывающая ис-. пользование различных языков при разработке программ.

Введены интегральные показатели САЭ. Показано, что наиболь шув эффективность имеют мероприятия по повыаешш внешях an рибугов коэффициента использования, т.к. в среднем они достаточно низки, далее - снизенке программной трудоемкости, затеи • повшение средней загрузки системы и, наконец, на последнем м сте - повышение производительности технических средств САЭ.

Исследовано поведение предела развития системы как функции количества изменена ( модификаций ) в новой версии, времен и стоимостей модификаций элементов САЭ. НаЯдены ассилптоткчесыи приближения функции развития для некоторых предельных случаев

Б третьей тлаЕе поотавлекь некоторые задачи выбора оптимзлз них проектных репений САЭ на этапе предпроектньк исследований. Ка основе широкого обзора критериев качества САЭ выделены критерии эффективности проектных ресекий как на базе введенных пс казателей, так и сметанные ( нащвшер, " цена производительное ти " САЭ ). Поставлена задача о распределении програм.ио-алпа-ратных средств САЭ в однопроцессорном варианте и предложена итеративная схема ее решения, исходя из эксплуатационной зф-фективноста ( т.е. на основе критериев пропускной способности и оптимальной загрузи? ). Показано, что с точки зрения пропуск ной способности наиболее эффективны мероприятия по уменьшению

грудоемкости процедур, расположенных непосредственно на входе системы.

Предложен алгоритм выбора оптимальной конфигурации САЭ на эснозе критерии минимальной загрузки при стоимостных ограни-гениях. При этом используется оригинальные графовые нредстав-1ения технических и программных реализаций различных опера-р:й в тракте САЭ.

На основе эмпирических $ункдаональных зависимостей и зкс-[ернменталышх данных найдены интервалы трудоемкости програи-еогс обеспечения, в которых достигается максимум кооффициен-•а использования САЭ ( с учетом затрат на разработку и эксплуатацию САЭ ).

Б четвертой главе рассмотрено применение подходов, изло-:енных во ьторой и третьей главах, к проектированию ряда САЭ I области гидрофизики. Зцделены особенности экспериментальных тарофязкческпх исследований и сформулированы ва:--кейпие зада:: автоматизации. Рассмотрены технические факторы, обеспечи-ошие репение этих задач.

Представлено списание иерархической системы автоматизации идроакустических экспериментов. Проектные ресения базируьт-я на выботзе конфигурации стандартных технических средств с пределенными свойства;®. Специализированные разработки пред-азначены для ликвидации "узких" мест.

Описано семейство САЭ дач гидрологических исследований с ингмически ме.чявддмпся характерно тге:ами. Предложена и обо-аована технология проектирования программного обеспечения та описанного семейства.

Б заключении сформулированы основные результаты работы :

1. (¡формулированы особенности пироксго класса перманентно развиваздихся экспериментов как об'ектов автоматизации. Для этого класса экспериментов рассмотрены требования, пред'явление к системам автоматизации.

2. Предложены.показатели качества САЭ и проведены их оценки на основе эмпирических данных, полученных при анализе суще ствуэдих систем автоматизации.

•3. Поставлен рад задач и предложен алгоритм выбора оптимальной конфигурации САЭ, а так.?.е решена задача повышения эффективности САЭ за-счет технологических приемов ( выбора подходящих языковые и операционных средств ).

4. На основе системотехнического анализа иерархической системы автоматизации £вдроакус тиче ских экспериментов выявлены "узкие" места и предложен; технические решения для их ликвидации. Реализовано програм.шое обеспечение базового уров ня систем.

5. Разработаны технология проектирования и программное oöecne-чение многофункциональной экспедиционной CAS для гидрологических исследований приповерхностного слоя Океана.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. Гинзбург к.Б., Дорфгдан Е.И., Еркин А.Ф. и др. Методика, алгоритмы и программное обеспечение гидроакустического эксперимента. //Тезисы докладов 6 Зсесопзной конференции "Автоматизация научных исследований на основе применения 331!". - Новосибирск: ИАиЭ СО АЕ СССР, 1931.- c.7G-77.

2. Гинзбург А.Н., Дориан Е.И., Взхлов В.П. и др. Автоматизированная система сбора с обработки данных для

гидрофизических исследований. .//В кк. : Штеризлы 8 Всесоюзной конференции по теории кодирования и передачи информации. - Москва-Куйбшев : Научный совет по комплексной проблеме " Кибернетика 1991. - част! 6, с.60-65. . Дорфиан E.H., Еапустик П.Л., Кукушкин В.Д. и др. Экспедиционный комплекс автоматизации исследований по акустическому зондированию океана.. //3 кн. : Шгериаяы 16 Всесоюзной окаты по АНИ. - Горький, IHK- АН СССР. 1Ш. - с'.-249-253. . Бабер И.С., Еелохвостпкоз Б.З., Гинзбург А.Н., Дорфман Е.И. и др. Принципы построения к реализация иерархической CiicTei.a; для автоматизации гидроакустических экспериментов. // Б кн. : Автоматизация экспериментальных исследований.

- Горький: Ю АН СССР, 1285. - с. 135-152.

. Дорфман Е.И., Иостоенко D.K. 0 распределении программно-аппаратных ресурсов АСНИ, ориентированных на сбор и обработку сигналов в реальном времени. // 3 сб.: Автоматизация научных исследований. Материалы 18 Всесоюзной пколы по А1Ш. - Алма-Ата: И'.-ВЗ АН КазССР, 19ES. - Выпуск 2, часть 3.

- с. 219-223.

. Белохвостиков Б.В., Дорфмая Е.И., Пегеев В.П., Постоен-ко O.K. Соотношения номинальных и фактических параметров сбсра и регистрации данных в системах автоматизации эксперимента // Тезисы докладов 21 Всесоюзной сколи по АНИ.

- 'рунге: ИЛШ, 1587. - с. 32.

Дорфгман Е.И. Сравнительный анализ производительности АСНИ реального времен:;. //2 сб.: Применение вычислительной техники в физическом эксперименте. - Горький: ИП2 АН СССР, 1S87. - с, 45-54.

8. Белохвостиков Б.В., Гинзбург А.Н., Доруган Е.И. и др. Экспедиционные системы автоматизации экспериментов для комплексных исследований волнозгк процессов в Океане. // 3 сб.: Применение вычислительной техники в физическом эксперименте. - Горький: I-ПК АН СССР, 1587.

- с. 143-167.

9. Дорфнан Е.И. О показателях производительности CA! // Автоматизация научных исследований: Материалы 22 За союзной школы / ЫК АН СССР. Горький, 1989. - с. 1с5-1Ь

10. Дорфман E.H., Иванов A.B., Шапиро М.Е. Автоматизированная система для гидрологических исследований верхнего слоя океана.; fy Автоматизация научных исследований : Материалы 22 Всесоюзной мколн / ИП2 АН СССР. Горький, 1989. - c.IÍb-Ú>2.

11. Еахаков З.В., Дорфган Е.И., 1.?уякшш C.IÍ.» Тптоз В.И. Автоматизированный судовой комплекс дистанционной диагностики процессов в приповерхностном слое океана. Ц Те зисы докладов Всесоюзной пкаты по техническим средствам и методам изучения океана. - Москва, 1989,- т.2. - с.9.

СПИСОК ЛИТЕГАТУИ. 1. Велихов E.H., Енстазыш А.Н. Проблемы развития работ л автоматизации научных исследований, // УСиМ. - 1384. -К 4. - с.3-12.

2. Вейщлан К. Распределенные системы мини- и гскрс-ЭЗ.!. 1.1.: Финансы а статистика, 1883. - 382 стр.

3. Выставкин А.Н. Процесс исследования как об'ект автоматизации. // В кн. Автоматизация экспериментальных исследований. - Горький: 15Ш4 АН СССР, 1985. - с.3-47.

4. Хоросевский В.Г. Инженерный анализ функционирования вычислительных малин и систем. - И.: Радио к связь. 1987. - 2Б6 стр.

5. Гинзбург А.Н., Постоенко Е.К. Методология проектирования и эффективность АСНИ. // В сб. : Применение вычислительной техники б физическом эксперименте. - Горький:

И® АН СССР, 1987. - с. 16-38. 5. Хслстед М.Х. Начала науки о программах. Ы.: Финансы и статистика. 1981г. - с.67

Д.Феррари. Оценка производительности вычислительных систем. И.: Шр, 1981г."- 575 стр.