автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.02, диссертация на тему:Разработка и исследование алгоритмических моделей баз синтеза сложных систем

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ

СИСТЕМ.II

1.1. Общая схема проектирования систем.II

1.2. Алгоритмизация как современная методология автоматизации проектирования систем.

1.3. База сложных систем.

2. АЛГОРИТМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ БАЗ СИСТЕМНЫХ КОМПОНЕНТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ.

2.1. Алгоритмические базы.системных компонент.

2.2. Алгебраическое исчисление системных компонент.

2.3. Модель сложной системы.

2.4. Декомпозиция класса моделей сложных систем в оптимальную базу класса.

3. ГАБАРИТНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ.

3.1. Временной анализ сложных систем.

3.2. Пространственный анализ сложных систем.

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ НЕКОТОРЫХ ЗАДАЧ ГАБАРИТНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ И ПОСТРОЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ БАЗ СИСТЕМНЫХ КОМПОНЕНТ.

4.1. Практическая реализация принципа моделирования сложных систем на базе системных компонент.

4.2. Применение практической методики логического описания сложных систем.

В основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1984-1985 годы и на период до 1990 года говорится, что в одиннадцатой пятилетке развитие науки и техники должно быть в еще большей мере подчинено решению важнейших проблем дальнейшего прогресса советского общества, ускорению перевода экономики на путь интенсивного развития . В решении этих проблем важное место отводится вопросам исследования, проектирования и реализации больших систем.

Действительно, развитие нашего общества в настоящем и в будущем приводит к образованию все более и более сложных структур в производственной, социально-экономической и технической областях. Для этих структур характерно то, что с увеличением масштабов систем, нелинейно возрастает их сложность как объектов исследования, проектирования и эксплуатации, повышается удельная эффективность и стоимость.

Так, только в одной отрасли мелиорации и водного хозяйства в рамках Среднеазиатского региона в текущем пятилетии перешли к разработке ряда крупных водохозяйственных систем таких как автоматизированная система управления бассейном реки Сыр-Дарья, автоматизированная система управления бассейном реки Аму-Дарья, автоматизированная система управления переброски части стока Сибирских рек в Среднюю Азию, автоматизированная система управления водохозяйственным комплексом Ккно-Голодностепского канала и многие другие.

Современное проектирование таких больших систем предполагает обязательный этап моделирования, то есть имитация практической апробации системы. Он позволяет оценивать правильность принятых решений на этапе проектирования и изменять их не дожидаясь окончания проектирования и "изготовления" системы, что было бы не рационально как по времени, так и по затратам ресурсов. Известны различные уровни абстракции моделирования систем, например физические модели, аналоговые модели, математические модели и др. Тенденция увеличения масштабов систем приводит к усилению роли таких абстрактных методов моделирования, как математическое и семиатическое. Тем более, что математическое моделирование проводится на ЭВМ, которые способствуют уменьшению затрат на проектирование и позволяют найти оптимальные решения.

Все это сделало проектирование больших систем на основе математического моделирования одним из наиболее действенных методов исследования и построения больших систем и способствовало формированию научного направления, связанного с изучением методологических и научных основ моделирования широкого класса больших систем, как этапа их исследования и проектирования.

Причем методы моделирования применяются как на этапе проектирования, так и на этапе эксплуатации сложных систем. И каждый этап выдвигает свои специфические требования к процессу моделирования. Рассмотрим эти требования.

В проектировании и эксплуатации сложных систем управления принимают участие различные профессиональные группы специалистов, каждая из которых связывает с моделью системы свой специфичный круг задач. Причем у каждой профессиональной группы свои собственные, связанные с ее профессионально-групповой традицией, представления о структуре модели сложной системы и как следствие своя номенклатура первичных неделимых элементов модели, т.е. свой базис системы. Отсюда естественно стремление иметь одну основную базу системы такую, чтобы все остальные групповые базы были бы производными этой основной базы. Вопрос о рациональном выборе номенклатуры совокупности базы конструирования модели сложной системы является важным вопросом проектирования и эксплуатации таких систем, так как влияет на понимание пользователями процессов моделирования на время принятия проектных и управленческих решений, при проектировании и эксплуатации сложной системы.

Кроме этого, всякая база системы определяет широту конструктивных возможностей построения класса систем. Чем более детализированная база системы, тем большее разнообразие структур систем можно на ней построить и цромоделировать и как следствие, тем большие возможности имеются для выбора оптимальной системы относительно некоторых критериев.

В качестве критериев оптимизации часто выбирают пространственно-временные свойства системы, их еще называют габаритными свойствами. Решение задачи габаритной оптимизации системы тесно связана с конструктивными возможностями базы системы. Такая задача габаритной оптимизации является характерной для практики проектирования сложных систем, потому, что проектирование обычно осуществляется в две стадии: стадия конструирования системы, которая бы удовлетворяла поставленной цели и стадия нахождения оптимальной по габариту структуры системы в классе эквивалентных ей систем.

Наиболее полное и качественное решение вопросов эффективного проектирования и эксплуатации сложных систем управления существенно зависит от решения вопросов оптимального проектирования базы системы, а также габаритной оптимизации проектируемой системы.

Своевременное нахождение оптимальных решений возможно лишь при применении математических моделей, методов и ЭВМ.

6 I

Разработка схем рационального проектирования, основанных на базах сложных систем, дает более точное и полное системное решение поставленных вопросов. Это обуславливается прежде всего большим объемом информации, участвующей в решении, возможностью использования большого числа вариантов.

В настоящее время разработан ряд методов проектирования сложных систем. Большой комплекс исследований и разработок в этом направлении выполнен советскими учеными, в том числе, А.Н.Тихоновым, А.А.Самарским, В.И.Мальцевым, В.М.Глушковым, Н.П.Бусленко, Г.С.Поспеловым, А.П.Ершовым, В.К.Кабуловым,Д.А.Поспеловым, Э.Х. Тыугу,В.В.Александровым, А.А.Летичевским, И.Н.Коваленко, В.В,Калашниковым.

Если говорить об использовании современных методов исследования при решении проблем структурного конструирования сложных систем, то следует указать на то, что специальных постановок и методик оптимизации баз синтеза сложных систем, имеющих практическое значение, весьма мало, и в них в основном, применяется математический аппарат теории графов.

Кроме того, необходимо обратить внимание и на то обстоятельство, что менее всего изучены проблемы взаимосвязи габаритной оптимизации системы с оптимизацией самой базы моделирования.

Между тем, принимая во внимание большие темпы роста в проектировании и эксплуатации сложных систем, интеграции в промышленности, в народном хозяйстве и в других сферах человеческой деятельности, можно с уверенностью утверждать, что несвоевременное решение проблем проектирования, связанных с габаритной оптимизацией на оптимальной базе сложных систем, приводит к отрицательным последствиям.

В связи с вышеизложенным, цель диссертационной работы определяется как разработка научно обоснованной и практически приемлемой методики определения оптимальной алгоритмической базы синтеза, заданного класса сложных систем и синтеза на этой базе варианта структуры сложной системы с оптимальными габаритами и параметрами.

Для достижения этой цели решены следующие основные задачи:

- вводится понятие элемента системы, называемого компонентой системы, которая определяется как семиотическая (знаковая) единица, имеющая имя, концепт, область значения, и базы системы, состоящей из базиса системы, совокупности операций конструирования компонент и методики синтеза оптимальной структуры систем;

- предложена алгебра системных компонент над некоторым базисом, позволяющая конструировать структурированные системы;

- поставлена и решена задача о декомпозиции заданного класса систем в оптимальный базис класса;

- поставлена и решена задача синтеза оптимальной структуры сложной системы при экстремуме габаритного критерия;

- предложена схема инструментального комплекса, поддерживающего алгебру системных компонент;

- разработана практическая методика логического описания сложной системы;

- на основе этой методики описана автоматизированная система управления бассейном реки Сыр-Дарья;

- проведен системный анализ алгоритмической модели системы АСУ бассейна реки Сыр-Дарья, что дало в части выделения экономический эффект в 113 тыс. руб.

Теоретической и методической основой диссертационного исследования явились материалы ХХУ, ХХУ1 съездов КПСС, труды советских и зарубежных ученых и специалистов в области общей теории систем, исследования операций, системного анализа моделирования сложных систем, искусственного интелекта, теоретического программирования, автоматизации проектирования систем, материалы совещаний и конференций по вопросам совершенствования проектирования систем, периодическая литература.

При решении поставленных задач применялись методы теории систем, системного анализа, моделирования систем, построения банков данных, теоретического программирования, позволяющие наиболее полно учитывать специфические особенности каждой конкретной задачи. В диссертационной работе использованы материалы проектов автоматизированной системы управления бассейном реки Сыр-Дарья и автоматизированной системы управления водохозяйственным комплексом Ккно-Голодностепского канала.

Исследования цроводились в Специализированном Проектно-конст-рукторском бюро Республиканской Автоматизированной Системы Управления Узбекского Научно-производственного объединения "Кибернетика" АН УзССР и в ряде институтов Министерства Мелиорации и Водного Хозяйства СССР: ВНИИГиМ (г.Москва), САНИИРИ и Средаз-гипроводхяопок (оба г. Ташкент).

Новизна настоящих исследований состоит в разработке научно обоснованной методики выбора оптимальной алгоритмической базы класса систем и синтеза на ней оптимальной по габариту структуры системы.

Практическая ценность состоит в разработке теоретических основ моделей системных компонент и габаритной оптимизации систем, а также практической методики описания сложных систем, позволяющей строить базы компонент и габаритно-оптимальные системы, которая способствует повышению организации работ по проектированию, повышению качества проектируемой системы, что имеет не только экономическое, но и большое социальное значение.

Научные и практические результаты исследования использованы Среднеазиатским научно-исследовательским институтом ирригации им. В.Д.Журина при разработке проектов автоматизированной системы управления бассейном реки Сыр-Дарьи.

Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на республиканских конференциях: "Методологические и прикладные аспекты систем автоматизации проектирования" (Ташкент, 1981 г.); "Методологические и прикладные вопросы проектирования автоматизированных систем управления" (Ташкент), на пятой, шестой и девятой республиканской школе молодых ученых (Ташкент, 1978,1979, 1984 гг.), на республиканском семинаре "Методологические и прикладные вопросы проектирования РАСУ" (Ташкент, 1983, 1984 гг.).

По результатам выполненных исследований опубликовано восемь работ.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы по исследуемой теме, приложений.

Основные результаты, полученные в данной работе, сводятся к следующему:

- вводится понятие элемента системы, называемого компонентой системы, которая определяется как семиотическая (знаковая) единица, имеющая имя, концепт, область значения, и базы системы, состоящей из базиса системы, совокупности операций конструирования компонент и методики габаритной оптимизации структуры систем;

- предложена алгебра системных компонент над некоторым базисом, позволяющая конструировать структурированные системы;

- поставлена и решена задача о декомпозиции заданного класса систем в оптимальный базис класса;

- поставлена и решена задача синтеза оптимальной структуры сложной системы при экстремуме габаритного критерия;

- предложена схема инструментального комплекса, поддерживающего алгебру системных компонент;

- разработана практическая методика логического описания сложной системы;

- на основе этой методики описана автоматизированная система управления бассейном реки Сыр-Дарья;

- приведен системный анализ алгоритмической модели системы АСУ бассейна реки Сыр-Дарья, что дало в части выделения базиса системы экономический эффект в 113 тыс.руб.

Таким образом, разработанные положения были испытаны в практике рабочего проектирования программного обеспечения АСУ бассейна реки Сыр-Дарьи и показали свою работоспособность и эффективность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Абуталиев Ф.Б., Гараев Ф.М. Некоторые вопросы построения мо-дульных систем пакетов прикладных задач. "Алгоритмы" АН УзССР, вып. 30, Ташкент, 1977.

2. Абуталиев Ф.Б., Давыдов И.А., Кремлев В.Я., Гараев Ф.М. К вопросу алгоритмизации проектирования элементов БИС. Изд-во Фан АН УзССР. "Информационное сообщение", № 290, Ташкент, 1982.

3. Агафонов В.Н. Сложность алгоритмов и вычислений. 4.II, МГУ,1975.

4. Агафонов В.Н. Языки и средства спецификации программ. В сб.:

5. Требования и спецификации в разработке программ. М., Мир, 1984, с.285-344.

6. Александров В.В., Пономорев В.М. Алгоритмические модели вавтоматизации научных исследований. ЛНИИВЦ, Наука, 1979.

7. Александров В.В., Горский Н.Д. Рекурсивный подход к представлению и анализу данных. В сб. Прикладная информатика, вып. 2, 1984.

8. Александров В.В., Горский Н.Д., Поляков А.О. Рекурсивные алгоритмы обработки и представления данных. В кн.: Алгоритмы и системы автоматизации исследования и проектирования. М., Наука, 1980.

9. Березин П.С., Жидков Н.П. Методы вычислений. Физматгиз, М.,1962.

10. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. Наука, 1978.

11. Бусленко Б.Н. Автоматизация имитационного моделированиясложных систем. М., Изд-во"Наука", 1977.

12. Бурделев В.А., Гиоев К.Б. Состояние и тенденции развитиягибких автоматизированных процессов. ЦНИИТЭП приборостроения ТС-3. "Автоматизированные системы управления", вып. 2, 1984.

13. Гараев Ф.М. Формализация структуры схем программ над базойданных. Тезисы республиканской конференции "Методологические и прикладные аспекты систем автоматизации проектирования", Ташкент, 1981.

14. Гараев Ф.М. Некоторые вопросы исследования одного классасложных систем. Тезисы девятой республиканской школы молодых ученых и специалистов по АСУ и автоматизации проектирования. Ташкент, 1984.

15. Гараев Ф.М. 0 некоторых вопросах качественного анализа программируемых систем. Тезисы девятой республиканской школы молодых ученых и специалистов по АСУ и автоматизации проектирования. Ташкент, 1984.

16. Гараев Ф.М. Об одном способе разметки программ. Сб. Воцросывычислительной и прикладной математики", вып.36, Ташкент, 1975.

17. Гараев Ф.М. 0 допустимо-термальной эквивалентности схем программ. Сб. "Вопросы вычислительной и прикладной математики", вып. 37, Ташкент, 1976.

18. Глушков В.М. Основы безбумажной информатики. М., Наука, 1982.

19. Глушков В.М., Цейтин Г.Е., Ющенко Е.Л., Алгебра, языки, программирование. Киев. Наукова думка, 1978.

20. Ершов А.П. Об операторных схемах Янова. В кн.: Проблемы кибернетики. Вып. 20, М., Наука, 1967.

21. Ершов А.П. Современное состояние теории схем программ. В кн.:

22. Проблемы кибернетики. Вып. 27, М., Наука, 1973.

23. Кабулов В.К. Алгоритмизация в механике сплошных сред. Ташкент,1. Фан АН УзССР, 1978.

24. Кабулов В.К. Алгоритмические методы исследования социальноэкономических систем. Сб. Вопросы РАСУ, вып.5-8. Ташкент, РИСО АН УзССР, 1977.

25. Кабулов В.К. Методы алгоритмического проектирования РАСУ. Сб.:

26. Вопросы РАСУ. Вып. 9, Ташкент, РИСО АН УзССР, 1977.

27. Калашников В.В. Сложные системы и методы их анализа. Изд-во1. Знание", 1980.

28. Калашников В.В. Организация моделирования сложных систем.1. Изд-во "Знание", 1982.

29. Калман Р., Фалб П., Арбиб М. Очерки по математической теориисистем. Изд-во Мир, М., 1971.

30. Касти Дж. Большие системы. Изд-во Мир, 1982.

31. Котов В.Е. Введение в теорию схем программ. Наука, Сибирскоеотделение, Новосибирск, 1978.

32. Котов В.Е. Теория параллельного программирования: прикладныеаспекты. "Кибернетика", 1974, № I, В 2.

33. Ластовецкий А.Л. Алгебраический подход к схемам структурированных программ. Программирование. I, 1984.

34. Мальцев А.П. Алгебраические системы. М., 1970.

35. Мартин Дж. Организация баз данных в вычислительных системах.1. М., Мир, 1980.

36. Мелихов А.Н. Ориентированные графы и конечные автоматы. М.,1. Наука, 1971.

37. Мендельсон Э. Введение в математическую логику. М. Наука,1971, с.53-67.

38. Месарович,М., Такахада Я. Общая теория систем: математические основы. М., Мир, 1978.

39. Месарович М., Мако Д. и Такахада И. Теория иерархическихмногоуровневых систем. М., Мир, 1973.

40. Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. М.,1. Наука, 1981.

41. Основные направления экономического и социального развития

42. СССР на I981-1985 годы и на период до 1990 года. М., Политиздат, 1980, с.19.

43. Попов Э.В., Фридман Г.Р. Алгоритмические основы интеллектуальных роботов и искусственного интеллекта. М., Наука, 1976, с. 38-141.

44. Попов Э.В. Общение с ЭВМ на естественном языке. М., Наука,1982.

45. Поспелов Д.А. Большие системы. Изд-во "Знание",1975.

46. Поспелов Д.А. Логико-лингвистические модели в системахуправления. Энергия, 1981.

47. Расева Е., Сикорский Р. Математика метаматематики. М.,1. Наука, 1972.

48. Самарский А.А. Современная прикладная математика и вычислительный эксперимент. "Коммунист", Кг 18, 1983, М., "Правда".

49. Тихонов А.Н. Математические модели и научно-техническийпрогресс (Автоматизация обработки наблюдений). В сб.: Наука и человечество. М., Знание, 1979.

50. Трахтенброт Б.А. Сложность алгоритмов и вычислений. Новосибирск, НГУ, 1967, с. 5-16.

51. Тыугу Э.Х. Решение задач на вычислительных моделях.1. SBM и МФ, т. 10, 1970, 3.

52. Уемов А.И. Вещи, свойства и отношения. Изд-во АН СССР, М.,1963, с. 172.

53. Ульман Дж. Основы систем баз данных. М. Финансы и статистика, 1983, с. 153-164.

54. Фадеева В.Н. и Фадеев Д.К. Параллельные вычисления в линейной алгебре. Препринт ЛОМИ (Р-6-77), Ленинград, 1977.

55. Форсайт Дж., Молер К. Численное решение систем линейныхалгебраических уравнений. Мир, М., 1969.

56. Фуксман А.Л. Макрогенерация с управляющим языком высокогоуровня. В сб.: Труды Всесоюзного семинара по вопросам макрогенерации. Тбилиси, 1975, с. 165-180.

57. Цаленко М.Ш. Реляционные модели базы данных. Сб.: Алгоритмыи организация решения экономических задач. Вып. 10, 1977.

58. Энгелер Э. "Сап. do" Логика. Труды симпозиуматеория программирования. 4.1, Новосибирск, ВЦ СО АН СССР, 1972, с. 36-48.

59. Яблонский С.В. Введение в дискретную математику. М., Наука,1979.

60. Codd E.F. A ReCatlonai Modei of data fo large Shared Data BanKS Comm. . of ACM, 19?0, voB. р3??-38?.