автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Разработка метаматического и программного обеспечения поддержки сложных проектов в распределенной вычислительной среде

Воронежская государственная лесотехническая академия

СТАРИКОВ Александр Вениаминович

Разработка математического и программного обеспечения поддержки сложных проектов в распределенной вычислительной среде (на примере мониторной системы интегрированной САПР)

По специальностям:

05.13.11 -Математическое и программное обеспечение

вычислительных машин, комплексов, систем и сетей;

05.13.12 - Системы автоматизации проектирования.

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научныйруководитель д-р техн. наук, проф.

Харин В.Н.

Воронеж 1999

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 5 Глава 1. ИНФОРМАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ......................................................13

1.1. Обзор моделей процесса проектирования ............... 14

1.1.1. Концептуальная модель процесса проектирования..............14

1.1.2. Особенности среды проектирования.........................19

1.1.3. Сетевая модель процесса проектирования......................21

1.1.4. Методологии проектирования..................................................23

1.1.5. Конвейер проектирования....................................26

1.1.6. Организация параллельного проектирования......................29

1.1.7. Концепция сквозного проектирования в интегрированной САПР..........................................................................................31

1.1.8. Инфраструктуры САПР....................................32

1.2. Управление проектом и процессом проектирования в

САПР..........................................................................................35

1.2.1. Общие понятия и задачи управления..........................35

1.2.2. Задачи управления процессом проектирования .......... 38

1.2.3. Формализация процесса проектирования..............................42

1.3. Информационная модель процесса проектирования 47

1.4. Основные выводы первой главы..............................................50

Глава 2. ЯЗЫК ОПИСАНИЯ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА

ПОДДЕРЖКИ ИНФОРМАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ПРОЕКТИРОВАНИЯ.......................................52

2.1. Язык описания информационной модели процесса проектирования ......................................................................................53

2.1.1. Синтаксическая нотация..........................................................53

2.1.2. Синтаксис ЯОМ......................................................................54

2.1.3. Семантика ЯОМ......................................................................57

2.2. Схема создания информационной модели процесса проектирования ..................................................................................59

2.3. Программные средства поддержки модели процесса проектирования .......................................................63

2.3.1. Генератор рабочей модели процесса проектирования...... 63

2.3.2. Программы оперативной корректировки рабочей модели 73

2.4. Основные выводы второй главы.................................79

Глава 3. ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ПОДДЕРЖКИ ОПЕРАТИВНОГО

УПРАВЛЕНИЯ ПРОЕКТОМ, СПОСОБЫ И СРЕДСТВА

ИХ РЕШЕНИЯ........................................................80

3.1. Мониторинг текущего состояния проекта. ...............80

3.2. Координация действий проектировщиков......................84

3 3 Контроль логической целостности проекта............................89

3.4. Перепланирование и временная увязка проектных работ . . 90

3.5. Реализация отката в технологическом маршруте ......... 92

3.6. Основные выводы третьей главы....................................99

Глава 4. СОСТАВ, СТРУКТУРА И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ МОНИТОРНОЙ СИСТЕМЫ........................101

4.1. Общие сведения об интегрированной САПР ИЭТ-МСВТ .. 101

4.2. Структура управления интегрированной САПР. ......... 104

4.3. Функциональные возможности мониторной системы..........105

4.3.1. Подсистема генерации...................................107

4.3.2. Подсистема диалога.....................................109

4.3.3. Подсистема регистрации.......................................110

4.3.4. Справочная подсистема...................................111

4.3.5. Информационная подсистема.........................................112

4.3.6. Подсистема управления...........................................112

4.3.7. Подсистема контроля..................................113

4.3.8. Подсистема защиты..................................................................114

4.3.9. Подсистема взаимодействия....................................................115

4.3.10. Подсистема связи......................................................................116

4.4. Взаимодействие проектирующих подсистем САПР..............116

4.5. Информационная подсистема интегрированной САПР .... 118

4.5.1. Понятие контейнера..................................................................119

4.5.2. Информационный фонд ИС....................................................121

4.5.3. Взаимодействие информационной и мониторной систем ... 123

4.5.4. Взаимодействие информационной и архивной систем..........130

4.6. Сертификация инструментальных программных средств . . 132

4.7. Основные выводы четвертой главы.........................134

ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................................136

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................ . 138

Введение

Актуальность темы. Организация сложных вычислительных процессов, связанных с проблемно-ориентированной обработкой данных (в частности при автоматизированном проектировании изделий электронной и вычислительной техники), требует создания специальных способов и программных средств поддержки стратегии обработки проектной информации. Эта потребность обусловлена:

- высокой информационной сложностью обрабатываемых объектов, приводящей к необходимости декомпозиции проекта на составные части, обработке каждой части по отдельности и последующему их "сшиванию";

- высокой функциональной сложностью решаемых задач, приводящей к необходимости декомпозиции процесса обработки на этапы и выполнения каждого этапа с помощью соответствующей функциональной подсистемы;

- распределенным характером обработки, которая реализуется функциональными подсистемами, расположенными в различных узлах локальной вычислительной сети (ЛВС);

- динамически изменяющимися структурой и состоянием среды обработки, которая часто создается путем комплексирования существующих и вновь разработанных функциональных подсистем.

Средства поддержки стратегии сложной обработки данных составляют основу систем управления проектами (Project Management System). В разной степени они также представлены в системах автоматизированного проектирования (САПР), включая и CASE {Computer-aided Software/System Engineering), в системах поддержки принятия решений (Decision Support System) и в других типах программных продуктов. При этом проект расширенно трактуется как полная совокупность данных, специфицирующих обрабатываемый объект в различных информационных проекциях или аспектах. Проект подвергается процессу целенаправленной обработки в вычислительной среде, образованной множеством функциональных подсистем, каждая из которых реализует одну или несколько проектных процедур, генерирующих проектное решение.

К основным задачам управления проектами обычно относят: формирование структуры проекта, планирование процесса обработки проекта и его оперативное перепланирование в соответствии с результатами промежуточных вычислений, обеспечение взаимодействия и координация действий различных функциональных групп - коллективов специалистов, участвующих в организации процесса вычислений и анализе результатов с применением соответствующих функциональных подсистем, обеспечение и контроль логической целостности проекта, мониторинг состояния проекта, учет сделанных в проекте изменений, контроль выполнения календарного плана работ, контроль и обеспечение достоверности информации при хранении и передаче проектных решений между функциональными подсистемами и другие.

Важность перечисленных задач управления проектами значительно возрастает при параллельном выполнении проектных процедур в среде распределенной обработки данных. Совокупная сложность задач управления в этом случае становится сопоставимой со сложностью вычислительных задач, а их решение требует разработки специальных способов и автоматизированных средств поддержки.

Традиционно функции по организации управления выполнением проектных процедур возлагаются на управляющую подсистему, называемую также мониторной системой (МС). В последнее десятилетие за рубежом сформировалось новое направление исследований, связанное с проблемой создания системных сред (инфраструктур) открытых САПР (CAD Framework), в рамках которого решаются перечисленные выше задачи управления. Поскольку концептуальные основы построения инфраструктур являются важнейшим элементом "ноу-хау" фирм, специализирующихся на их разработке, в научно-технической литературе они освещены недостаточно. В этой связи, выбор и обоснование концептуальной модели процесса распределенной обработки проектных данных и разработка на ее основе инвариантных компонентов математического, программного, лингвистического и информационного обеспечения МС является актуальной задачей.

Работа выполнялась в рамках ОКР "Терминал-1" ("Разработка программного обеспечения управления совокупностью АРМ в перспективных

ИГС"; ГР № У52183), включенной в отраслевой план важнейших работ электронной промышленности.

Цель работы заключается в обосновании и разработке базовых инвариантных компонентов математического, программного, лингвистического и информационного обеспечения МС, предназначенных для поддержки принятия решений и управления проектами в интегрированной распределенной среде в соответствии с определенной стратегией обработки данных.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие основные задачи:

- выполнить формализацию процесса проектирования в распределенной вычислительной среде, представленной совокупностью проблемно-ориентированных АРМ, объединенных в ЛВС;

- разработать информационную модель вычислительного процесса в распределенной динамической среде, компоненты лингвистического, математического и программного обеспечения для описания и актуализации этой модели;

- сформулировать основные задачи управления проектом и процессом его обработки и, основываясь на введенной информационной модели, разработать способы и программные средства для их решения;

- разработать унифицированную схему взаимодействия функциональных подсистем, необходимую для реализации прикладного уровня сетевого протокола и концепции комплексной обработки информации в распределенной вычислительной среде.

Методы исследования. При выполнении работы использованы основные положения общей теории систем и систем массового обслуживания, принципы и методы теории САПР, элементы теории графов и теории формальных языков, принципы и методы теории построения трансляторов, методы модульного и структурного программирования.

Научная новизна основных результатов, полученных при решении поставленных задач, состоит в следующем:

1. Предложена концепция распределенной мониторной системы с логической звездообразной структурой, обеспечивающая возможность контроля информационного взаимодействия между функциональными подсистемами интегрированной среды обработки.

2. Предложена унифицированная схема информационного интерфейса между функциональными подсистемами, отличающаяся использованием информационных структур контейнерного типа.

3. Разработано математическое и программное обеспечение поддержки динамической среды распределенной обработки данных, отличающееся введением механизмов модификации структуры заголовка программных образов модулей каждой из функциональных подсистем.

4. Разработан итеративный алгоритм обхода вершин произвольного ориентированного графа, отличающийся от известного рекурсивного алгоритма более экономным расходованием машинных ресурсов.

5. Предложена концептуальная модель процесса проектирования в виде асинхронного последовательно-параллельного конвейера проектирования, отличающаяся введением понятий комплексной проектной процедуры, комплексного проектного решения и откатов различной глубины.

6. На основе предложенной концептуальной модели разработана информационная модель процесса проектирования, отличающаяся инвариантностью к среде проектирования, лингвистические, математические и программные компоненты для ее описания и поддержки.

Практическая ценность. Разработанные компоненты математического, программного, лингвистического и информационного обеспечения, включенные в состав МС интегрированной САПР, составляют базовый инструментарий руководителя проекта и позволяют: моделировать процесс распределенной обработки данных; оперативно извлекать информацию из модели для использования в целях управления проектом и процессом его обработки; автоматизировать выполнение процедуры управления "глубокий откат"; реализовать концепцию сквозного проектирования, основываясь на использовании унифицированной схемы обмена проектными решениями между функциональными подсистемами.

Реализация результатов работы. Основные положения диссертации в виде компонентов математического, программного, лингвистического и информационного обеспечения МС внедрены и используются в составе интегрированной САПР ИЭТ-МСВТ в ОКБ при заводе "Процессор" (г. Воронеж).

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на XXII международной конференции и школе "САПР-95" (Украина, Ялта-Гурзуф, 1995 г.), международных научно-технической конференциях "Методы и средства оценки и повышения надежности приборов, устройств и систем" (Пенза, 1995-96 гг.), IV международной электронной научной конференции "Современные проблемы информатизации" (Воронеж, 1999 г.), ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ВГЛТА (1995-98 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликованы 11 печатных работ, включенных в библиографический список.

Структура, объем и краткое содержание работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения и списка литературы, включающего 110 наименований. Она изложена на 147 страницах машинописного текста, содержит 24 рисунка и 3 таблицы.

В первой главе приведен аналитический обзор существующих моделей процесса распределенной обработки данных (на примере проектирования в интегрированных САПР), рассмотрены особенности этого процесса в среде, построенной путем комплексирования инструментальных программных средств, предложена интерпретация концепции сквозного проектирования, использованная при построении интегрированной САПР.

Выбор процесса проектирования в качестве объекта исследования обусловлен следующими факторами: высокой структурной и функциональной сложностью объекта и процесса проектирования, мультипроектным характером обработки, многоаспектным представлением обрабатываемых данных, динамическими свойствами среды обработки. Проектирование -сложнейший вид интеллектуальной деятельности человека, не поддающийся полной автоматизации. В этом смысле проектирование, выполняющееся в интегрированных САПР, может рассматриваться как экстремальный вариант процессов распределенной обработки данных, выполняющихся в автоинтерактивном режиме.

В общем случае процесс проектирования характеризуется наличием большого числа плохо формализуемых факторов, что предопределяет использование информационного моделирования для его исследования. В качестве концептуальной основы для построения информационной модели

использованы 1) асинхронный последовательно-параллельный конвейер проектирования, отражающий выбранный технологический маршрут проектирования, и 2) множество структурных моделей, отражающих результаты декомпозиции проекта в различных аспектах проектирования. Математически конвейер проектирования может быть представлен конечным ациклическим орграфом, а множество структурных моделей проекта -конечным гиперграфом.

Обобщенная информационная модель процесса проектирования -ациклический орграф сложной структуры, полученный в результате суперпозиции гиперграфа проекта и орграфа конвейера. Вершины направленной (ориентированной) сети информационной модели представляют комплексные проектные процедуры технологического маршрута с "привязкой" к конкретным фрагментам проекта, а дуги - информационные зависимости между процедурами. Информационная модель является важнейшим элементом системы управления процессом проектирования. На ее использовании основывают свою работу базовые математические и программные компоненты мониторной системы.

Во второй главе рассмотрены элементы лингвистического, математического и программного обеспечения мониторной системы: язык описания информационной модели процесса проектирования (ЯОМ), транслятор с Я ОМ - генератор рабочей модели (ГРМ), программы оперативной корректировки рабочей модели и ряд сервисных программ для работы с моделью.

ЯОМ - язык непосредственных составляющих, в основе которого лежит контекстно-свободная грамматика (тип 2). ЯОМ предназначен для создания исходного описания информационной модели процесса проектирования, в котором каждая комплексная проектная процедура представлена следующими информационными элементами: идентификатор процедуры, идентификаторы фрагмента проекта и типа проектного решения, идентификаторы ответственного исполнителя и проектирующего подразделения,