автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Разработка методов и средств проектирования математического и программного обеспечения для исследования сложных объектов

ГЕРАСИМОВ Дмитрий Александрович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СЛОЖНЫХ ОБЪЕКТОВ

Специальность: 05.13.11 - Математическое и программное

обеспечение вычислительных систем, комплексов и сетей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

2 5 НОЯ 2010

Воронеж - 2010

004614380

Работа выполнена в ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Кравец Олег Яковлевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Защита состоится 25 ноября 2010 года в Ю00 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д212.037.01 ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан «25» октября 2010 г.

Бурковский Виктор Леонидович;

кандидат технических наук, доцент Авсеева Ольга Владимировна

Ведущая организация

ГОУ ВПО "Воронежский государственный университет"

Ученый секретарь диссертационного совета

Барабанов В.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Научный прогресс влечёт за собой создание всё более сложных объектов различной природы и назначения. Непосредственное исследование многих из них сопряжено с рядом проблем, которые увеличивают стоимость исследования или делают его невозможным.

Большой вклад в изучение проблематики разработки специального математического, в том числе лингвистического, и программного обеспечения для исследования сложных объектов внесли Д. Гордон, П. Лоренц, Д. Рейт-ман. Развитие алгоритмических методов и средств, позволяющих создать программные комплексы для проведения анализа и оптимизации сложных систем, было осуществлено Т.Дж. Шрайбером, Б.Я. Советовым, С.А. Яковлевым, В.Д. Боевым и др.

Однако не все проблемы в данной области можно считать изученными и решенными в полной мере. В частности, недостаточно исследован вопрос разработки программных инструментов количественного и качественного анализа эффективности деятельности сложных объектов и систем. Методы и средства проектирования для такого анализа должны позволять не только исследовать и получать качественные оценки, но и находить оптимальные параметры функционирования и развития сложных систем.

При проведении анализа специального программного обеспечения установлено, что избыточность условных операторов, необходимость использования оператора безусловного перехода и отсутствие развитых средств отладки затрудняет эффективное построение алгоритмов обработки данных. Разделение одноканальных и многоканальных устройств в принципиально разные группы осложняет смену функционального назначения элемента системы в рамках одного процесса. При исследовании сложных объектов, имеющих многокомпонентный состав, взаимосвязи различной природы, а также иерархическую организацию элементов, отсутствие развитых графических средств представления структуры системы затрудняет создание специального программного обеспечения для проведения исследования.

Современные универсальные программные комплексы (Any Logic, Arena, Simulink, GPSS и т.д.), имея развитые инструментальные средства построения специальных алгоритмов исследования сложных объектов, не позволяют в полной мере эффективно оценивать качественные параметры функционирования изучаемых систем. Для устранения этого недостатка необходимо создание специального математического и программного обеспечения, которое позволило бы формально описать компоненты проектируемой программной системы для исследования сложного объекта, а также визуально сформировать структуру и алгоритмическую составляющую системы. С помощью программных интерфейсов информация от проектируемых компонент должна передаваться исследовательским комплексам, которые с её помощью реализуют эффективную оценку характеристик сложных объектов, что и определяет актуальность работы.

Работа выполнена в рамках научного направления ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» "Вычислительные системы и программно-аппаратные комплексы".

Цель работы. Целью работы является создание методов и средств проектирования математического и программного обеспечения на основе специальных лингвистических конструкций и алгоритмов их обработки.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) проанализировать классы сложных систем на предмет трудоёмкости и возможности их исследования с помощью существующих специальных математических и программных комплексов;

2) создать математическое и лингвистическое обеспечение для формального описания процесса функционирования сложных систем;

3) спроектировать специальное программное обеспечение, реализующее создание программных библиотек для построения алгоритмов исследования сложных объектов;

4) реализовать программные средства автоматизации процесса проектирования исследовательских комплексов, проведения анализа и получения статистических характеристик.

Методы исследования. В работе использованы теория множеств, теория графов, теория моделирования, методы математической статистики, объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна работы. К результатам работы, отличающимся научной новизной, относятся:

1) формальный язык описания дискретно-непрерывных объектов, обеспечивающий унификацию отображения статических и динамических объектов за счёт введения обобщённой конструкции «элемент»;

2) математическое обеспечение для формального описания сложных систем, позволяющее получить синтаксические конструкции минимальной сложности за счёт ортогональности лингвистических средств;

3) алгоритмы обработки языковых конструкций, учитывающие параллелизм процессов исследуемых объектов и обеспечивающие автоматизированное создание системы классов специального программного обеспечения;

4) средства проектирования специального программного обеспечения для исследования сложных объектов, отличающиеся интеграцией конструкций языков высокого уровня со специальными средствами автоматизации процесса исследования и обеспечивающие сокращение трудоёмкости создания программного обеспечения.

Практическая значимость работы. Практическая значимость работы состоит в создании методов и средств специального математического и программного обеспечения, реализующего систему автоматизации проектирования исследовательского комплекса на основе формального языка и алгоритмов его обработки. Использование результатов проектирования позволяет сократить трудоёмкость процесса разработки программных средств исследования функционирования сложных объектов.

Резулыпаты внедрения. Результаты исследований апробированы в ООО «Айвелум» при оптимизации проектирования специального программного обеспечения сервиса электронного обмена валют, построенного на основе распределённой клиент-серверной архитектуры. Применение созданного специального программного обеспечения позволило сократить время отклика системы за счёт оптимизации алгоритмов обработки данных, а также уменьшить трудоёмкость процесса её сопровождения за счёт структурной реорганизации модулей, входящих в состав сервиса.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научной конференции «Компьютерные технологии в технике и экономике» (Воронеж, 2007); XIII, XIV Международной открытой научной конференции «Современные проблемы информатизации» (Воронеж, 2008, 2009); Всероссийской конференции «Интеллектуализация управления в социальных и экономических системах» (Воронеж, 2008); VI Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - региону» (Вологда, 2008); X Всероссийской научно-технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий» (Улан-Удэ, 2009); II Всероссийской научно-практической конференции «Инновации и информационные технологии в образовании» (Липецк, 2009); Международной научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов «Образование, наука, производство и управление» (Старый Оскол, 2009); IV Всероссийской научно-практической конференции «ИММОД-2009» (Санкт-Петербург, 2009); Всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведённых в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [10] - формальный язык описания дискретно-непрерывных объектов, обеспечивающий унификацию отображения статических и динамических объектов; [11] - математическое обеспечение для формального описания процесса функционирования сложных систем, позволяющее получить синтаксические конструкции минимальной сложности; [6] - алгоритмы обработки языковых конструкций, учитывающие параллелизм процессов; [14] - средства создания специального программного обеспечения для исследования сложных объектов, отличающиеся интеграцией конструкций языков высокого уровня со специальными средствами автоматизации процесса исследования; [2, 15] - лингвистические средства описания процесса функционирования сложных объектов, позволяющие построить систему классов для проведения автоматизированного вычислительного эксперимента.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 105 наименований. Основная часть работы изложена на 127 страницах, содержит 8 таблиц и 34 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, сформулированы цель и задачи работы, их научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены сведения об апробации и внедрении работы.

В первой главе рассматривается основная задача специального математического и программного обеспечения, позволяющего провести исследование сложных объектов. В общем виде такая задача определена как воспроизведение поведения исследуемой системы на основе результатов анализа наиболее существенных взаимосвязей между ее элементами.

Рассмотрены основные классы реальных систем, к которым применим тот или иной способ создания исследовательских алгоритмов. По классу реальных объектов выделены следующие виды алгоритмов: агентыые, дискретно-событийные и на основе системной динамики.

Проведён анализ наиболее распространённых инструментов создания специального математического и программного обеспечения, использующего основные алгоритмы исследования и позволяющего провести изучение сложных объектов. К таким инструментам отнесены:

1) специализированный программный комплекс Arena - разработан компанией Rockwell Software, имеет множество средств для построения сложных исследовательских алгоритмов на основании агентного подхода. Основу этой системы составляют язык моделирования SIMAN и анимационная система Cinema Animation; отсутствуют возможности эффективного визуального проектирования;

2) система GPSS World - есть встроенный язык, позволяющий эффективно задавать исследовательские алгоритмы. Используется дискретно-событийный подход, однако не предусмотрена анимация процесса моделирования и графического представления структуры исследуемого объекта;

3) специализированная математическая и аналитическая система Simu-link входит в состав пакета MatLab фирмы MathWorks, направлена в основном на исследование динамических систем, вопросы исследования взаимодействующих программных объектов затруднены.

Проведённый анализ показал, что существуют факторы, снижающие эффективность использования специализированных инструментов:

1) избыточность и громоздкость условных операторов;

2) необходимость использования оператора безусловного перехода для некоторых алгоритмов;

3) разделение одноканальных и многоканальных устройств в принципиально разные группы;

4) неточность статистики по очередям ограниченной длины;

5) неудобство процесса отладки специализированных алгоритмов;

6) отсутствие средств графического представления структуры исследуемой системы, позволяющих оценить её сложность и характер взаимосвязей элементов.

Исследована проблема повышения эффективности автоматизации проектирования специализированных исследовательских комплексов. Показано,

что существующие инструменты могут быть улучшены за счёт применения новых средств формального описания функционирования сложных объектов, а также за счёт доработки алгоритмов. Следовательно, актуально создание специального математического и программного обеспечения, позволяющего эффективно изучать сложные объекты с помощью автоматизированного построения исследовательских комплексов.

Вторая глава посвящена созданию специализированных математических и лингвистических средств, которые позволяют формально описать процесс функционирования дискретно-непрерывных систем, а также унифицировать отображение статических и динамических объектов.

Предложены формальные описания новых структурных средств модельного отображения процесса функционирования реальных объектов:

1) |Е| = ¡V, где Е - множество всех элементов системы, N - общее количество элементов;

2) /?,Л/,К,Р,Н - соответственно матрицы связей, сообщений, параметров сообщений, свойств элементов и событий;

{1, если е) связан с е:;

, где Ят - элемент матрицы

О, если е1 не связан с е,. связей, /?/ - функция, определяющая матрицу связей;

[1,еслиту принадлежит е,;

4) Мт =М/(е„т) = { , где Мт - элемент

10,еслиту не принадлежит е;.

матрицы сообщений, М/ - функция, определяющая матрицу сообщений;

(\,еслик1 принадлежит

. , где Кт - элемент

О, если к/ не принадлежит тг

матрицы параметров сообщений, К/ - функция, определяющая матрицу параметров сообщений;

{1, если р1 принадлежит е,;

, где Рт - элемент

и, если р) не принадлежит е,. матрицы свойств элементов, Р/ - функция, определяющая матрицу свойств элементов;

(\,если /г( принадлежит е,;

, где Нт - элемент

и, если не принадлежит <?,. матрицы событий, И'/ - функция, определяющая матрицу событий.

С использованием формального описания создано средство перехода от содержательного описания поведения сложного объекта к формализованному представлению процесса его функционирования:

М =< Е, Лот,М, Мт, К, Кт, Р, Рт, Н, Нт >. (1)

Функции Я/, М/, К/, Р/ и Н/ участвуют в выражении (I) неявно.

Далее показано, что описание не всегда может быть полным для какой-

либо реальной системы ввиду наличия у неё специфических признаков и характеристик. Это в свою очередь приводит к снижению эффективности при построении специального программного обеспечения для проведения исследования. Решением данной проблемы является введение специализированных лингвистических средств описания процесса функционирования сложных объектов.

В ходе создания специализированных лингвистических средств проведена декомпозиция процесса изучения сложного объекта на основе исследовательских комплексов. Выделены два этапа этого процесса. Первый из них связан с описанием функционирования реальной системы и включает в себя следующие задачи: разделение всей системы на отдельные элементы; описание взаимосвязей между выявленными элементами; определение способов взаимодействия между объектами системы; выявление условий и ограничений на взаимодействие отдельных частей исследуемого объекта; создание правил подсчёта необходимых статистических характеристик. Второй этап состоит в реализации выявленных правил функционирования в виде алгоритмов или программ.

На основании анализа первого этапа созданы новые объекты лингвистического обеспечения формального описания специализированных средств исследования. Созданные объекты позволяют описать реальную систему с требуемой точностью, а формальность синтаксического представления обеспечивает автоматизированное исследование сложного объекта. Таким образом, выполнение второго этапа не требуется при условии использования новых объектов лингвистического обеспечения. Новые объекты представлены в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Основные объекты языка формального описания_

Название Описание

«Иерархия» Конструкция, позволяющая представлять изучаемую систему в виде иерархичной структуры

«Элемент» Представляет собой конструкцию, которая описывает часть выбранной системы как единое целое

«Свойство» Является конструкцией, которая описывает какую-либо характеристику реального объекта

«Сообщение» Конструкция для представления сигналов, с помощью которых взаимодействуют отдельные части системы

«Параметр» Данная конструкция описывает какие-либо значения, передаваемые при обмене конкретными сообщениями

«Событие» Представляет собой языковое средство для формального описания реакции отдельной части системы в ответ на получение конкретного сообщения

«Связь» Конструкция позволяет описать взаимосвязи, присущие различным частям реального объекта

Формальность представления процесса функционирования с помощью созданных объектов обеспечивается за счёт определения всех конструкций в виде форм Бэкуса-Наура и синтаксических диаграмм. Для основных объектов указанные формы приведены ниже. Синтаксические диаграммы для них представлены на рис. 1-6.

Таблица 2

Дополнительные объекты языка формального описания_

Название Описание

«Список свойств» Содержит в себе одну или несколько конструкций «Свойство»

«Список сообщений» Содержит в себе одну или более конструкций «Сообщение»

«Список параметров» Содержит в себе одну или более конструкций «Параметр»

«Список событий» Содержит в себе одну или более конструкций «Событие»

«Список связей» Содержит в себе одну или более конструкций «Связь»

Сообщение = <Имя>[«::»<Список параметров>/

Параметры

Имя

Рис. 1. Синтаксическая диаграмма для конструкции «Сообщение»

Рис. 2. Синтаксическая диаграмма для конструкции «Событие»

Свойство = <Имя> «:»< Тип> « = »< Значение>

Рис. 3. Синтаксическая диаграмма для конструкции «Свойство» Параметр = Имя «:» Тип

Рис. 4. Синтаксическая диаграмма для конструкции «Параметр»

Имя

■

Рис. 5. Синтаксическая диаграмма для конструкции «Связь»

Элемент = <Имя>::[< Родитель >.:]< Тип>:: <Список сообгценийхСпчсок связей>[<Список свойств>][<Список событий>]

События Свойства «— Сообщения

Связи

м-

Рис. 6. Синтаксическая диаграмма для конструкции «Элемент»

Создание лингвистических средств формального описания процесса функционирования сложных объектов требует проектирования специализированных алгоритмов обработки языковых конструкций, позволяющих учитывать параллелизм процессов и обеспечивающих автоматизированное создание системы классов специального программного обеспечения.

Третья глава посвящена алгоритмизации процесса проектирования средств автоматизации построения исследовательских комплексов с помощью языка иМЬ.

Определены этапы создания специального программного обеспечения для реализации исследовательских комплексов:

1) построение структуры исследуемого объекта;

2) создание списка сообщений;

3) задание событий и свойств;

4) написание обработчиков событий;

5) определение правил сбора статистических данных;

6) анализ выявленных статистических характеристик.

Построен алгоритм создания специального программного обеспечения, позволяющего провести исследование сложного объекта (рис. 7).

Строится общая диаграмма вариантов использования (рис. 8) с помощью методологии иМЬ. Такая диаграмма позволяет установить общие требования к функциональности проектируемого специализированного программного обеспечения для исследования сложных объектов.

Произведена декомпозиция общей диаграммы использования. В результате получены специализированные диаграммы для построения структуры объекта, создания списка сообщений; создания списка свойств, создания событий и их обработчиков; определения правил сбора статистической

информации. Это позволило уточнить требования, предъявляемые к проектируемому программному обеспечению.

Начало

Построение структуры системы

Этап 1

Создание списка сообщений

Задание событий

Задание свойств

Написание обработчиков событий

Этап 4

Этап 3

Определение правил сбора

Этап 2

Нет

Этап 5

I

Анализ выяв-

ленных харак-

теристик

Этап 6

Рис. 7. Алгоритм построения специализированного программного обеспечения для проведения исследования

Рис. 8. Общая диаграмма вариантов использования для специализированного программного обеспечения

На основании выявленных требований к функциональности проектируемого программного средства выделены его структурные части, каждая из которых предназначена для решения конкретных задач.

1) системный редактор - предназначен для создания, изменения и удаления специальных алгоритмов исследования в разработанном средстве;

2) редактор структуры - позволяет задать структуру объекта, состоящую из взаимосвязанных элементов;

3) редактор сообщений - предназначен для работы с сообщениями;

4) редактор свойств элемента - обеспечивает работу с характеристиками и событиями элементов;

5) редактор кода обработчиков событий - является текстовым редактором с подсветкой синтаксиса, позволяет редактировать код на языке высокого уровня;

6) редактор правил сбора статистических данных - предназначен для создания правил, по которым в дальнейшем будут получены различные статистические характеристики.

Создана общая диаграмма классов приложения, выполненная по методологии 1)МЬ (рис. 9).

Рис. 9. Общая диаграмма классов для специализированного программного

обеспечения

Определены различные характеристики связей между классами проектируемого специализированного приложения. В соответствии с методологией иМЬ связи нанесены на детализированную диаграмму классов. Установлено, что классы редакторов статических и динамических элементов являются наследниками класса редактора структуры. Определено, что классы всех редакторов входят в состав класса системного редактора. Классы режима и типа данных решено сделать статичными. Детализированная диаграмма классов, отражающая основные объекты проектируемого специализированного программного средства, а также характер взаимосвязи между ними, представлена на рис. 10.

Редактор сообщений

+Ссылка на список сообщений +Список сообщений

+Добавить сообшениеО +Удалить сообшение() +Выбрать сообшениеО +Добавить параметре) + Удалить парамстр() +Изменить парамегр()

Редактор кода

+ Ссылка на список элементов

тДобавить обработчик^) +Удалить обработчик!)

X

Редактор свойств н событии

+Ссылка на список элементов ♦Ссылка на список сообщений

♦Добавить событие() +Удалить событие()

Событие

+Ссылка на сообщение +Ссылка на элемент ♦Код обработчика

Редастор правил

Редактор модели

♦Редактор свойств ♦Редактор кода ♦Редактор сообщений ♦Редактор структуры ♦Редактор правил

+Сохранить!) +Открыть()

♦Моделировать{)

►Ссылка на список элементов ♦Список правил

♦Добавить правилоО ♦Удалить правило() ♦Изменить правилоО

Режим

♦Создать ♦Удалить ♦Переместить

Редактор структуры ♦Режим

♦Слисок элементов

♦Добавить элемснт() ♦Удалить элемент) ♦Выделить элемент^) ♦Переместить ъчемснтО

г

Редактор статических элементов

+Создать свявь() +Удалить связь()

7

Элемент

+Список свойств +Список связей +Список событий

Редактор динамических элементов

Рис. 10. Детализированная диаграмма классов для специализированного программного обеспечения

Создан алгоритм работы таймера, отражающего системное время. Его работа основана на опросе всех элементов поочерёдно. При этом каждый элемент может установить параметр синхронизации с любым другим связанным элементов. Это позволяет организовать параллельную обработку сигналов и данных в рамках одного исследовательского алгоритма между связанными элементами. Параметры синхронизации могут быть заданы таким образом, чтобы была достигнута параллельная работа элементов, находящихся на разных уровнях иерархии.

Таким образом, предложены средства обработки языковых конструкций, учитывающие параллелизм процессов функционирования и обеспечи-

вающие автоматизированное создание системы классов специального программного обеспечения.

Четвёртая глава посвящена реализации созданных алгоритмов автоматизированного проектирования специального программного обеспечения для проведения исследования сложных объектов, а также особенностям его реализации и внедрения.

Общая структура специализированного программного обеспечения представлена на рис. 11.

Рис. 11. Общая структура реализованного специализированного программного обеспечения

Для реализации специализированного программного обеспечения использован объектно-ориентированный язык С# и средства визуального проектирования Microsoft Visual Studio 2010. Программное обеспечение рассчитано на работу под управлением операционной системы Windows версий 2000, ХР, Vista, Windows 7. Также для успешной работы созданного про-

граммного комплекса необходимо наличие установленного .NET Framework версии не ниже 3.5.

Модульная структура созданного специализированного программного средства состоит из 12 файлов: StructureBuilder - содержит код редакторов структуры и код связанных классов; GraphicElement - содержит в себе классы, отвечающие за графическое представление структуры исследуемого объекта, а также за связь между элементом и его свойствами, сообщениями, событиями и т.д.; ElementProperties - содержит код редакторов свойств и событий, а также дополнительные связанные классы; EventsBuilder - включает в себя код редактора сообщений; CodeEditor - содержит код редактора кода; SyntaxHighlighting - включает в себя класс для подсветки синтаксиса кода обработчиков событий; CodeCompiller - содержит в себе код классов, отвечающих за компиляцию специальных алгоритмов; RulesBuilder - включает в себя код редактора правил сбора статистической информации; ViewResults -данный модуль содержит в себе код средств для просмотра результатов; Workspace - содержит в себе код класса, объединяющего все редакторы в единую программную единицу; Additional - данный модуль содержит в себе статичные классы, а также общие классы, необходимые для остальных модулей; ModelEIement - включает в себя шаблоны для построения системы классов, позволяющей создать специализированный алгоритм исследования.

Пример комбинированной экранной формы реализованного специализированного программного обеспечения, зарегистрированного в ФГНУ «ЦИТИС», представлен на рис. 12.

Созданное специализированное программное средство внедрено в ООО «Айвелум» (г. Москва). Эффект от внедрения состоит в том, что в ходе проведения исследований специальных алгоритмов распределённого приложения, функционирующего на основе клиент-серверной архитектуры, были выявлены структурные и алгоритмические несоответствия, которые приводили к увеличению времени обработки запросов клиента и возрастанию сложности сопровождения проекта. После проведения нескольких этапов оптимизации время отклика системы и сложность её сопровождения снизились.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В процессе выполнения диссертационного исследования были получены следующие основные результаты:

1. Разработан формальный язык описания дискретно-непрерывных объектов, обеспечивающий унификацию отображения статических и динамических объектов за счёт введения обобщённой конструкции «элемент».

2. Создано специальное математическое обеспечение для формального описания сложных систем, позволяющее получить синтаксические конструкции минимальной сложности за счёт ортогональности лингвистических средств.

3. Созданы алгоритмы обработки языковых конструкций, учитывающие параллелизм процессов исследуемых объектов и обеспечивающие авто-

матизированное создание системы классов специального программного обеспечения.

I ( ■ »•>■. "<

1 | : »-•> . глвугху

Рис. 12. Комбинированная экранная форма реализованного специального программного обеспечения

4. Реализованы и зарегистрированы в ФГНУ «ЦИТИС» средства создания специального программного обеспечения для исследования сложных объектов на основе интеграции конструкций языков высокого уровня со специальными средствами автоматизации, обеспечивающими сокращение трудоёмкости процесса создания исследовательских комплексов.

5. Реализован специальный программный комплекс, позволяющий формально описать функционирование сложной системы и обеспечивающий автоматизацию построения её внутренней структуры, а также способов взаимодействия отдельных элементов и обработки сигналов и данных внутри неё.

6. Внедрение результатов исследования в виде инструмента анализа функционирования сложной распределённой клиент-серверной вычисли-

тельной системы обеспечило оптимизацию её структуры, сокращение времени отклика, а также привело к упрощению её сопровождения.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Герасимов Д.А. Разработка системы сбора статистики для среды имитационного моделирования / Д.А. Герасимов, О.Я. Кравец, С.А. Олейникова // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2010. Т. 6. № 1. С. 88-91.

2. Герасимов Д.А. Эволюционное проектирование специализированного Интернет-сервиса на основе средств имитационного моделирования /Д.А. Герасимов, О Я. Кравец, С.А. Олейникова // Системы управления и информационные технологии: научно-технический журнал. М. 2010. 1.2(39). С. 222-226.

Статьи и материалы конференций

3. Герасимов Д.А. Анализ системы имитационного моделирования GPSS World / Д.А. Герасимов, С.А. Олейникова // Информационные технологии моделирования и управления. 2007. Вып. 3(37). С. 339 - 343.

4. Герасимов Д.А. Среда построения имитационных моделей / Д.А. Герасимов, С.А. Олейникова // Территория науки. 2007.3(4). С. 333-337.

5. Герасимов Д.А. Об одном способе построения имитационных моделей / Д.А. Герасимов // Компьютерные технологии в технике и экономике: сб. докл. Междунар. науч. конф. - Воронеж: МИКТ, 2007. Ч. 1. 254 с.

6. Герасимов Д.А. Проектирование среды имитационного моделирования / Д.А. Герасимов, С.А. Олейникова, О.Я. Кравец // Современные проблемы информатизации в анализе и синтезе технологических и программно-телекоммуникационных систем: сб. тр. Воронеж: Научная книга, 2008. Вып. 13. С. 303-305.

7. Герасимов Д.А. Об актуальности создания новой среды имитационного моделирования / Д.А. Герасимов // Интеллектуализация управления в социальных и экономических системах: труды Всерос. конф. Воронеж: ВГТУ, 2008. С. 54-55.

8. Герасимов Д.А. Особенности проектируемой виртуальной машины для среды имитационного моделирования / Д.А. Герасимов И Вузовская наука - региону: материалы VI Всерос. науч.-техн. конф. - Вологда: ВоГТУ, 2008. Т. 1.С. 69-72

9. Герасимов Д.А. Разработка системы классов для проведения имитационного моделирования / Д.А. Герасимов // Информационные технологии моделирования и управления. 2008. Вып. 6(49). С. 682 - 687.

10. Герасимов Д.А. Статические и динамические элементы в разрабатываемой среде имитационного моделирования / Д.А. Герасимов, О.Я. Кравец // Современные проблемы информатизации в проектировании и инфор-

мационных системах: сб. тр. Воронеж: Научная книга, 2009. Вып.14. С. 467468.

11. Герасимов Д.А. Формализация одного подхода для использования в новой среде имитационного моделирования / Д.А. Герасимов, ОЛ. Кравец // Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий: материалы Всерос. науч.-техн. конф. - Улан-Удэ: ВСГТУ, 2009.

12. Герасимов Д.А. Перспективы развития систем имитационного моделирования в образовательном процессе / Д.А. Герасимов, О.Я. Кравец // Инновации и информационные технологии в образовании: II Всерос. науч,-пракг. конф. - Липецк, 2009. С. 37-39.

13. Герасимов Д.А. Возможность создания комбинированных моделей в разрабатываемой системе / Д.А. Герасимов // Сборник научных и научно-методических докладов международной научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов. Старый Оскол: СТИ НИТУ МИ-СиС, 2009. - С. 149-151.

14. Герасимов Д.А. Особенности программной реализации новой среды имитационного моделирования / Д.А. Герасимов, С.А. Олейникова, О.Я. Кравец // IV Всероссийская научно-практическая конференция по имитационному моделированию и его применению в науке и промышленности -ИММОД-2009. Санкт-Петербург, 2009. Т.1. С. 114-118.

15. Герасимов Д.А. Автоматизация проектирования распределённых программных систем с помощью средств имитационного моделирования на примере электронного обменного пункта / Д.А. Герасимов, О.Я. Кравец II Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве: труды Всерос. конф. Воронеж: ВГТУ, 2010. С. 18-19.

16. Герасимов Д.А. Программа «Инструмент визуального проектирования структуры имитационных моделей» / Д.А. Герасимов, ОЛ. Кравец, С.А. Олейникова.-М.: ФГНУ «ЦИТИС».-РегN50201000942от25.05.2010.

Подписано в печать 21.10.2010. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 90 экз. Заказ № 398

ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

С.81-84.

Введение.

Анализ предметной области и постановка задач работы.

1.1 Сущность и задачи алгоритмов исследования сложных объектов

1.2 Инструменты анализа и исследовательские комплексы.

1.3 Недостатки инструментов создания специальных алгоритмов исследования.

1.4 Выбор эффективного направления при создании специальных алгоритмов исследования.

1.5 Цель и задачи работы.

Конструирование специализированных математических и лингвистических средств.

2.1 Формальное описание новых структурных средств модельного отображения.

2.2 Новые лингвистические средства.

2.3 Описание синтаксиса новых конструкций формального языка, описания систем.

2.4 Выводы.

Проектирование специального программного обеспечения средствами языка имь.:.

3.1 Общий алгоритм построения исследовательского комплекса и диаграмма вариантов использования первого уровня.

3.2 Диаграммы вариантов использования для создания компонентного состава исследовательского комплекса.

3.3 Диаграммы вариантов использования для определения динамики алгоритмов исследования.

3.4 Проектирование системы классов приложения средствами ЦМЬ.

3.5 Выводы.

Реализация программного средства проектирования математического и программного обеспечения для исследования сложных объектов.

4.1 Структурно-функциональные особенности специального программного обеспечения.

4.2 Особенности программной реализации методов и средств проектирования математического и программного обеспечения для исследования сложных объектов.

4.3 Пример проектирования исследовательского комплекса для распределённого клиент-серверного приложения.

4.4 Выводы.

Основные результаты работы.

Актуальность темы. Научный прогресс влечёт за собой создание всё более сложных объектов различной природы и назначения. Непосредственное исследование многих из них сопряжено с рядом проблем, которые увеличивают стоимость исследования или делают его невозможным.

Большой вклад в изучение проблематики разработки специального математического, в том числе лингвистического, и программного обеспечения для исследования сложных объектов внесли Д. Гордон, П. Лоренц, Д. Рейтман. Развитие алгоритмических методов и средств, позволяющих создать программные комплексы для проведения анализа и оптимизации сложных систем, было осуществлено Т.Дж.Шрайбером, БЛ.Советовым, С.А.Яковлевым, В.Д.Боевым и др.

Однако не все проблемы в данной области можно считать изученными и решенными в полной мере. В частности, недостаточно исследован вопрос разработки программных инструментов количественного и качественного анализа эффективности деятельности сложных объектов и систем. Методы и средства проектирования для такого анализа должны позволять не только исследовать и получать качественные оценки, но и находить оптимальные параметры функционирования и развития сложных систем.

При проведении анализа специального программного обеспечения установлено, что избыточность условных операторов, необходимость использования оператора безусловного перехода и отсутствие развитых средств отладки затрудняет эффективное построение алгоритмов обработки данных. Разделение одноканальных и многоканальных устройств в принципиально разные группы осложняет смену функционального назначения элемента системы в рамках одного процесса. При исследовании сложных объектов, имеющих многокомпонентный состав, взаимосвязи различной природы, а также иерархическую организацию элементов, отсутствие развитых графических средств представления структуры системы затрудняет создание специального программного обеспечения для проведения исследования.

Современные универсальные программные комплексы (Any Logic, Arena, Simulink, GPSS и т.д.), имея развитые инструментальные средства построения специальных алгоритмов исследования сложных объектов, не позволяют в полной мере эффективно оценивать качественные параметры функционирования изучаемых систем. Для устранения этого недостатка необходимо создание специального математического и программного обеспечения, которое позволило бы формально описать компоненты проектируемой программной системы для исследования сложного объекта, а также визуально сформировать структуру и алгоритмическую составляющую системы. С помощью программных интерфейсов информация от проектируемых компонент должна передаваться исследовательским комплексам, которые с её помощью реализуют эффективную оценку характеристик сложных объектов, что и определяет актуальность работы.

Работа выполнена в рамках научного направления ВГТУ "Вычислительные системы и программно-аппаратные комплексы".

Цель работы. Целью работы является создание методов и средств проектирования математического и программного обеспечения на основе специальных лингвистических конструкций и алгоритмов их обработки.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) проанализировать классы сложных систем на предмет трудоёмкости и возможности их исследования с помощью существующих специальных математических и программных комплексов;

2) создать математическое и лингвистическое обеспечение для формального описания процесса функционирования сложных систем;

3) спроектировать специальное программное обеспечение, реализующее создание программных библиотек для построения алгоритмов исследования сложных объектов;

4) реализовать программные средства автоматизации процесса проектирования исследовательских комплексов, проведения анализа и получения статистических характеристик.

Методы исследования. В работе использованы теория множеств, теория графов, теория моделирования, методы математической статистики, объектно-ориентированного программирования.

Научная новизна работы. К результатам работы, отличающимся научной новизной относятся:

1) формальный язык описания дискретно-непрерывных объектов, обеспечивающий унификацию отображения статических и динамических объектов за счёт введения обобщённой конструкции «элемент»;

2) математическое обеспечение для формального описания сложных систем, позволяющее получить синтаксические конструкции минимальной сложности за счёт ортогональности лингвистических средств;

3) алгоритмы обработки языковых конструкций, учитывающие параллелизм процессов исследуемых объектов и обеспечивающие автоматизированное создание системы классов специального программного обеспечения;

4) средства проектирования специального программного обеспечения для исследования сложных объектов, отличающиеся интеграцией конструкций языков высокого уровня со специальными средствами автоматизации процесса исследования и обеспечивающие сокращение трудоёмкости создания программного обеспечения.

Практическая значимость работы. Практическая значимость работы состоит в создании методов и средств специального математического и программного обеспечения, реализующего систему автоматизации проектирования исследовательского комплекса на основе формального языка и алгоритмов его обработки. Использование результатов проектирования позволяет сократить трудоёмкость процесса разработки программных средств исследования функционирования сложных объектов.

Результаты внедрения. Результаты исследований апробированы в ООО «Айвелум» при оптимизации проектирования специального программного обеспечения сервиса электронного обмена валют, построенного на основе распределённой клиент-серверной архитектуры. Применение созданного специального программного обеспечения позволило сократить время отклика системы за счёт оптимизации алгоритмов обработки данных, а также уменьшить трудоёмкость процесса её сопровождения за счёт структурной реорганизации модулей, входящих в состав сервиса.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научной конференции «Компьютерные технологии в технике и экономике» (Воронеж, 2007); XIII, XIV Международной открытой научной конференции «Современные проблемы информатизации» (Воронеж, 2008, 2009); Всероссийской конференции «Интеллектуализация управления в социальных и экономических системах» (Воронеж, 2008); VI Всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - региону» (Вологда, 2008); X Всероссийской научно-технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий» (Улан-Удэ, 2009); II Всероссийской научно-практической конференции «Инновации и информационные технологии в образовании» (Липецк, 2009); Международной ' научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов «Образование, наука, производство и управление» (Старый Оскол, 2009); IV Всероссийской научно-практической конференции «ИММОД-2009» (Санкт - Петербург, 2009); Всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 научных работ, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведённых в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: в [10] - формальный язык описания дискретнонепрерывных объектов, обеспечивающий унификацию отображения статических и динамических объектов; в [11] — математическое обеспечение для формального описания процесса функционирования сложных систем, позволяющее получить синтаксические конструкции минимальной сложности; в [6] — алгоритмы обработки языковых конструкций, учитывающие параллелизм процессов; в [14] — средства создания специального программного обеспечения для исследования сложных объектов, отличающиеся интеграцией конструкций языков высокого уровня со специальными средствами автоматизации процесса исследования; в [2, 15] - лингвистические средства описания процесса функционирования сложных объектов, позволяющие построить систему классов для проведения автоматизированного вычислительного эксперимента.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы из 100 наименований. Основная часть работы изложена на 140 страницах, содержит 8 таблиц и 34 рисунка.

Основные результаты работы

В процессе выполнения диссертационного исследования были получены следующие основные результаты:

1. Разработан формальный язык описания дискретно-непрерывных объектов, обеспечивающий унификацию отображения статических и динамических объектов за счёт введения обобщённой конструкции «элемент».

2. Создано специальное математическое обеспечение для формального описания сложных систем, позволяющее получить синтаксические конструкции минимальной сложности за счёт ортогональности лингвистических средств.

3. Созданы алгоритмы обработки языковых конструкций, учитывающие параллелизм процессов исследуемых объектов и обеспечивающие автоматизированное создание системы классов специального программного обеспечения.

4. Реализованы и зарегистрированы в ФГНУ «ЦИТИС» средства создания специального программного обеспечения для исследования сложных объектов на основе интеграции конструкций языков высокого уровня со специальными средствами автоматизации, обеспечивающее сокращение трудоёмкости процесса создания исследовательских комплексов.

5. Реализован специальный программный комплекс, позволяющий формально описать функционирование сложной системы и обеспечивающий автоматизацию построения её внутренней структуры, а также способов взаимодействия отдельных элементов и обработки сигналов и данных внутри неё.

6. Внедрение результатов исследования в виде инструмента анализа функционирования сложной распределённой клиент-серверной вычислительной системы обеспечило оптимизацию её структуры, сокращение времени отклика, а также привело к упрощению её сопровождения.

1. Аверилл М. JI. Имитационное моделирование/M.JI. Аверилл, В.Д. Кельтон. СПб.: Питер, 2004. 846с.

2. Алиев Т.И. Основы моделирования дискретных систем/ Т.И. Алиев. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2009.

3. Боев В.Д. Компьютерное моделирование. Элементы теории и практики/В.Д. Боев, Р.П. Сыпченко. СПб.: ВАС, 2009. -432с.

4. Боев В.Д. Моделирование систем. Инструментальные средства GPSS World/ Боев В.Д. СпБ.:БХВ Петербург, 2004. - 368с.

5. Герасимов Д.А. Анализ системы имитационного моделирования GPSS World// . Герасимов Д.А., Олейникова С.А. Информационные технологии моделирования и управления. Выпуск 3(37), 2007. с.339 -343.

6. Герасимов Д.А. Об актуальности создания новой среды имитационного моделирования // Интеллектуализация управления в социальных и экономических системах: труды Всерос. конф.

7. Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2008.C.54-55.

8. Герасимов Д.А. Об одном способе построения имитационных моделей // Компьютерные технологии в технике и экономике: сборник докладов международной научной конференции. 4.1. — Воронеж, МИКТ, 2007. 254с.

9. П.Герасимов Д.А. Особенности проектируемой виртуальной машины для среды имитационного моделирования// Вузовская наука — региону: Материалы шестой всероссийской научно-технической конференции Вологда: ВоГТУ, 2008. Т.1. с.69-72

10. Герасимов Д.А. Разработка системы классов для проведения имитационного моделирования// Информационные технологии моделирования и управления. Выпуск 6(49), 2008. с.682 687.

11. Герасимов Д.А. Разработка системы сбора статистики для среды имитационного моделирования// Герасимов Д.А., Кравец О .Я., Олейникова С.А. Вестник ВГТУ, Вып. 6.1, 2010. с. 88-91.

12. Герасимов Д. А. Среда построения имитационных моделей// Герасимов Д.А., Олейникова С.А. Территория науки. 3(4), 2007. с. 333-337.

13. Герасимов Д. А. Статичные и динамичные элементы в разрабатываемой среде имитационного моделирования// Герасимов Д.А., Кравец О.Я. Современные проблемы информатизации в проектировании и информационных системах: Сб. трудов, Вып. 14, 2009. с.467-468.

14. Герасимов Д. А. Эволюционное проектирование специализированного Интернет-сервиса на основе средств имитационного моделирования// Герасимов Д.А., Кравец О.Я., Олейникова С.А. Системы управления и информационные технологии. 1.2(39), 2010. с. 222-226.

15. Герасимов Д. А., Кравец О.Я., Олейникова С.А. Программа «Инструмент визуального проектирования структуры имитационных моделей». М. ФГНУ «ЦИТИС». - Per N50201000942 от 25.05.2010.

16. Грызлов В .И., Грызлова Т.П. Турбо Паскаль 7.0. М.: ДМК, 1999. -400с.

17. Дьяконов В.П. MATLAB. Анализ, идентификация и моделирование систем: специальный справочник/ В.П. Дьяконов, В.В.Круглов. -СПб.: Питер, 2002. -448с.

18. Замятина Е.Б. Современные теории имитационного моделирования. Пермь: ПГУ, 2007.- 119с.

19. Карпов Ю.Г. Имитационное моделирование систем. Введение в моделирование с AnyLogic 5. СПб.: БХВ Петербург, 2005. - 400с.

20. Кельтон В., Jloy А. Имитационное моделирование. Классика CS. 3-е изд. СПб.: Питер; Киев BHV, 2004. 847с.

21. Клейнен Дж. Статистические методы в имитационном моделировании/ Дж. Клейнен. -М.: Статистика, 1978.

22. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания. М.: Машиностроение, 1979.-432с.

23. Кобелев Н.Б. Введение в общую теорию имитационного моделирования/ Н.Б. Кобелев. М.: Принт-Сервис, 2007.

24. Кудрявцев Е.М. GPSS World. Основы имитационного моделирования различных систем/ Е.М. Кудрявцев. М.: ДМК Пресс, 2003.-320с.

25. Марков A.A. Моделирование информационно-вычислительных процессов/ A.A. Марков. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана.

26. Математические основы планирования эксперимента/ под ред. С.М. Ермакова. М.: Наука, 1983.

27. Методы построения имитационных систем/ В.В. Литвинов, Т.П. Марьянович К. Наук. Думка, 1991. - 120с.

28. Нейгел К. С# и платформа .net 3.0/ К. Нейгел, Б. Ивьен, Дж. Глинн, М. Скиннер, К. Уотсон. -М.: Вильяме, 2008. -1376с.

29. Новиков O.A. прикладные вопросы теории массового обслуживания/ O.A. новиков, С.И. Петухов. М.: Сов. Радио, 1969. -400с.

30. Павловский Ю.Н. Имитационное моделирование/ Ю.Н. Павловский, Н.В. Белотелое, Ю.И. Бродский. М.: Академия, 2008. -236с.

31. Подбельский В.В. Язык С++ 5-ое издание. М.: Финансы и статистика, 2003.- 553с.

32. Рыжиков Ю.И. Имитационное моделирование: Теория и технологии/ Ю.И. Рыжиков. СПб.: корона принт; М.: Альтекс - А, 2004.-384с.

33. Сирота A.A. Компьютерное моделирование сложных систем/ A.A. Сирота; Воронеж, гос. ун-т. — Воронеж: Изд-во Воронеж, гос. ун-та, 2006.-248с.

34. Советов Б.Я. Моделирование систем/ Б.Я. Советов, С.А. Яковлев. -М.: Высшая школа, 2001. — 275с.

35. Статьи и материалы конференций

36. Томашевский В.Н. Имитационное моделирование в среде GPSS/ В.Н. Томашевский, Е.Г. Жданова. М.: Бестселлер, 2003. - 416с.

37. Ферради Д. Оценка производительности вычислительных систем. — М.: Мир, 1981.-576 с.

38. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем. Искусство и наука /Р. Шеннон. -М.: Мир, 1978.-418с.

39. Шрайбер Т. Дж. Моделирование на GPSS/ Т. Дж. Шрайбер. М.: Машиностроение, 1980.-592с.45.0'Keefe R., Roach J.W. Artificial Intelligence Approach to Simulation// Journal of the Operation Research Sosiety. 1987. №38. - p. 713 - 722.

40. S. Taylor, S. Robinson. Simulation Software: evolution or revolution// Journal of Simulation. 2008. p. 1-2.

41. K. D. Tocher. Techniques for the application of computers to industrial simulation// Journal of Simulation. V.2 2008. p. 138-142.

42. K. D. Tocher, D.G. Owen The automatic programming of simulations//

43. Journal of Simulation. V.2 2008. p.143-152. 49.Schruben L.W. Simulation Modeling with Event Graphs/ L.W. Schruben// Communications of the ACM. 1983. Vol.26. Num.11, p.957-963.

44. G. Kraft. Transaction oriented simulation in ad hoc grids/ Proceedings of the 2008 High Performance Computing and Simulation Conference (HPCS 2008), 3 - 6 June 2008, Nicosia, Cyprus, pp. 38-44.