автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Технология системного метамоделирования для задач автотизированного исследования и проектирования

РГ6 од

'Л Г. ,

'"'•■' На правах рукописи

НОГОВИЦЬШ Владимир Евгеньевич

ТЕХНОЛОГИЯ СИСТЕМНОГО МЕТАМОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ЗАДАЧ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Специальность 05.13.12-

системы автоматизации проектирования (электротехника, энергетика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иваново 1997

Работа выполнена на кафедре вычислительной техники и систем автоматизированного проектирования Ивановского го: сударственного энергетического университета.

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Нуждин В. Н.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Фомин Б. Ф.; кандидат технических наук, доцент Колганов А. Р.

Ведущая организация -

Российский НИИ информационных систем, г. Москва.

Защита состоится 3 октября 1997 г. в 11 часов в аудитории Б237 на заседании диссертационного совета Д 063.10.01 при Ивановском государственном энергетическом университете.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГЭУ.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 153003, Иваново, Рабфаковская, 34, совет ИГЭУ.

Автореферат разослан 2 сентября 1997 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

ТАРАРЫКИН С.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Усиление требования одновременно повышать качество проектных и исследовательских работ и снижать их сроки и стоимость привело к возникновению и развитию в современном проектировании и исследовании трех тенденций. Первая связана со способом рассмотрения проектируемых и исследуемых систем, а также самих процессов проектирования и исследования в виде сложных систем. При этом предполагается антиинтуитивность их поведения и многоаспект-ность проявления свойств. Вторая тенденция заключается в стремлении унифицировать прикладные методы проектирования и исследования сложных систем, опираясь на формальный аппарат обобщенных систем. Третья состоит в интеграции проектирования и исследования в единый сквозной процесс. Современные технологии автоматизации проектирования и исследования не учитывают приведенные тенденции в комплексе. Поэтому разработка средств автоматизации проектирования и исследования, одновременно поддерживающих все эти тенденции, является важной научно-технической задачей.

Ориентация средств автоматизированного проектирования и исследования на комплексное рассмотрение сложных систем обостряет технологические проблемы автоматизация. В особенности это касается проблемы жесткости. Она заключается в противоречии между лингвистической и функциональной ограниченностью используемых средств автоматизации, их стандартизацией - с одной стороны, и требованиями пользователей в отношении гибкости и при этом эргономичности - с другой.

На сегодня известен широкий спектр средств автоматизации проектирования и исследования. Он включает универсальные средства программирования и обработки данных/знаний (PASCAL, С, FORTRAN, ADA, DB, SQL/DS, ПРИЗ, PROLOG, LISP и др.), универсальные, средства со встроенными возможностями поддержки исследования (SIMULA, НЕДИС, ГАСП-IV, SimScript, CSIM, YacSim и др.), CASE-технологии (S-Designor, ERWin, System Architect, MATRIXx и др.), методо-ориентированные средства (DINAMO, GPSS, SLAM-II, Arena, MatLab, AutoCad, MatCad и др.) и проблемно-ориентированные средства конечного пользователя (VHDL, CPL, SIMEX, PLSyn, OrCAD и др.). Кроме того, на передний план сегодня выходят технологии системной интеграции, в основе которых лежат принципы клиент-сервера и Internet/Intranet (например, Jupiter). Они позволяют создавать из отдельных компонентов большие комплексные средства автоматизации исследования и проектирования.

Перечисленные средства имеют общее свойство. Оно заключается в том, что при их разработке проблема жесткости ставится на второй план после прагматической ориентации на требуемые базовые возможности. Поэтому она не разрешается. Практика использования этих

средств показывает, что при решении сложных проектных и исследовательских задач пользователь попадает в жесткие методологические рамки, обусловленные концептуальной разнородностью и предопределенностью применяемых методов и средств автоматизации. Причем ограничения проявляются тем сильнее, чем более антиинтуитивной и многоаспектной является проектируемая или исследуемая система. В связи с этим данные средства служат неадекватным инструментом автоматизации исследования и проектирования сложных систем.

Современный взгляд на объекты электротехники и энергетики связан с представлением их в виде сложных систем. Это обусловлено расширением пространства актуальных для проектирования или исследования свойств данных объектов. Рассматриваем ли мы сегодня атомную станцию или электропривод с цифровой системой управления, мы имеем дело с антиингуитивными и многоаспектными системами. Применение для проектирования и исследования таких систем существующих автоматизированных средств неэффективно по указанной выше причине.

Многолетний опыт работ коллектива под научным руководством В.Н.Нуждина по разработке и применению разнообразных средств автоматизации проектирования и исследования позволил четко осознать данные проблемы и предложить оригинальное решение.

В качестве нового принципа реализации автоматизированных средств проектирования и исследования в диссертации предлагается концепция системного метамоделирования. Согласно ей все механизмы автоматизированного проектирования и исследования сложных систем унифицируются на множестве, состоящем из следующих элементов: 1) получения внутренних моделей обобщенных систем из их входных описаний; 2) преобразования моделей обобщенных систем; 3) построения программных образов моделей обобщенных систем; 4) управляемой параллельной имитации моделей обобщенных систем; 5) взаимодействия моделей обобщенных систем. Основой для такой унификации является использование проблемно-инвариантных математических средств: аппарата формального представления и преобразования обобщенных систем и аппарата формальных грамматик. Таким образом, компьютерная технология системного метамоделирования выступает в качестве инвариантного средства автоматизации проектирования и исследования сложных систем. Создание и функционирование на ее базе прикладных автоматизированных систем (приложений) заключается в разработке и имитации моделей процессов проектирования и исследования.

Направляющими при создании инвариантных средств проектирования и исследования сложных систем могут быть такие идеи, как универсальная автоматизированная имитационная модель (Н.П.Бусленко), системология Дж.Клира, системные методологии синергетики

(И.Пригожин, Г.Хакен и др.), познания мира через концептуальное моделирование (Б.Ф.Фомин), а также применяемые при автоматизации проектирования и исследования теория формальных грамматик, теория агре-гативных систем, теория графов, структурные и объектные подходы проектирования и исследования, методы искусственного интеллекта. Путь к созданию инвариантных средств проектирования и исследования лежит через интеграцию этих идей на единой платформе обобщенных систем и метамоделирования. На сегодня он не пройден. Поэтому разработка таких средств - актуальная задача.

Целью диссертационной работы является создание инвариантных средств автоматизации проектирования и исследования сложных систем в виде компьютерной технологии системного метамоделирования

(тем).

Поставленная цель определила круг решаемых задач:

1. Разработку концепции системного метамоделирования, основанной на идее унификации объектов и механизмов моделирования в рамках моделей систем и системных задач, формализуемых в виде инвариантных обобщенных систем. Ориентацию данной концепции на возможность эффективного наполнения лингвистической и функциональной среды системного метамоделирования под конкретные задачи проектирования и исследования.

2. Создание формальной системы представления и преобразования обобщенных систем, отвечающей трем критериям. Во-первых, являющейся универсальной для широкого класса проектируемых и исследуемых систем. Во-вторых, обеспечивающей вычислительную эффективность их преобразования. В-третьих, совместимую с традиционными формализмами описания систем: обобщенными системами Дж.Клира, агрегатами, графами, сетями (типа Петри), автоматами, а также со структурными и объектными принципами программирования, стандартами представлений интегрируемых систем.

3. Создание формальной системы спецификации грамматик проблемных языков, позволяющей автоматически строить трансляторы с этих языков для перевода входных описаний во внутреннее представление обобщенных систем. Реализацию механизмов контекстного и , семантического управления выводом для повышения компактности спецификаций грамматик. Обеспечение каскадности расширения и итерационное™ развития лингвистического пространства средств системного метамоделирования.

4. Построение компьютерной ТСМ, разработку реализующих ее программных средств, экспериментальное подтверждение эффективности предлагаемых средств для решения задач автоматизированного проектирования и исследования.

Методической основой работы являются: теория множеств, теория графов, теория агрегативных систем, теория автоматов, теория формальных грамматик, системология Дж.Клира, методы структурного и объектного программирования, подходы к интеграции программных систем, принципы построения современных средств автоматизированного проектирования и исследования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена концепция системного метамоделирования, определяющая принцип реализации средств автоматизации премирования и исследования сложных систем на базе открытой оболочки унифицированной моделирующей среды. Концепция отличается комплексным проблемно-инвариантным подходом к внешнему описанию, внутреннему представлению, преобразованию (в том числе программированию) и вычислительному воспроизведению систем, основанном на использовании аппарата формальных обобщенных систем и аппарата формальных грамматик, а также на применении унифицированных механизмов метамоделирования.

2. Разработана формальная система представления и преобразования обобщенных систем ЙШ). Она основана на математическом аппарате описания систем, предложенном Дж.Клиром. В отличие от этого аппарата, в БИС введены операции преобразования обобщенных систем. Кроме того, при определении БИС используются понятия теории графов и теории агрегативных систем. Это позволяет органично сочетать декларативность представления БУЮ-моделей обобщенных систем с вычислительной эффективностью их анализа и преобразования.

3. Разработана формальная система спецификации грамматик промежуточных контекстно-свободных языков (йб), имеющая лингвистическую основу в виде модифицированной формы Бэкуса-Наура. Б& поддерживает механизмы контекстного и семантического управления выводом и обладает способностью самоопределения. Ее отличительными свойствами являются встроенная семантика, определенная на множестве понятий БИТС, а также возможность включения потоковых компонентов в функции отображения синтаксических объектов на семантические.

4. Разработана компьютерная технология системного метамоделирования, воплощающая предложенную концепцию системного метамоделирования. Средства данной технологии являются инвариантными средствами автоматизации проектирования и исследования. Они включают оригинальные механизмы метамоделирования: каскадную трансляцию описаний моделей обобщенных систем (супертрансляцию), трансформацию моделей обобщенных систем, их компиляцию, управляемую параллельную имитацию и взаимодействие.

На защиту выносится:

1. Концепция системного метамоделирования.

2. Формальная система представления и преобразования обобщенных систем БТС.

3. Формальная система спецификации грамматик проблемных языков Бв.

4. Компьютерная технология системного метамоделирования.

Практическая ценность диссертационной работы определяется:

• снижением сроков и стоимости работ по созданию средств автоматизированного проектирования и исследования, повышением качества данных средств, степени их модифицируемости и интегрируемости. Это достигается путем использования унифицированных механизмов системного метамоделирования в качестве базовых механизмов автоматизированного проектирования и исследования;

• возможностью сквозной автоматизации проектирования и исследования антиинтуигивных многоаспектных сложных систем в режиме "новая задача - новое средство". Это достигается оперативностью создания автоматизирующих программных приложений, их • гибкостью и унифицированной организацией; ■

» возможностью расширения сферы автоматизированного проектирования и исследования за счет интуитивного (естественного с син-^ таксической и семантической точек зрения) взаимодействия пользователя с автоматизирующим приложением.

Реализация и внедрение результатов исследований.

Представляемая работа выполнялась в рамках НИР по межвузовской научно-технической программе "Перспективные информационные технологии в высшей школе", подпрограмма "Информатизация проектирования", гранта по фундаментальным исследованиям в области автоматики и телемеханики, вычислительной техники, информатики, кибернетики, метрологии, связи.

Основные теоретические и практические результаты работы реализованы в виде компьютерной технологии, которая внедрена в качестве подсистемы автоматизированного проектирования АСУ ТП в АО "ЗАРУБЕЖЭНЕРГОПРОЕКТ", а также в учебный процесс на кафедре "ВТ и САПР" ИГЭУ (курсовое и дипломное проектирование). Кроме того, разработанная технология испытана при выполнении НИР в области автоматизации проектирования и исследования цифровых САУ электроприводами на кафедре "Электроника и микропроцессорные системы" ИГЭУ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Международной конференции по искусственному интеллекту Всесоюзной ассоциации по искусственному интеллекту, Тверь, 1992 г., Международных научно-технических конференциях "Состояние и перспективы развития электротехнологии", Иваново, 1992, 1994, 1997 гг.,

Всероссийской конференции по актуальным проблемам математического моделирования, Иваново, 1994 г., Международной научно-технической конференции "Современное состояние, проблемы и перспективы развития Российской экономики", Иваново, 1996 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ.

Структура и объем работ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 125 наименований и включает 166 страниц основного текста, 50 рисунков, 4 таблицы, а также 11 приложений на 70 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена анализу известных средств автоматизации проектирования и исследования, а также постановке цели работы. Ее основное содержание отражено выше в разделах "Актуальность", "Цель работы" и "Методы исследования".

Во второй главе описывается предлагаемая концепция системного метамодел ирования.

Анализируется тезис о том, что с помощью компьютера при проектировании и исследовании всегда решается одна обобщенная задача: моделируется процесс преобразования некоторой начальной системы в конечную. Рассматривается системология Дж.Клира как универсальный формальный аппарат представления систем (в том числе моделей решения системных задач). Формулируются вытекающие из нее принципы унификации механизмов и объектов проектирования и исследования: 1) любое конкретное понятие из области проектирования и исследования может быть обобщено в формальное понятие из области систем Дж.Клира; 2) по конструктивному описанию процесса проектирования или исследования можно получить обобщенную порождающую систему Дж.Клира; 3) имитация обобщенной порождающей системы может быть проинтерпретирована как воспроизредение конкретной динамической системы (в частности, процесса проектирования или исследования).

Делается вывод о возможности создания инвариантной компьютерной технологии, позволяющей ставить и решать прикладные задачи автоматизированного проектирования и исследования на одной концептуальной, математической и программной платформе, ядро которой составляет аппарат обобщенных систем Дж.Клира. Однако, в связи с ориентацией на компьютерное применение, а не на теоретический анализ, этот аппарат необходимо модифицировать. Ему нужно придать вычислительно эффективно обрабатываемую форму и включить в него операции преобразования обобщенных систем. Кроме того, необходимо обеспечить автоматизированную поддержку канала абстрагирования/конкретизации, без чего данный обобщенный аппарат непригоден

для практики реального проектирования и исследования.

Предлагаются общие принципы организации компьютерной технологии системного метамоделирования:

1. Применение формального аппарата обобщенных систем для унификации внутренних представлений моделируемых систем, а также механизмов их преобразования.

2. Использование аппарата формальных грамматик при спецификации трансляторов проблемно-ориентированных форм описания (ПОФ) для обеспечения автоматического перевода внешних представлений систем во внутреннюю обобщенную форму. Внутреннее представление формальных грамматик в виде унифицированных обобщенных систем.

3. Поддержка преобразования внутренних моделей обобщенных систем. Цели преобразования: 1) изменение моделируемой системы; 2) придание модели вычислительно интерпретируемого вида. Формы преобразования: 1) трансформация - изменение модели внешней вычислительной моделью (трансформатором); 2) интерпретация - определение элементарного понятия одной модели через понятие другой модели (интерпретатора).

4. Построение вычислительной модели обобщенной системы (исполнимого кода) при условиях, что она является порождающей системой (по Дж.Клиру) и функция порождения вычислима.

5. Ориентация на два типа пользователей: 1) системного специалиста, задающего технологические знания в ходе создания приложения (средства решения класса задач); 2) проблемного специалиста, передающего прикладные знания при решении конкретной задачи.

На рис. 1 приведена схема ТСМ.

СОЗДАНИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

Анализ порций технологических и прикладных знаний (моделей) / определение форм их описания и схем взаимодействия

Разработка спецификаций трансляторов определенных форм описания моделей

Ввод технологических моделей

ПОСТАНОВКА КОНКРЕТНОЙ ЗАДАЧИ

г1

Выбор приложения

и

Ввод прикладное модели

РЕШЕНИЕ КОНКРЕТНОЙ ЗАДАЧИ

Построение программного образа прикладной модели

V

Управляемая имитация прикладном модели

Рис. 1. Схема технологии системного метамоделирования

Предлагается логическая структура программных средств ТСМ (рис. 2). Показывается соответствие их функциональных возможностей принципам системного метамоделирования.

Анализируется возможность расширения и самоорганизации компьютерной ТСМ. Делается вывод о том, что заложенный в нее принцип унификации всех входных и порождаемых знаний в виде однотипных моделей обобщенных систем позволяет определить множество знаний о самой технологии в том же виде, что и прикладные знания. При этом

процесс изменения технологии может быть представлен как одна из моделей некоторого ее приложения.

Рис. 2. Логическая структура программных средств ТСМ

Третья глава посвящена разработке и исследованию математических средств предлагаемой ТСМ: формализма представления и преобразования обобщенных систем SW5 и формализма спецификации грамматик проблемных языков SG.

Дается детальное определение формальной системы SWG, которую укрупненно можно представить следующим образом:

SWG =(Model,Osynt,Oan), где Model - модель обобщенной системы; Osynt,Oan - операции синтеза и анализа Model.

Model = (МГ,Р,ЕТ,Е,SetE,Tr,In,LogPr,FisPr) . Здесь MT - множество типов значений проявлений свойств обобщенной

системы; Р - полюсы, отображающие значения и связи переменных и параметров обобщенной системы; ЕТ - множество сущностей-типов, определяющих полюсную организацию сущностей и способ их вычислительной интерпретации; Е- множество сущностей (сущностей-образцов); SetE- множество наборов сущностей (подграфов); Тг- упорядоченный список трансформирующих моделей; In- упорядоченный список интерпретирующих моделей; LogPr- логическая программа; FisPr - физическая программа.

Ключевым понятием в SWG является сущность. Множество сущностей, составляющих SWG-модель, можно определить так:

Е={еI е= (et, РЕ,ESt,ES, Parent,ChOr,ChAnd,Fract)},

где et - тип сущности; РЕ- множество полюсов сущности; ESt - вектор описания координат сущности в пространстве иерархической структуры модели; ES - вектор семантических признаков (координат в пространстве понятий обобщенных систем); Parent, ChOr, ChAnd - упорядоченные списки родителей, "ИЛИ" и "И" детей данной сущности; Fract - определение раскрывающей сущности, являющейся верхушкой рекурсивной структуры.

Множество операций синтеза и анализа моделей обобщенных систем включает следующие операции: 1) создание и удаление сущности-типа, сущности, связи; 2) установку значения полюса сущности; 3) создание и удаление множества сущностей; 4) включение и исключение сущности из множества сущностей; 5) получение информации о сущности-типе, сущности, связи сущности, значении полюсов сущности, семантических признаках сущности, множествах сущностей, элементах множеств сущностей.

Анализируется адекватность SWG как формализма представления и преобразования систем, исследуются вопросы его конструктивности (вычислимости и эффективности). В качестве методологического принципа такого анализа выступает сопоставление SWG с известными и популярными сегодня формализмами системного моделирования: системами Дж.Клира, агрегатами, графами, автоматами, сетями (типа Петри), а также с современными технологиями программирования и стандартами системной интеграции. Показывается возможность адекватного перевода моделей систем, представляемых в данных формализмах в форму SWG и обратно. Делается вывод о том, что SWG позволяет адекватно представлять классы систем, описываемых этими формализмами, что определяет широту сферы его применения и преемственность. Кроме того, анализ показывает родство БШ с абстракциями программирования. При этом его можно рассматривать как универсальный объект (данные + методы), решающий основные задачи, связанные с организацией вычисле-

ний. В этом смысле SlflG выступает как идеологическое развитие известных стандартов системной интеграции: Neutral format, STEP, COM, OLE. На основании всего этого делается вывод о высокой адекватности и конструктивности разработанного формализма SVG.

Далее подробно описывается разработанный формализм спецификации грамматик проблемных языков SG. Укругшенно он представляется следующим образом:

SG = (V,P,C,0,J,F,W,I,R,Cl,S,<p>yf),

где V - словарь основных терминальных символов; Р - конечное множество зависящих от семантики терминальных символов (их значение определяется текущим состоянием семантического мира £2); С - словарь символов-контекстов; О- конечное множество терминальных символоз контекстных операций над С\ J- конечное множество терминальных символов семантических операций; F - словарь фрактальных терминальных символов; W - словарь нетерминальных символов; I - начальный символ; R - конечное множество продукций; Q - семантический мир (модель, определенная на S); S - семантика, в качестве которой выступает SIG; <p\L(SG) -> S - интерпретирующее отображение; у/ - функция семантического управления выводом.

«^'.uí'.uí'-uí'i Uí'i;

R\\ А-* а, а е(КиОи JkjFKJW)'-,

R1,: а А, а е F;

RА А I7Í, а е V и Р и О и F kj Г;

Л1,: (а = ijBf, 3iíV. {В-+ р, р=* Ао{с)ц, о еО, с еС, А) = True)) => аЛ ааг;

Л1,: (ЛГг(А) = True) => А а.

Здесь R2 - продукции чистых нерекурсивных КС-грамматик, продукции, учитывающие рекурсию и возможное отсутствие символов; R1- продукции, учитывающие синтаксический и семантический контекст; М,- функции оценки истинности синтаксических и семантических контекстов символов; признак принадлежности символа к классу возможно отсутствующих.

Анализируются свойства разработанной формальной системы SG и дается ее характеристика как класса формальных грамматик: контекстно свободная грамматика с механизмами контекстного (синтаксического) и семантического управления выводом, встроенной семантикой, определенной на множестве понятий SWG, возможностью включения потоковых компонентов в функции отображения синтаксических объектов на семантические.

Далее анализируется множество специфицируемых (порождаемых) грамматик проблемных языков G = <p(L(SG)). Показывается, что это

множество перечислимо и может быть упорядочено в диапазоне от чистых КС-грамматик до грамматик, изоморфных самой формальной системе спецификации Бй:

В контексте выдвинутого ранее требования проблемной инвариантности предлагаемой технологии исследуется вопрос о возможности итерационного развития и каскадного расширения лингвистического пространства технологии. Выделяются соответствующие задачи определения и самоопределения (порождения и самопорождения) грамматик в следующем виде.

С2 =?'(£(<?')), С3 =ч>г{Ь(Сг)),..., <7- ^-'(ДС-')), где О, - грамматика, полученная на 1-м уровне порождения относительно в,; С' - грамматика, полученная на ¿-й стадии самопорождения относительно С. В связи с возможностью описания на базе грамматик, эквивалентных по мощности БО, данные задачи являются разрешимыми.

Анализ показывает, что разработанная формальная система спецификации грамматик проблемных языков Бй позволяет конструировать практически неограниченное для реальных задач лингвистическое пространство с унифицированной семантикой, определенной в терминах обобщенных систем

Четвертая глава посвящена разработке компьютерной технологии системного метамоделирования БтИоги, реализующей предложенную концепцию системного метамоделирования на базе математического аппарата БИЙ и Бй.

Описывается структура программной системы БшИогМ и технологические принципы организации основных ее компонентов. Центральное место занимает подсистема (ПС) реализации БЖ, Это определяется той особой ролью, которая принадлежит данному формализму в предлагаемой технологии. ПС супертрансляции поддерживает механизмы перевода входных описаний с проблемных языков в форму БШ-моделей с автоматической проверкой корректности описаний и соответствующей диагностикой. В основе ее работы лежит разработанный формализм спецификации грамматик Бй. При ее разработке была создана лингвистическая форма Бй в виде базового языка спецификации, являющаяся модифицированной формой Вэкуса-Наура. ПС создания и поддержки блочно-графических (схемных) языков обеспечивает возможность создания пользователем своего схемного языка, описания на этом языке моделей и их формализацию в Б¥С-модели. Базовые механизмы системных транс-

формаций- объединение базовых механизмов преобразования SWG и набора процедур общезначимых системных преобразований, включающего: декомпозицию и агрегирование сущности, проецирование связей, локализацию структур, вытягивание в цепочку параллельных структур. Для обеспечения возможности реализации прикладных системных трансформаторов на основе этих механизмов был разработан базовый язык описания трансформаторов. Он имеет процедурную форму представления последовательности трансформаций и функциональную форму описания их параметров. ПС компиляции осуществляет генерацию исполнимого кода SWG-модели порождающей системы. При этом она контролирует вопросы полноты и непротиворечивости модели, а также поддерживает механизмы интерпретации невычислимых символов одной модели вычислимыми символами другой. ПС управления имитацией позволяет пользователю в режиме диалога осуществлять оперативное управление процессом имитации. ПС поддержки параллельной имитации обеспечивает возможность имитации моделей (в общем случае взаимодействующих) в параллельном режиме. ПС управления средой SWG-моделей позволяет пользователю и имитируемым моделям управлять составом, отношениями и состоянием моделей среды. Базовые вычислительные ресурсы представляют - собой набор библиотек типовых процедур (арифметико-логические операции, математические функции, методы 3D-моделирования и т.п.), которые могут потребоваться при разработке практически любого приложения SimWorld. Для обеспечения возможности корректировки и расширения базовых вычислительных ресурсов (за счет методов DLL, прямых адресов и ссылок на вычислительно элементарные сущности) используется ПС развития SWG. ПС графического ведения SWG-моделей позволяет в графической форме отображать и корректировать SWG-модели. ПС отображения данных поддерживает их табличную и графическую интерпретацию. Монитор организует диалоговое взаимодействие с пользователем и управление всеми ПС.

В пятой главе рассматриваются вопросы практического применения разработанной компьютерной технологии SimWorld, анализируется ее место среди современных средств автоматизации проектирования и исследования, указываются перспективные направления ее развития.

Описывается пример создания конкретного приложения, IMC, представляющего собой Паскале-подобный язык со встроенными методо-ориентированными средствами параллельного моделирования. Его назначение: 1) анализ динамических систем на имитационных моделях с возможностью многошаговых управляемых экспериментов; 2) параметрический и структурный синтез динамических систем. В качестве рассматриваемых объектов выступают дискретно-непрерывные нелинейные динамические системы, описываемые на следующих языках: 1) обыкновенных дифференциальных уравнений; 2) направленных струк-

турных схем в терминах ТА.У; 3) направленных структурных схем в терминах систем массового обслуживания; 4) функциональных зависимостей; 5) алгоритмическом Паскале-подобном; 6) языке разностных уравнений; 7) графическом языке направленных структурных схем. Возможность расширения/модификации DMC конечным пользователем распространяется на базовые элементы, входные языки, схему алгоритмизации. Подробно описывается технология создания данного приложения, приводятся спецификации языков и описание DMC-планировщика вычислительных моделей.

Рассматривается пример использования DMC для параметрического синтеза цифровой САУ поддержания соотношения скоростей электропривода ДПТ с фотоимпульсными датчиками скорости. Модель параметрического синтеза представляет собой трехуровневое описание. На первом описывается модель САУ в терминах направленных структурных схем ТАУ для непрерывно-дискретной части САУ и в виде алгоритмических описаний для цифровой системы управления. На втором уровне находится процедурное описание серии экспериментов, управляемых по значению коэффициента регулятора соотношения скоростей и вычисляющих отдельные показатели качества (перерегулирование, количество колебаний, время переходного процесса), а также обобщенный показатель качества для различных значений весовых коэффициентов. На третьем уровне на процедурном языке описывается процесс выбора наиболее информативной формы обобщенного показателя качества, определяется оптимальный коэффициент синтезируемого регулятора и осуществляется контрольная прогонка модели САУ с данным коэффициентом.

На этих примерах проводится анализ применения SimWorld. Делается вывод о том, что при разработке такого сложного приложения, как DMC, достигнут существенный эффект, проявляющийся в оперативности создания (2 чел.-мес.), компактности описаний (24 Кбайт текста) и их наглядности. Констатируется широта области естественности (проблемной ориентированности) системы языков DMC, сочетающаяся с вычислительной эффективностью имитации, открытостью данного приложения для расширения под новые требования конечных пользователей.

Отмечается ухудшение временных характеристик супертранслятора (до 10 раз) по сравнению с современными специализированными трансляторами (Borland Pascal, С). Однако этот недостаток практически не сказывается вследствие обеспечиваемой возможности компактного описания моделей.

Область универсальности разработанной системы SimWorld, где она может рассматриваться как инвариантное средство автоматизации проектирования и исследования, включает объекты, формализуемые в

терминах ОС Дж.Клира, агрегативных систем, графов, сетей, автоматов, структурного и объектного программирования при условии описания этих объектов на языках, порождаемых грамматикой БС. Отмечается, что моделирование систем с переменной структурой, семантика отношений элементов которых меняется на этапе трансформации модели, в существующей версии может поддерживаться только при явном введении в соответствующие приложения механизмов корректных изменений вычислительной модели обобщенной системы (за счет избыточности описания базовых объектов, дополнительных ограничений и т.д.).

Обосновывается возможность реализации с помощью БшИГогЫ таких приложений, которые могут поддерживать любое из традиционных направлений автоматизации проектирования и исследования: универсальные языки программирования, универсальные языки со встроенными средствами проектирования и исследования, САБЕ-средства, методо-ориентированные и проблемно-ориентированные средства.

Свойства, присущие ¡ЗЗ-шЙ'огШ, такие как возможность качественного ускорения процессов создания сложных программных средств системного моделирования; способность оперативного создания естественных форм описания знаний; простота интеграции моделей; непрерывная поддержка единого унифицированного формального декларативного представления моделей; эффективная реализации программных образов моделей; поддержка управляемой параллельной имитации; компактность входных описаний моделей, позволяют БшИогЫ выступать удобным средством автоматизации в различных сферах науки и техники, связанных с проектированием, исследованием и управлением в области сложных систем.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1.Разработана концепция системного метамоделирования, позволяющая унифицировать объекты проектирования и исследования в виде инвариантных обобщенных систем, а процедуры проектирования и исследования - в виде инвариантных механизмов системного метамоделирования, Предложенная концепция ориентирована на реализацию средств автоматизированного проектирования и исследования сложных систем в виде приложений инвариантной компьютерной технологии системного метамоделирования.

2. Разработана формальная система представления и преобразования обобщенных систем БЮ, ориентированная на широкий класс объектов. В этот класс входят объекты, формализуемые в терминах обобщенных систем Дж.Клира, агрегативных систем, графов, сетей, автоматов, структурного и объектного программирования. БЮ позволяет сочетать декларативность внутреннего унифицированного представления моделей систем с вычислительной эффективностью их преобразования.

3. Разработана формальная система спецификации грамматик проблемных языков Бй, позволяющая автоматически строить трансляторы с этих языков для перевода входных описаний во внутреннее представление обобщенных систем в форме БУЮ. Создание языка Бй в виде модифицированной формы Бэкуса-Наура, реализация механизмов контекстного и семантического управления выводом, а также поддержка возможности включения потоковых компонентов в функции отображения синтаксических объектов на семантические позволяют специфицировать грамматики в наглядной и компактной форме. Способность Бй к самоопределению обеспечивает каскадность расширения и итерацион-ность развития лингвистического пространства технологии системного метамоделирования.

4. Разработана компьютерная технология системного метамоделирования, на практике воплощающая предложенную концепцию системного метамоделирования. Ядро данной компьютерной технологии составляют принципы реализации следующих механизмов метамоделирования: супертрансляции, трансформации, компиляции, управляемой параллельной имитации и взаимодействия моделей обобщенных систем.

5. Разработана программная система БшИогМ, реализующая предложенную компьютерную технологию системного метамоделирования.

6. Компьютерная технология системного метамоделирования испытана при выполнении НИР в области автоматизации проектирования и исследования САУ электроприводами. Полученные характеристики степени автоматизации, интуитивности и гибкости свидетельствуют об эффективности созданных средств.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ноговицын В. Е. БшУГогЫ. Концепция интеллектуализации инвариантных средств САПР и АСНИ // Сб. науч. трудов III конференции по искусственному интеллекту советской ассоциации по искусственному интеллекту.-Тверъ, 1992.-Т. 2.-С. 68-71.

2. Ноговицын В. Е. Б1т1ог1с1. Интеллектуализация автоматизированных процессов анализа и синтеза сложных систем // Состояние и перспективы развития электротехнологии: Тез. докл. международной науч.-техн. конф., 26-28 мая: Шестые Бенардосовские чтения / ИЭИ,- Иваново, 1992.-С. 39.

3. Ноговицына Т. Н., Ноговицын В. Е. Программно-лингвистические средства проблемной настройки системы Б1пДОог1с1 // Состояние и перспективы развития электротехнологии: Тез. докл. международной науч.-техн. конф., 25-27 мая: Седьмые Бенардосовские чтения / ИГЭУ.- Иваново, 1994.-Т. 1.-С. 32.

4. Дурдин М. Ю., Никоноров Н. В., Ноговицын В. Е., Ноговицына Т. Н., Нуждин В. Н., Нуждин А. В., Пантелеев Е. Р., Таланов С. Б. Интегрирован-

ная среда исследования и проектирования технических систем на базе интеллектуальной программирующей оболочки йшИогЫ // Решма-93: Тез. докл. Всероссийской конф. по актуальным проблемам математического моделирования.-Иваново, 1994.-С. 30-31.

5. Ноговицын В. Е. Технология метамоделирования йшйогЫ как средство автоматизации исследования, проектирования и управления в области сложных экономических систем // Современное состояние, проблемы и перспективы развития Российской экономики: Тез. докл. международной науч.-техн. конф., 27-28 марта: Кондратьевские чтения / ИГЭУ .-Иваново, 1996.-С. 125-127.

6. Ноговицын В. Е., Ноговицына Т. Е. Среда экономического полимоделирования на основе БшЮогМ-технологии для автоматизации управления Ивановским регионом // Современное состояние, проблемы и .перспективы развития Российской экономики: Тез. докл. международной науч.-техн. конф., 27-28 марта: Кондратьевские чтения / ИГЭУ,-Иваново, 1996.-С. 127-129.

7. Ноговицын В. Е., Желнов М. П. Средства логического программирования и ведения дедуктивных баз данных в системе 81ш1Ког1с1 // Восьмые Бенардосовские чтения: Тез. докл. международной науч.-техн. конф., 4-6 июня / ИГЭУ.-Иваново, 1997.-С. 47.

8. Ноговицына Т. Е., Ноговицын В. Е. Автоматизированная среда моделирования динамических систем БМС на базе ЗшИогЫ-технологии // Восьмые Бенардосовские чтения: Тез. докл. международной науч.-техн. конф., 4-6 июня / ИГЭУ.-Иваново, 1997.-С. 53.

9. Ноговицын В. Е., Тридцатое А. Н. Визуальное моделирование в приложениях ЗшЖогЫ-технологии // Восьмые Бенардосовские чтения: Тез. докл. международной науч.-техн. конф., 4-6 июня / ИГЭУ.-Иваново, 1997.-С. 54.

10. Ноговицын В. Е., Ноговицына Т. Е., Грибанов А. В., Данилин И. А. Создание современных автоматизированных систем обучения с использованием БшКогЫ-технологии на примере приложения "МЕХАНИКА" // Восьмые Бенардосовские чтения: Тез. докл. международной науч.-техн. конф., 4-6 июня / ИГЭУ.-Иваново, 1997.-С. 58.

11. Еремеев А. В., Софроиов С. В., Ноговицына Т. Е., Ноговицын В. Е. Создание комплекса для проектирования микропроцессорных систем управления // Восьмые Бенардосовские чтения: Тез. докл. международной науч.-техн. конф., 4-6 июня / ИГЭУ.-Иваново, 1997.-С. 203.