Разработка методов и средств проектирования математического и программного обеспечения для исследования сложных объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.11, кандидат технических наук Герасимов, Дмитрий Александрович

• Герасимов, Дмитрий Александрович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Герасимов, Дмитрий Александрович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов и средств проектирования математического и программного обеспечения для исследования сложных объектов»

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.

Заключение диссертации по теме «Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей», Герасимов, Дмитрий Александрович

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.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Герасимов, Дмитрий Александрович, 2010 год

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.