Цена доставки диссертации от 500 рублей 

Поиск:

Каталог / ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ / Математика

Программные средства моделирования динамически изменяющейся структуры параллельных систем

Диссертация

Автор: Борейша, Юрий Евгеньевич

Заглавие: Программные средства моделирования динамически изменяющейся структуры параллельных систем

Справка об оригинале: Борейша, Юрий Евгеньевич. Программные средства моделирования динамически изменяющейся структуры параллельных систем : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 01.01.10 Киев, 1984 164 c. : 61 85-1/2159

Физическое описание: 164 стр.

Выходные данные: Киев, 1984






Содержание:

1 АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНИВАНИЯ ТОЧНОСТНЫХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОДСИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЙ АСНИ РАБОТАЮЩИХ В ДИНАМИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ
11 Анализ типовых структур подсистем измерений
12 Анализ типовых алгоритмов работы подсистем измерений
13 Метрологическая модель подсистем измерений
131 Метрологическая модель подсистем измерений в статическом режиме при условии идеальности функций преобразования компонентов
132 Метрологическая модель подсистем измерений в статическом режиме при условии неидеальности функций преобразования компонентов
133 Метрологическая модель подсистем измерений в динамическом режиме
14 Обоснование выбора точностных и динамических характеристик подсистем измерений АСНИ, исследуемых методами имитационного моделирования
Выводы
2 ФОРМАЛИЗАЦИЯ ПРОБЛЕМНОЙ ОБЛАСТИ
21 Общая структура предметной области
22 Анализ предметной области
221 Анализ структуры передачи информации
222 Анализ структуры управления
223 Структура дискретно-событийной модели функционирования
23 Характеристика проблемной области
Выводы
3 ОБЪЕКТНАЯ МОДЕЛЬ ПРОБЛЕМНОЙ ОБЛАСТИ
31 Общая характеристика объектной модели предметной области
32 Определение множества классов объектов
33 Описания классов простых объектов
331 Объекты класса "Время"
332 Объекты класса "Величина физическая измеряемая"
333 Объекты класса "Величина физическая влияющая"
334 Объекты класса "Преобразователь измерительный первичный"
335 Объекты класса "Преобразователь измерительный промежуточный"
336 Объекты класса "Линия связи"
337 Объекты класса "Коммутатор аналоговых сигналов"
338 Объекты класса "Аналогово-цифровой преобразователь"
339 Объекты класса "Программный компонент, вычисляющий оценки измеряемой физической величины"
3310 Объекты класса "Программный компонент буферизующий"
3311 Объекты класса "Программный компонент, обслуживающий коммутатор аналоговых сигналов"
3312 Объекты класса "Программный компонент, обслуживающий аналогово-цифровой преобразователь"
3313 Объекты класса "Программный компонент управляющий"
3314 Объекты класса "Программный компонент управляющий с планированием запуска по времени"
34 Объекты класса "Программно-управляемые подсистемы измерений" ,
35 Определение допустимых отношений между объектами различных классов
36 Характеристика объектной модели проблемной области
37 Принципы построения объектных моделей конкретных подсистем измерений
Выводы
4 РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ОЦЕНИВАНИЯ ТОЧНОСТНЫХ И ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОДСИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЙ АСНИ
41 Анализ методов имитационного моделирования сложных систем
411 Моделирование компонентов подсистем измерений и отношений между ними
412 Моделирование динамики функционирования
42 Объектно-ориентированная система ООО ПСИ
421 Общая характеристика
422 Подсистема трансляции
423 Подсистема имитационного моделирования ,
4231 Принцип действия событийного монитора
4232 Библиотека базовых функций
4233 Принцип регистрации результатов имитационного эксперимента
424 Подсистема отладки
425 Подсистема оценивания и отображения статистических характеристик
426 Подсистема генерации шаблонов описаний 427 Применение методики исследования точностных и динамических характеристик подсистем измерений АСНИ средствами ООС ПСИ
43 Пример применения предложенных методов и средств оценивания точностных и динамических характеристик при проектировании реальных подсистем измерений
431 Краткая характеристика задачи
432 Построение объектной модели
433 Результаты оценивания точностных и динамических характеристик
Выводы

Введение:
Актуальность темы диссертационной работы. В последние десятилетия во всех областях человеческой деятельности получили огромное распространение технические системы, функционирование которых основывается на измерительном эксперименте /87/. К таким системам относятся, например, информационно-измерительные системы /123/, системы телеизмерений /31/, системы контроля и диагностики, АСУ ТП, АСНИ и пр.Необходимыми компонентами подобных систем являются средства измерений. На текущий момент времени концепция измерения основывается на том факте, что средства измерений являются преимущественно цифровыми.По сравнению с аналоговыми средствами измерений это позволяет существенно расширить функциональные возможности средств измерений, улучшить их технические характеристики, сократить сроки и стоимость разработки средств измерений и т.д.Номенклатура современных цифровых средств измерений весьма широка, разнообразны и варианты их построения. Например, в работе /140/ предлагается следующая классификация современных цифровых средств измерений: - автономные цифровые средства измерений (например, цифровые тестеры, осциллографы и пр.); - средства измерений, управляемые внешним компьютером; - средства измерений со встроенным компьютером; - средства измерений на основе компьютера (например, так называемые "виртуальные" /145/ и "слепые" приборы /89/); - средства измерений в составе компьютера (например, съемные "измерительные платы" на системной шине ПЭВМ).Современный уровень развития средств вычислительной техники предполагает преимущественно модульный принцип построения средств измерений /89/. Принцип модульности предусматривает построение цифровых средств измерений в виде множества типовых аппаратных компонентов (таких как датчики, аналогово-цифровые преобразователи, коммутаторы и пр.), а также типовых алгоритмов сбора и обработки данных. Этот принцип нашел свое выражение в магистрально-модульной архитектуре цифровых средств измерений, реализованной за последние десятилетия во множестве стандартов - САМАС, СОМРЕХ, УМЕ /100/, VXI /33,62/ и пр.Необходимый уровень проблемной ориентации средств измерений на основе магистрально-модульных систем в недалеком прошлом обеспечивался за счет выпуска специализированных информационно-вычислительных комилексов /20,40.71,73.75,120/. В настоящий момент определящим является подход, предусматривающий выпуск широкой номенклатуры типовых аппаратных компонентов, совместимых на многих уровнях (логическом, информационном, электрическом и пр.), чем обеспечивается простая и быстрая "сборка" на их основе многочисленных типовых конфигураций. Более того, логическим продолжением данного подхода явилось широкое использование "мезонинной архитектуры" /9/ аппаратных компонентов средств измерений.Этот подход получил наименование концепции "открытых систем" в автоматизации /102/ или концепции "системной интеграции" в автоматизации /80.106/.Тем не менее, при всем многообразии вариантов построения цифровых средств измерений общим в большинстве случаев является наличие программного управления процессом сбора измерительной информации. Под программным управлением понимается управление, реализуемое полностью или частично программными средствами (операционными системами реального времени и (или) программами пользователя). Такие средства измерений носят название программно-управляемых измерительных систем /2/ или процессорных измерительных средств /128/.Элементарный анализ вышеприведенного перечня позволяет сделать естественное предположение о том, что особенности решаемых задач не могли не найти своего отражения на технической структуре АСНИ. Действительно, разрешение практически всех задач, возлагаемых на АСНИ (кроме, может быть, задач исследования в области общественных наук), возможно только при использовании достаточно узкого класса средств измерений, а именно - при использовании программно-управляемых измерительных систем реального времени. При этом часто речь идет не просто о "реальном времени", но о "жестком реальном времени" /3/.Общепринятой практикой при построении программно-управляемых измерительных систем реального времени является выделение в их составе специализированных подсистем, на которые возлагаются функции сбора данных и получения оценок информативных параметров исследуемых объектов, а именно - подсистем измерений /2,85,123/.Проблема синтеза и анализа методов и средств сбора и обработки измерительной информации нашла свое отражение в работах В.А. Виттиха, В. В. Липаева. А. Прохорова, В. А. Свириденко, Б. Я. Советова, М.П. Цапенко. Ь. Р1пке181а1п, Н. ЗПитп! и др.Появление и развитие программно-аппаратной структуры средств измерений, основанной на принципе программного управления, породило ряд специфических проблем. Одна из них состоит в сложности определения метрологических характеристик программно-управляемых измерительных систем, особенно - в динамическом режиме измерений.В /67,82/ регламентируются способы оценивания метрологических характеристик измерительных систем по метрологическим характеристикам их компонентов. При этом предполагается, что измерительная система представляет собой множество независимых по управлению измерительных каналов, функционирующих в статическом или динамическом режиме измерений.Данный подход представляется недостаточным, поскольку не учитывает того факта, что измерительная система не является "арифметической суммой" составляющих ее измерительных каналов. Например, в работах /4,32/ показывается, что погрешность измерений в информационно-вычислительных комплексах, вызванная неточностью датирования отсчетов, может по числовому значению существенно превосходить оценку, рассчитанную по стандартным методикам.В то же время, как известно, метрологические характеристики средств измерений (и, в частности, метрологические характеристики программно-управляемых измерительных систем) должны обязательно нормироваться с целью обеспечения возможности решения целого ряда вопросов. связанных с применением и проектированием средств измерений /22/.Таким образом, задача разработки методов и средств определения метрологических характеристик программно-управляемых измерительных систем, а особенно - метрологических характеристик подсистем измерений АСНИ, остается актуальной и практически необходимой.Работы в этом направлении ведутся уже давно. Можно отметить вклад в проблему определения метрологических характеристик программно-управляемых измерительных систем В.И. Орищенко, B.C. Соболева, Г.Н. Солопченко, Э.И. Цветкова, Г.П. Шлыкова, J. Plotrovsky и др. В последнее время отмечается новый всплеск интереса к проблеме /58/, связанный прежде всего с ростом номенклатуры производимых типовых компонентов средств измерений и увеличением количества возможных интегрированных решений на их основе.Как уже указывалось ранее, составной частью программно-управляемых измерительных систем, входящих в состав АСНИ реального времени, является подсистема измерений. На ранних этапах проектирования АСНИ (например, на стадии эскизного проектирования) первостепенную важность приобретает знание не полного комплекса нормируемых метрологических характеристик, но ряда частных характеристик, таких как, например, полная погрешность измерений в подсистеме измерений, представимая в виде совокупности своих составляющих.Для оценивания метрологических характеристик средств измерений применяются три класса методов /2,85,104/.1. Экспериментальные.2. Расчетные.3. Методы имитационного моделирования.Экспериментальные методы базируются на определении метрологических характеристик по результатам натурного эксперимента с реально существующими средствами измерений. Эти методы обеспечивают максимальную степень точности и достоверности оценивания, но требуют существенных материальных и временных затрат.Расчетные методы базируются на аналитическом определении метрологических характеристик средств измерений по метрологическим характеристикам компонентов, входящих в состав средств измерений. Эти методы фиксируются в нормативных документах /22,23,65,66,67,81,82/. требуют невысоких материальных затрат и обеспечивают наглядность результатов.Но им присуща ограниченная область применения, обусловленная прежде всего теоретической неразрешимостью некоторых задач (например, задач оценивания метрологических характеристик средств измерений в динамическом режиме измерений с учетом наличия программного управления процессом сбора измерительной информации).Под методами имитационного моделирования будем понимать методы, которые основаны на воспроизведении процесса функционирования исследуемой системы и ее компонентов с использованием ЭВМ /10,11,68,104,133/.Раздельное и (или) совместное применение расчетных методов допускается рядом нормативных документов /22,67,82/. Возможность же примения методов имитационного моделирования для решения практических задач нормативными документами не оговаривается, поэтому они могут использоваться только при решении исследовательских задач.Область применения этих методов очень широка. Методы имитационного моделирования позволяют при сравнительно невысоких материальных и временных затратах (по сравнению с натурными методами) производить оценивание интересующих параметров исследуемых объектов с учетом таких особенностей их функционирования, каковые не могут быть учтены при использовании рассчетных (аналитических) методов.Отметим также основные недостатки методов имитационного моделирования.Как правило, оценивание интересующих параметров исследуемого объекта (параметрическая идентификация) после построения имитационной модели выполняется с использованием технологии статистических испытаний.Но как отмечается в /10/, теоретически сколь угодно высокая степень точности и достоверности результатов достижима лишь при условии стремящегося к бесконечности числа статистических испытаний (прогонов).Практически же реализуемые значения точности и достоверности результатов статистических испытаний относительно невысоки; подчас для их достижения требуются специфические методы обработки статистических выборок /78,92/; применение данного подхода обязательно предполагает проведение специальных исследований качества полученных результатов (либо сами алгоритмы реализации статистических испытании долны включать средства "управления качеством").Кроме того, традиционный подход к применению методов имитационного моделирования связан с существенными трудностями при построении оригинальной имитационной модели, обусловленными необходимостью подробной разработки априорной концептуальной модели исследуемого объекта и описания ее не в терминах соответствующей предметной области, но в терминах конкретного средства моделирования (например, в виде множества "потоков транзактов" /138/).Несмотря на указанные недостатки, эти методы широко применяются и для моделирования средств измерений (в том числе и с целью определения их метрологических характеристик) /52,127,130,131,132/. Применение методов имитационного моделирования оправдано, например, на различных этапах проектирования средств измерений с целью быстрой оценки качества различных проектных решений.Вместе с тем, проблеме оценивания метрологических характеристик программно-управляемых измерительных систем в динамическом режиме измерений при помощи методов имитационного моделирования практически не уделяется должного внимания. В /130,131/ отмечалась актуальность данной проблемы и анализировались основные подходы к ее решению. Тем не менее, по нашим сведениям, до сих пор попытки создания реально действующих систем оценивания метрологических характеристик программно-управляемых измерительных систем в динамическом режиме измерений с использованием методов имитационного моделирования являются единичными /83-85. 99/.В разрешение проблем, связанных с разработкой теории и методов имитационного моделирования сложных систем, к которым можно отнести и средства измерений, большой вклад внесли И.П. Бусленко, И.В. Максимей, Когп Granlno А., Neylor Т. и др.Остановимся подробней на недостатке методов имитационного моделирования, связанном с необходимостью описания имитационной модели в терминах средства моделирования. Особенно сильно он проявляется при использовании мощных универсальных средств имитационного моделирования, каковьми, например, являются GPSS /132,138/ или SIMSCRIPT /72/.Этот недостаток является существенным и оказывает большое негативное влияние на распространенность методов имитационного моделирования при решении проблем оценивания характеристик сложных систем /101/.Таким образом, актульной является задача разработки проблемно-ориентированных средств, использующих методы имитационного моделирования. Сформулируем ряд требований, удовлетворяющих современным взглядам на потребительские качества проблемно-ориентированных средств моделирования /101,110/: - наличие входного языка описания модели, максимально адекватного предметной области и обеспечивающего наглядность ее представления; - простота использования системы специалистом в конкретной предметной области, не являющегося программистом; - мощность и универсальность средства моделирования; - высокая эффективность средства моделирования, выражающаяся в возможности быстрой подготовки модели, простоте отладки, минимизации материальных и временных затрат на моделирование и интерпретацию результатов; - наличие в составе средства моделирования банка типовых моделей и элементов моделей; - наглядность представления результатов моделирования; - возможность накопления результатов моделирования с целью повторного использования.Существуют концептуальные подходы, способные в большой степени облегчить создание средств моделирования, удовлетворяющих большинству перечисленных требований, и прежде всего - способные ликвидировать "семантический разрыв" между моделью предметной области и ее реализацией средствами конкретного языка моделирования. Речь идет о так называемом объектной (или объектно-ориеншрованной) методологии, составными частями которой являются объектно-ориентированный анализ, объектно-ориентированное проектирование, объектно-ориентированное моделирование и объектно-ориентированное программирование /12,38,11,122,134/.Идея объектного подхода заключается в следующем. Основными конструкциями, из которых составляется модель предметной области, являются абстрактные объекты (сущности). Объект обладает набором атрибутов, характеризующих его индивидуальные свойства, и набором методов - операций для манипулирования значениями этих атрибутов. Объекты объединяются в классы (т.е. в множества объектов, связанных общностью структуры и поведения), и этом случае говорят, что объект является экземпляром класса. Объекты связаны друг с другом определенным образом - иными словами, на множестве объектов, составляющих модель предметной области, задаются определенные отношения.Объект может быть аналогом некоего предмета реального мира, либо представлять собой произвольную абстракцию. Соответственно, отношение между объектами также может представлять собой аналог некой реальной связи, а может и носить совершенно абстрактный характер.Таким образом, объектный подход обеспечивает представление "модели мира" в максимальной степени приближенное к реальности (насколько позволяет принятый уровень абстрагирования). Проблема наглядности модели и результатов получает при этом "естественное" разрешение. Кроме того, как показано в /12,24/, высокая степень адекватности модели реальному объекту в большой степени достигается на этапе ее проектирования и обеспечивается использованием набора формализованных методов.Объектные методы получили широкое распространение в последнее десятилетие. Разработано большое количество языков, ориентированных на объектно-ориентированное программирование, например Actor, SmallTalk /37,118/, С++ /103/, Turbo PASCAL /116/ и др. Большой популярностью пользуются объектно-ориентированные CASE-технологии проектирования сложных информационных систем /24,112/. Наконец, ярким примером применения объектного подхода является внутренняя организация семейства операционных систем Windows фирмы Microsoft /26/.Таким образом, представляется актуальной и практически важной задача разработки адекватных имитационных моделей подсистем измерений АСНИ реального времени с целью оценивания их метрологических характеристик. Реализацию соответствующих средств моделирования целесообразно выполнять в рамках объектного подхода. Например, объектная модель предметной области, заданной на множестве типовых структур подсистем измерений АСНИ реального времени, может состоять из набора сущностей, являющихся аналогами измеряемых и влияющих физических величин, компонентов реальных программно-управляемых измерительных систем - датчиков, АЦП, управляющих программ и пр., связанных друг с другом набором информационных и управляющих связей.В соответствии с вышесказанным, целью работы является разработка моделей, методов и средств, предназначенных для оценивания точностных и динамических характеристик программно-управляемых подсистем измерений АСНИ. Основными задачами исследований при этом являются.1. Определение подмножества подсистем измерений, реализуемых с использованием типовых аппаратных структур и алгоритмов программного управления.2. Построение метрологической модели подсистем измерений, учитывающей влияние программного управления, и выбор на ее основе подмножества оцениваемых точностных и динамических характеристик.3. Построение концептуальных моделей соответствующих предметной и проблемной областей.4. Построение объектных моделей предметной и проблемной областей.5. Реализация проблемно-ориентированных программных средств, обеспечивающих оценивание методами имитационного моделирования точностных и динамических характеристик подсистем измерений.Научная новизна заключается в получении ряда результатов.1. Получены аналитические соотношения, учитывающие взаимосвязь информационных, логических и временных аспектов функционирования программно-управляемых подсистем измерений АСНИ и, таким образом, обусловливающие возможность оценивания их точностных и динамических характеристик в динамическом режиме с учетом влияния программного управления.2. Формально определена концептуальная модель предметной области "Подсистемы измерений АСНИ и их компоненты", описывающая структуру информационного и логического взаимодействия составных частей и динамику функционирования подсистем измерений. Также формально определена концептуальная модель проблемной области "Точностные и динамические характеристики подсистем измерений АСНИ".3. Построены объектные модели предметной и проблемной областей, использующие . • представление и интерпретацию разнородных аспектов функционирования подсистем измерений в единообразных терминах объектов и отношений между ними и, таким образом, обеспечивающие возможность совместного оценивания их точностных и динамических характеристик методами имитационного моделирования.Реализация результатов работы и практическая ценность заключаются в следующем.1. Создана методика определения точностных и динамических характеристик программно-управляемых подсистем измерений, использующая принцип объектного (объектно-ориентированного) анализа сложных систем и методы имитационного эксперимента.2. Разработана автоматизированная система ООС ПСИ (версия 2.1), обеспечивающая оценивание точностных и динамических характеристик подсистем измерений на основе созданной методики.Разработка объектно-ориентированной системы ООС ПСИ велась в рамках хоздоговорных работ с РосНИИИС, выполняемых по темам "Создание базовых программно-аппаратных средств для обучения информационным технологиям в области разработки АСНИ" (1992 г.), "Разработка методических и программно-технических средств учебных лабораторий в области автоматизации научных исследований" (1993 г.) и "Разработка компьютерных средств для учебной лаборатории АСНИ" (1994 г.) в соответствии с комплексной научно-технической программой по информатизации образования и науки РСФСР на 1991-1995 годы (Приказ ГКНВШ РСФСР N20 от 10.01.90 г.) и подпрограммой "Информатизация научных исследований" научно-технической программы "Перспективные информационные технологии в высшей школе" (Приказ ГКНВШ РФ N438 от 08.07.92 Г.).Программное обеспечение ООО ПСИ принято в ОФАП (регистрационный N066.7000.198). Сама система внедрена в учебный процесс кафедр "ЭВМ и системы" Волгоградского политехнического института и "Информационные системы и технологии" Самарского аэрокосмического университета. Кроме того, методика исследования точностных и динамических характеристик и система ООО ПСИ внедрены в научно-внедренческой фирме "Сенсоры.Модули. Системы" (г. Самара) и использовались на этапе эскизного проектирования локальных систем контроля гидроагрегатов Волжской ГЭС им. В.И. Ленина в 1996-98 гг.Сформулированные выше задачи определяют структуру диссертационной работы.Первый раздел посвящен рассмотрению типовых вариантов программно-аппаратной организации подсистем измерений АСНИ и их метрологическому анализу. В разделе получены аналитические соотношения, учитывающие взаимосвязь информационных, логических и временных аспектов функционирования подсистем измерений АСНИ. На их основе произведен выбор подмножества оцениваемых точностных и динамических характеристик подсистем измерений.Во втором разделе рассматриваются вопросы построения и анализа концептуальных моделей предметной области "Подсистемы измерений АСНИ и их компоненты" и проблемной области "Точностные и динамические характеристики подсистем измерений АСНИ".Третий раздел посвящен разработке объектных моделей предметной и проблемной областей.В четвертом разделе рассматриваются вопросы реализации и использования объектно-ориентированной системы ООС ПСИ (версия 2.1), предназначенной для оценивания точностных и динамических характеристик подсистем измерений АСНИ методами имитационного эксперимента и базирующейся на рассмотренных выше концептуальной и объектной моделях проблемной области.Основное содержание диссертации опубликовано в работах /3,43-51.87,144/. Работы./44-47,144/ выполнены автором лично.Вопросы практического использования ООС ПСИ рассматривались в /50/ в постановочном плане совместно с научным руководителем д.т.н., проф. Прохоровым А. Из работ /43,48,49.51/, написанных в соавторстве с руководителем темы к.т.н., доц. Орищенко В.И., в диссертацию вошли только аспекты, связанные с различными вариантами построения объектных моделей компонентов подсистем измерений. В работе /3/ автору принадлежит описание практического использования системных механизмов операционных систем реального времени при программировании алгоритмов сбора данных.На защиту выносятся следующие основные положения и результаты.1. Аналитические соотношения, описывающие метрологическую модель подсистем измерений АСНИ.
2. Обобщенные концептуальные модели класса программно-управляемых подсистем измерений, характеризующие предметную область "Подсистемы измерений АСНИ и их компоненты" и проблемную область "Точностные и динамические характеристики подсистем измерений АСНИ".3. Объектные модели предметной и проблемной областей.4. Методика оценивания точностных и динамических характеристик подсистем измерений.5. Проблемно-ориентированная система ООС ПСИ (версия 2.1), базирующаяся на разработанных моделях и позволяющая производить оценивание точностных и динамических характеристик подсистем измерений АСНИ с использованием разработанной методики.