Введение к работе
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 автоматизации. 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, MATRLXx и др.), методо-ориентированные средства (DINAMO, GPSS, SLAM-П, 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:
-
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.
-
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.
-
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.
-
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:
-
Предложена концепция системного метамоделирования, определяющая принцип реализации средств автоматизации пректирования 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.
-
Разработана формальная система представления и преобразования обобщенных систем (SWG). Она основана на математическом аппарате описания систем, предложенном Дж.Клиром. В отличие от этого аппарата, в SWG введены операции преобразования обобщенных систем. Кроме того, при определении SWG используются понятия теории графов и теории агрегативных систем. Это позволяет органично сочетать декларативность представления SWG-моделей обобщенных систем с вычислительной эффективностью их анализа и преобразования.
-
Разработана формальная система спецификации грамматик промежуточных контекстно-свободных языков (SG), имеющая лингвистическую основу в виде модифицированной формы Бэкуса-Наура. SG поддерживает механизмы контекстного и семантического управления выводом и обладает способностью самоопределения. Ее отличительными свойствами являются встроенная семантика, определенная на множестве понятий SWG, а также возможность включения потоковых компонентов в функции отображения синтаксических объектов на семантические.
-
Разработана компьютерная технология системного метамоделирования, воплощаюцая 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:
-
Концепция системного метамоделирования.
-
Формальная система представления и преобразования обобщенных систем S1KG.
-
Формальная система спецификации грамматик проблемных языков SG.
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 работы. 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.
