Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПОСТРОЕНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 15
1.1 Особенности научных исследований, как объекта автоматизации 15
1.2. Основные требования к системам автоматизации научных исследований 21
1.3. Методы и средства автоматизации научных исследований 26
ГЛАВА II МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ 31
2.1. Математическая модель планирования вычислительных процессов 32
2.2. Алгоритмы построения вычислительных схем решения задач 39
2.3. Алгоритмы построения вычислительных схем решения задач с предикатными условиями 44
2.4. Алгоритмы автоматического переопределения задач 48
2.5. Примеры моделирования многостадийных процессов 51
ГЛАВА Ш БАЗОВАЯ ДИАЛОГОВАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЗАЦИИ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ "АНИ" 57
3.1. Назначение, структура и функциональные особенности системы 58
3.2. Основные режимы функционирования подсистемы планирования 70
3.3. Структура и режимы работы базы данных пользователя 74
3.4. Разработка и реализация пакета сервисных процедур ПСП/ПЛ-І 84
3.5. Языковые средства системы 90
З.б. Применение системы "АНИ" в исследовании кинетики химических цепных реакций И Их
имитационном моделировании 102
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 112
ЛИТЕРАТУРА 115
- Особенности научных исследований, как объекта автоматизации
- Математическая модель планирования вычислительных процессов
- Назначение, структура и функциональные особенности системы
Введение к работе
Основными направлениями экономического и социального развития нашей страны на I98I-I985 годы и на период до 1990 года предусматривается дальнейшее ускорение научно-технического прогресса.
ХХУІ съезд КПСС отметил необходимость "опережающими темпами развивать производство управляющих и вычислительных комплексов, периферийного оборудования и программных средств к ним... В постановлениях съезда подчеркивается, что главной задачей XI пятилетки является обеспечение дальнейшего ускорения научно-технического прогресса, ускорение перевода экономики на путь интенсивного развития. В связи с этим Центральный Комитет КПСС призывает совершенствовать координацию деятельности научных учреждений, повысить результативность прикладных исследований, с тем чтобы обеспечить разработку и реализацию комплексной программы научно-технического прогресса, целевых программ по решению важнейших научно-технических проблем. В частности, отмечается необходимость расширять автоматизацию проектно-конструкторских и научно-исследовательских работ с применением электронно-вычислительной 'техники.
В области естественных и технических наук намечается курс на развитие математической теории, повышение эффективности ее использования в прикладных целях; на создание химико-технологических процессов с целью получения новых веществ и материалов с заданными свойствами. Актуальность поставленных задач предопределила высокий темп создания и широкого применения сложных систем автоматизации научных исследований.
Теоретической и практической основой конструирования таких систем для решения непрерывно расширяющегося круга задач в раз-: личных прикладных областях науки и техники послужиш новые методы и средства вычислительной математики, системного анализа, теории информации и вычислительной техники (в первую очередь ЭВМ третьего поколения).
Эффективность современного производства, основанного на сложных многостадийных процессах, сильно зависит от качества исследования и управления этими процессами. В последнее время при моделировании многостадийных процессов и в управлении ими широко применяются методы системного анализа, в частности имитационного моделирования. Однако, создаваемые большие имитационные модели, реализующие сложные процессы, требуют на стадиях построения моделирующего алгоритма, программирования и отладки огромного труда многопрофильных коллективов специалистов высокой квалификации. Уменьшение доли рутинного труда на этом этапе и сокращение его сроков стало безусловно актуальной проблемой. Поэтому создание систем автоматизации исследования сложных процессов, основанных на методе имитационного моделирования, приоб-реает все большую актуальность. Объектом исследования данной работы являются методы и средства автоматизации исследования сложных многостадийных процессов. В качестве конкретного примера такого рода процессов в настоящей работе выбраны сложные химические цепные реакции.
Изучение некоторых проблем из разных областей науки и техники с помощью методов системного анализа (в частности, имитационного моделирования) привело к порождению новых инструментальных систем программирования, имеющих черты универсальности. К таким системам относится, описываемая в данной диссертационной работе, базовая диалоговая система "АНИ", разработанная и реализованная в соответствии с планом научно-исследовательских работ ВЦ
АН Армянской ССР в рамках целевой комплексной программы 0.Ц.027 "Создание и ввод в опытную эксплуатацию автоматизированной системы научных исследований коллективного пользования для учреждений АН Армянской ССР" по теме "Разработка и реализация базовой диалоговой системы автоматизации научных исследований "АНИ" и ее применение в исследованиях химической кинетики".
Традиционно при исследовании многостадийных динамических процессов использовались опыт и труд: - теоретиков (на этапах: выдвижения гипотетического механиз ма процесса; корректировки исходного гипотетического механизма с учетом результатов решения соответствующей системы дифференциальных уравнений); математиков (на этапах: составления систем дифференциальных уравнений, описывающих скорости изменения параметров всех компонент, участвующих в выбранной модели процесса; выбора необходимого метода для решения этой системы уравнений; программистов (на этапе составления и отладки программ, реализующих выбранный математиками метод).
Применение методов системного анализа к решению этой задачи обусловлено трудностью формализации исследований на первом этапе. Одной из проблем, требующих решения, являлось автоматическое накопление и использование опыта разных специалистов-исследователей.
Бышеотмеченные проблемы предопределили выбор цели и задач диссертационной работы, а именно: разработка методов и алгоритмов автоматизации исследования многостадийных процессов; разработка и программная реализация базовой диалоговой системы автоматизации научных исследований "АНИ" на основе предлагаемых методов и алгоритмов; - применение системы "АНИ" в имитационном моделировании при исследовании механизмов сложных химических цепных реакций.
Быстрые темпы развития науки и техники привели к созданию современных методов и средств научно-технических исследований, широко использующих вычислительную технику. Это актуализирует проблему создания новых форм общения исследователя с ЭВМ, необходимость разработки принципов построения алгоритмических моделей и создание автоматизированных систем. В этой связи значительный интерес представляют различные аспекты автоматизации научных исследований с целью повышения эффективности их проведения.
Рассмотрим основные этапы научного исследования L 6 J: формулировка цели исследования; ознакомление с информацией; формирование рабочей гипотезы и построение соответствующей ей модели; проверка адекватности модели и реальных процессов; корректировка исходной модели и гипотезы в зависимости от результатов 4-го этапа.
Среди этих этапов основное место занимают разработки математических моделей, связанных с поиском оптимальных решений, -формированием множества альтернатив и выбором наилучшей из них.
Ранее под автоматизацией научных исследований понималось использование ЭВМ с целью упрощения этапов 4 и 5. В последнее время возникла тенденция автоматизации этапа 3. При этом начали широко применяться методы, разработанные в таких областях, как искусственный интеллект (в частности, синтеза программ), системный анализ и имитационное моделирование.
Возникновение системного анализа было связано с необходимостью ведения исследований междисциплинарного характера, основанных на использовании ЭВМ, и направленных на исследование сложных систем. Методы системного анализа опираются на математическое описание изучаемых явлений 1^ > S<=J . Математическое описание, отражающее особенности, интересующие исследователя, будем называть моделью. От удачного построения модели зависит успех дальнейшего исследования.
Имитационное моделирование позволяет автоматизировать процесс рационального построения модели в режимах диалога "человек - ЭВМ". Сегодня имитация превратилась в одно из наиболее важных и эффективных средств системного анализа. Несмотря на свою трудоемкость, методы имитации обладают большой эвристической силой и широко доступны для восприятия людьми, неподготовленными к работе с математической моделью. Имитационная модель, в отличие от математической, допускает изменения и корректировки на любом этапе моделирования, обновление или замену отдельных блоков модели без существенной перестройки остальных Используя имитационные модели, исследователи с помощью серии специально организованных вариантных расчетов получают информацию, на основе которой они выбирают альтернативный вариант своей стратегии. Имитационные системы постепенно стали не только инструментом проверки и сравнения различных вариантов моделей в системах принятия решений, но и средством их индуцирования 1^41 . Распространение идей имитации связано с возникновением ЭВМ третьего поколения с развитой системой периферийных устройств (терминалов), что позволило объединить усилия человека и ЭВМ. "По существу искусственный интеллект и имитационная система -это синонимы"
Одним из основных направлений искусственного интеллекта в области автоматизации процедуры решения человеком задач в сфере его научно-технической деятельности можно по праву считать синтез машинных программ. Как направление, синтез машинных программ возник в 70-ых годах в связи с расширением области применения ЭВМ, возрастанием сложности решаемых задач и ростом усилий, затрачиваемых на разработку прикладных программ. Дальнейшее развитие методов этого направления явилось основой для автоматизации процессов построения пакетов прикладных программ (ППП). Начались разработки генераторов ППП, которые на основе формальных спецификаций, отражающих потребности пользователя, строили требуемый пакет. При этом генератор использует описание предметной области и библиотеку модулей, обеспечивающих функциональное покрытие предметной области.
Так как отправной точкой для синтеза программ явилась область искусственного интеллекта,, первые системы касались автоматичес кого доказывания теорем РВ>исо/уД{,<2/12/1'лЗ* РЯ о vc//JwJ^решателей задач GPSCuJt СФИНКС@л планирующих систем STfilPS fsO, A3STRIPS Lll*J вопросно-ответных про- грамм Q4 3 С J у QA4Jm др.
Одной из первых отечественных реализаций подобного рода систем явилась система ПРИЗ L^ J . В этой системе ЭВМ выступает как интеллектуальный партнер программиста. Система ПРИЗ может рассматриваться как: система построения трансляторов; система построения ППП; система искусственного интеллекта.
Богатство возможностей системы объясняется широким применением методов автоматического составления необходимой рабочей программы, на основе накопленных в памяти ЭВМ отдельных программных модулей и вычислительных моделей.
Один из первых таких методов для синтеза циклических и ре-курсивных программ был приведен в L J . В L л рассмотрено получение программы для любой задачи по интуиционистскому доказательству существования ее решения. Ряд работ был посвящен пошаговому уточнению программ и02, *02 J , синтезу программ по примерам вычислений или по парам вход-выход v^> ^05 J . Начались разработки методики быстрого доказательства теорем существования решения задачи для специальных теорий, хорошо применимых на практике L ^ J, методов преобразования программ, повышающих ее качество UoaJ . Методы, использованные в системе ПРИЗ, явились в некотором смысле обобщением и развитием известных ранее методов. Планирование решения задачи в системе ПРИЗ носит эвристический характер и, в основном, осуществляется в прямом направлении. Это позволяет системе работать в вычислительных средах, представляющих собой довольно простые и хорошо организованные предметные области L3*> * ' ' J . Перечисленные выше методы синтеза программ нашли свое отражение в таких инструментальных системах программирования, как ППР [^J 1 ПРИР [Зб] , СФИНКС С ъ 8 1 ДИЛОС С"12-] .
Актуальность проблем планирования решения задачи явилась причиной появления ряда работ в этом направлении.
Работа посвящена проблеме построения оптимальных по ряду критериев программ на основе вычислительных моделей. Рассмотрены три типа оптимизирующих процедур. Первый тип используется для построения высоконадежных программ. Оптимизирующая процедура второго типа применяется для генерации программы, наилучшей в некотором смысле (с минимальным объемом памяти, с минимальным количеством вводимых данных и минимальным числом элементарных шагов, требуемых для вычисления). Третья оптимизирующая процедура строит максимально асинхронную программу, одна из модификаций которой аналогична программе, синтезируемой в[_ J - II -
В U J приведена модификация алгоритма прямой волны [?3J , позволяющая сократить числа узлов дерева перебора. Здесь задача планирования формулируется как поиск минимального пути (минимального по цене расчета) в пространстве состояний - из начального в целевое. Основной особенностью данного модифицированного алгоритма является существенное изменение способа раскрытия узла дерева, делающее это раскрытие целенаправленным. bL^J предлагается новый подход к формальному определению и исследованию методов равных цен, предназначенных для планирования вычислений в интеллектуальных ППП. Рассматриваются.классы этих методов, названные решеточными, которые фактически представляют собой методы с ограниченной глубиной планирования.
Основная задача синтеза программ, рассмотренная в вышеупомянутых работах, как отмечается в L ^AJ , формально описывается четверкой (Х,У, PC*), %(х}у)) и интерпретируется как: "по заданному значению X , удовлетворяющему PC*) » вычислить значение у , удовлетворяющее 4C**yJ ". Здесь А и У конечные множества переменных программ. Каждой задаче соответствует гипотеза (теорема) существования решения, которая является необходимым условием для разрешимости задачи. Интуиционистское доказательство теоремы существования является описанием процесса построения искомого результата.
Развитие вышерассмотренных методов и идей привели к разработке и реализации базовой диалоговой системы "АНИ", которая выполнялась под руководством профессора К.А.Абгаряна. Для предметной области, формированной множеством вычислительных модулей, система "АНИ" выступает как синтезатор программ. На основе спланированных цепочек модулей, не включающих в себе избыточной информации, система генерирует и/или вычисляет программу на языке ПЛ/І, решающую поставленную пользователем стандартную задачу синтеза программ. Для формальной модели предметной области, составленной из элементарных стадий какого-либо процесса, система "АНИ" выступает как интеллектуальный партнер исследователя, моделирующего данный процесс. Предлагаемый расширенный метод синтеза программ (процессов), в основе которого лежит идея исключения "неразрешимых" выводов, позволяет пользователю путем многовариантного анализа автоматизировать процесс построения гипотетического механизма сложного многостадийного процесса. С помощью диалоговых средств системы производится корректировка выбранной модели. Автоматически построенная система дифференциальных уравнений, соответствующая данной модели, и функционал, отражающий отличия решений этой системы от экспериментальных кривых, позволяют производить проверку адекватности данной модели реальному процессу. Система "АНИ" снабжена средствами проверки и отладки исходного запроса пользователя-исследователя. При автоматическом переопределении задачи и целенаправленном расширении модели предметной области (в случаях неразрешимости поставленной задачи) также используются методы синтеза программ.
Создание диалоговой системы "АНИ" связано с использованием вычислительных машин третьего поколения, позволяющих организовать вычислительные сети коллективного пользования с удаленными терминалами. Система "АНИ" программно реализована на ЭВМ ЕС 1045 с системой удаленных терминалов ЕСТЕД 2.1.
При выполнении работы были использованы разработки ВЦ АН Армянской ССР, результаты теоретических и практических работ Института Химической Физики АН Армянской ССР, труды советсішх и зарубежных специалистов по теории, методике и практике исследуемых вопросов.
Система "АНИ" внедрена в ЕрНУЦ СШІ0 "Алгоритм" и используется как синтезатор программ, а в настоящее время проходит опытную - ІЗ -эксплуатацию в Институте Химической Физики АН Арм.ССР. С помощью удаленных терминалов, при решении поставленных задач, химики-исследователи производят диалог с ЭВМ без посредников (математиков, программистов) на языке, достаточно простом и приспособленном к данному конкретному исследованию.
С помощью разработанной и реализованной подсистемы генерации программ систему "АНИ" можно также использовать для генерации пакетов прикладных программ на основе вычислительных модулей, написанных на языке ПЛ/І.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: рабочем совещании РГ-І8 проблемной комиссии многостороннего сотрудничества АН социалистических стран "Научные вопросы вычислительной техники" (Цахкадзор, 1981 г.), заседании комиссии по новой информационной технологии координационного комитета АН СССР по вычислительной технике (г.Ереван, май 1983г.), семинаре РСНТО "Внедрение вычислительной техники в проектировании и научных исследованиях" (г.Ереван, май 1983 г.), научных семинарах ВЦ АН Арм.ССР.
По теме диссертационной работы опубликовано 6 научных статей.
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованной литературы.
Особенности научных исследований, как объекта автоматизации
Научные исследования представляют собой специфическую область человеческой деятельности, обладающую рядом особенностей. Эти особенности выдвигают определенные требования как в организации процесса автоматизации научных исследований, так и к методологическим положениям, применяемым при создании АСНЙ.
Отличительной особенностью научных исследований является предмет труда - целенаправленная деятельность человека, предпринимаемая для получения знаний о различных явлениях и процессах, происходящих в природе. Научная деятельность необычайно разнообразна по назначению, формам, применяемым методам и средствам и т.д.
Проведение исчерпывающей классификации научных исследований в настоящее время крайне затруднительно, и является предметом самостоятельного исследования. Для выявления некоторых особенностей структуры научных исследований воспользуемся имеющимися результатами L / z J
В зависимости от используемых методов и средств исследования могут быть теоретическими, теоретико-экспериментальными и экспериментальными. Теоретические относятся к исследованиям, в которых отсутствует воздействие на объект исследования. Теоретические исследования основаны на применении математических и логических методов и средств познания, позволяют получать новые знания путем осмысливания и обобщения исходных данных. К теоретико-экспериментальным относят исследования, носящие характер теоретических, но связанные с опытной проверкой выявленных свойств, закономерностей, зависимостей на объектах исследования - натурных образцах или их моделях. Исследования, позволяющие получать новые свойства и закономерности, проверять выдвинутые ранее теоретические положения путем воздействия на изучаемый объект с помощью специальных методов, приборов, установок и т.д.,носят название экспериментальных.
Научные исследования на первом этапе разработки АСУ относятся к теоретико-экспериментальным.
В соответствии с поставленными целями и намечаемыми затратами, требуемой точностью и достоверностью результатов, исследования могут быть проведены как на самом объекте - натурные исследования, так и на его модели.
Из сказанного выше следует, что научные исследования условно разбиваются на группы по следующим признакам: используемым методам исследования и виду исследуемого объекта.
Научные исследования, будучи частью макроструктуры народного хозяйства, являются в свою очередь сложной системой. Это обусловлено рядом специфических особенностей.
Математическая модель планирования вычислительных процессов
На первом этапе исследования сложного многостадийного процесса необходимо выработать гипотетический механизм его протекания, который в дальнейшем подвергается уточнению.
Для нахождения наиболее вероятного механизма многостадийного процесса необходимо учитывать условия, налагаемые на параметры элементарных стадий, из которых состоит сам процесс L J .
Основной конструктивной единицей в области планирования вычислительных процедур является понятие "модуль", осуществляющий по какому-то закону преобразование множества своих входных параметров ко множеству выходных. Множество модулей и их параметров образуют модель предметной области.
Применительно к исследованию многостадийных процессов модули предметной области характеризуются следующими свойствами:
1) в качестве модулей выступают элементарные стадии процесса;
2) входами модуля являются исходные параметры соответствующей элементарной стадии, а выходами - выходные параметры;
3) на выходные параметры модуля налагается предикатное условие (например, в спланированной группе элементарных стадий каждый выходной промежуточный параметр должен обязательно быть исходным параметром какой-либо из стадий в выбранной группе).
Ниже описываются алгоритмы процесса планирования, реализованные в базовой диалоговой системе "АНИ". Интерпретацией вводимых далее понятий могут служить вышеуказанные свойства I) - 3).
Назначение, структура и функциональные особенности системы
Система "АНИ" предназначена для одновременного обслуживания многих научно-исследовательских работ и, как таковая, является системой коллективного пользования. Она обеспечивает коллективное использование данных, вводимых в систему или полученных во время работы с системой всеми ее пользователями.
Система "АНИ" является результатов дальнейшего развития идей создания таких систем, как МАИ-76 [ J , кШ-79[3,Ь ,30"] и т.д. и в некотором смысле обобщением опыта использования их в конкретных приложениях.
Базовая диалоговая система "АНИ" является совокупностью программных компонент, предоставляющих пользователям разных областей возможность проводить диалог на концептуальном, а не алгоритмическом уровне, на языке, близком к естественному. Она является системно-независимой, т.е.:
1. для работы с системой достаточно знание только входных языков системы;
2. каждое задание пользователя активизируется и выполняется диалоговыми средствами самой системы без использования языка управления заданиями ОС ЕС ЭВМ.
Система "АНИ" предназначена для:
1. решения вычислительных задач без задания алгоритмической схемы;
2. построения пакетов прикладных программ для решения вычислительных задач;
3. генерации программы решения затребованной пользователем задачи на языке высокого уровня (ПЛ/І) и вывода ее на внешние носители (НМЛ, НМД, перфокарты), что дает возможность автомногиспользования данной программы на других ЭВМ;
4. хранения и использования результатов работы специалистов разных областей, что обеспечивается за счет наличия динамической базы знаний коллективного пользования.
Одной из основных компонент системы "АНИ" является имитационная вычислительная модель (ИБМ). ИВМ представляется совокупностью программных модулей (имитационная модель) и информационных системных таблиц, соответствующих имитационной модели (модель предметной области). Модель предметной области определяет класс задач, решаемых системой.
Основной конструктивной единицей модели предметной области является описание модуля, характеризуемое:
- наименованием модуля, отражающим функцию модуля на семантическом уровне;
- списком входных параметров;
- списком выходных параметров;
- совокупностью условий, налагаемых на входные параметры модуля.
В соответствии с изложенным, функционирование системы "АНИ" условно подразделяется на 2 части: "обучение" и решение задачи. "Обучение" системы заключается в организации, последующем уточнении и расширении предметной области, что предполагает ввод программных модулей совместно с их описанием на специальном языке.
Похожие диссертации на Разработка методов и алгоритмов автоматизации исследования многостадийных процессов (на примере сложных химических цепных реакций)
