Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время одним из наиболее эффективных методов исследований в различных областях знаний является вычислительный эксперимент (ВЭ).
Процесс организации и проведения ВЭ включает в себя этапы, которые, как правило, реализуются специалистами различных профилей - от специалиста в конкретной предметной области до программиста. При этом возникают определенные трудности по адекватному преобразованию модели исследуемой системы от описательного к программно - алгоритмическому представлению, необходима четкая разработка требований, которые предъявляет исследователь к программному' обеспечению ВЭ. Многие проблемы при создании среды реализации ВЭ связаны не столько с разработкой отдельных компонент, сколько с качеством их объединения в рамках одной системы.
Решением ряда проблем организации и проведения ВЭ моает Сыть использование автоматизированных технологий, позволяющих строить формальные описания структуры и задач БЭ. осуществлять .анализ и оценку качества проекта и генерировать, полностью или частично, исполнительную среду, обеспечивающую реализацию ВЭ.
Существуют технологии'и" инструментальные средства, которые ориентированы на автоматизацию решения задач, аналогичных задачам различных этапов ВЭ. Ряд задач, связанных с организацией вычислительного эксперимента, может быть решен методами концептуального проектирования. Однако, в настоящее время не существует систем, обеспечивающих' поддержку всех этапов вычислительного эксперимента от построения модели предметной области до получения и анализа результатов эксперимента.
Расширение круга пользователей вычислительных средств, не являющихся специалистами в области .программирования, определяет актуальность задачи создания инструментальных средств соответствующей ориентации. Инструментальная система поддержки ВЭ. ориентированная на специалиста в конкретной предметной области, дслнна обеспечивать максимальную возможность использования знакомой терминологии на этапе постановки задачи ВЭ. Процессы перевода задачи на формальный язык, ее анализа и генерации среды реализации ВЭ должны быть в' значительной степени автоматизированы. Обязательным для инструментальной системы является хорошо организованный диалоговый интерфейс.
Целью диссертационной работы является создание ориентированной на пользователей интегрированной системы инструментальных средств для поддержки основных этапов организации и проведения вычислительного эксперимента на основе формально-логических моделей предметной области, имеющих древовидную структуру.
Для достижения поставленной цели в работе ш примере предметной области "Реакция лесных экосистем на многолетнее техногенное воздействие" решаются Следующие задачи:
- определение требований к инструментальной системе на основе
анализа структуры современного вычислительного эксперимента;
-.выбор существующих подходов и средств, которые могут быть использованы в качестве основы инструментальной системы, удовлетворяющей сформулированным требованиям;
разработка средств формального представления и анализа модели вычислительного эксперимента;
разработка средств автоматизированного формирования структуры базы данных вычислительного эксперимента на основе концептуальной модели данных;
разработка алгоритмов анализа конкретных вариантов проведения вычислительного эксперимента и процедур автоматизированного синтеза программ реализации вычислительного эксперимента.
Используемые методы. Для решения поставленных- в работе задач используются элементы теории множеств и теории графов, методы системного анализа и математической логики.
Научная новизна. В диссертации в рамках подхода, получившего название "Концептуальный анализ", разработаны:
-
Формальная система логического типа, предназначенная для представления с использованием терминов предметной области древовидной концептуальной модели вычислительного эксперимента, содержащей спецификаторы: объектов предметной области - процессов и данных; определенных на множестве объектов отношений иерархии, следования, управления и "вход-выход"; исполнителей- - программных модулей реализации в ЭВМ процессов и конкретных форм хранения в ЭВМ данных, декларированных в концептуальной модели.
-
Алгоритмы анализа концептуальной модели вычислительного эксперимента, обеспечивающие анализ корректности модели относительно правил назначения имен объектам модели и их исполнителям, правил определения допустимых отношений на множестве объектов модели и анализ разрешимости задач вычислительного эксперимента при прямой и обратной постановке.
-
Алгоритмы и процедуры синтеза программ проведения вычислительного эксперимента с использованием процедурных библиотек, обеспечивающих реализацию элементарных процессов, декларированных в концептуальной модели, и автоматически генерируемых алгоритмических спецификаций фрагментов концептуальной модели, соответствующих выбранному варианту реализации вычислительного эксперимента.
-
Структура интегрированной инструментальной системы, объединяющей в себе средства поддержки и автоматизации ряда этапов вычислительного эксперимента: построение и анализ его концептуальной модели; создание базы данных вычислительного эксперимента и работа с ней; выбор и анализ варианта реализации вычислительного эксперимента; 'создание программ реализации вычислительного эксперимента, представления и анализа его результатов..
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Отображение концептуальной модели вычислительного эксперимента на формалънув систему, содержащую спецификации объектов модели - процессов и данных, конкретных форм их реализации в ЭВМ и заданных на множестве,объектов модели отношений иерархии, следования, управления и "вход-выход", обеспечивает возможность автоматизации таких этапов вычислительного эксперимента как: анализ корректности и разрешимости модели;' генерация файловой структуры базы данных вычислительного эксперимента; выбор варианта проведения вычислительного эксперимента;- синтез программ реализации вычислительного эксперимента, представления и анализа его результатов.
-
Использование структурных типов данных "часть файла" и "индекс"- позволяет автоматизировать процесс генерации файловой структуры реляционной базы данных вычислительного эксперимента на основе иерархической концептуальной модели данных.
-
Состав спецификаторов и атрибутов, задаваемых в концептуальной модели вычислительного эксперимента,, оберпечивает возможность автоматизированного выбора .и анализа варианта проведения вычислительного эксперимента и синтеза программ реализации выбранного варианта с использованием процедурных библиотек, обеспечивающих реализацию элементарных процессов, декларированных в концептуальной модели, и алгоритмических спецификаций фрагмента концептуальной модели, соответствующего выбранному варианту проведения вычислительного эксперимента.
-
Интеграция в рамках единой инструментальной системы
средств поддержки и автоматизации ряда этапов вычислительного эксперимента от построения и анализа его концептуальной модели до получения и анализа результатов вычислительного эксперимента предоставляет возможность проведения вычислительного эксперимента пользователю, не являющемуся специалистом в, области программирования.
Практическая "значимость. На основе результатов работы создана инструментальная система поддержки вычислительного эксперимента. Данная система представляет собой интегрированную среду и предоставляет следующие возможности:
-
Построение формализованной древовидной концептуальной модели вычислительного эксперимента с использованием терминологии предметной области и автоматизированный анализ корректности и разрешимости полученной концептуальной модели.
-
Автоматизированная генерация файловой структуры реляционной базы данных вычислительного эксперимента на основе иерархической концептуальной модели данных с использованием структурных типов данных' "часть файла" и "индекс".
-
Выбор и анализ различных вариантов реализации вычислительного эксперимента, которые могут быть проведены в рамках полученной модели, ' и 'синтез программ реализации вычислительного эксперимента.
-
Проведение вычислительного эксперимента, анализ и представление его результатов.
Встроенные средства диалога и автоматизация в рамках системы ряда этапов вычислительного эксперимента давт возможность проведения корректного вычислительного эксперимента пользователем, не являющимся специалистом в области программирования.
Реализация и внедрение результатов. Основные теоретические положения и практические результаты работы были использованы при обработке части результатов комплексного мониторинга окружающей природной среды в зоне расположения Кольской АЗС-2, в плановых НИР лаборатории системных методов моделирования ИИМ КНЦ РАН, в работах по Государственной научно-технической программе "Перспективные информационные технологии" и программе АН СССР "Биосферные и экологические исследования" (секция Теоэкоинформатика").
Апробация работы. Основные положения и некоторые результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XXIV Всесоюзной школе по автоматизации научных исследований (Апатиты,1990г.)
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в 10 печатных работах и отражены в .5 отчетах по НИР.
Структура и . объем работы.. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (59 наименований), имеет общий объем 136 машинописных страницы, содержит 3 таблицы и 11 рисунков.
