Моделі та інформаційні технології для адаптивного управління компонентними програмними комплексами

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

“ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

УДК 681.5: 658.512

МОДЕЛІ ТА ІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ

ДЛЯ АДАПТИВНОГО УПРАВЛІННЯ

КОМПОНЕНТНИМИ ПРОГРАМНИМИ КОМПЛЕКСАМИ

Спеціальність 05.13.06 - інформаційні технології

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Захер Аль-Хассаніє

Харків - 2008



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент Ткачук Микола Вячеславович, Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, професор кафедри автоматизованих систем управління

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Федорович Олег Євгенович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, завідувач кафедри інформаційно-управляючих систем.

доктор технічних наук, професор Нефьодов Леонід Іванович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет, завідувач кафедри автоматизації та комп'ютерно- інтегрованих технологій.

Захист відбудеться 26 червня 2008 року о 14-30 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.07 у Національному технічному університеті “Харківський політехнічний інститут” МОН України за адресою: вул. Фрунзе 21, Харків, 61002.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” МОН України за адресою: вул. Фрунзе 21, Харків, 61002.

Автореферат розісланий 26 травня 2008 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради І.П. Гамаюн



АНОТАЦІЇ

Аль Хассаніє Захер. Моделі та інформаційні технології для адаптивного управління компонентними програмними комплексами - Рукопис. програмний інженерія адаптивний композиційний

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - Інформаційні технології. - Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, Харків. - 2008.

У дисертаційній роботі вирішується актуальна науково-практична задача розробки моделей та інформаційних технологій для адаптивного управління компонентними програмними комплексами (КПК). Запропоновано узагальнюючу класифікацію проблемних наукових напрямків розробки адаптивних технологій у сфері сучасної програмної інженерії, що дозволяє мотивовано ставити та вирішувати задачу створення ефективного механізму роботи КПК за умов постійних змін в середовищі їх функціонування з застосуванням методів композиційної адаптації. Розроблені структурні та аналітичні моделі синхронних та асинхронних багатопоточних режимів функціонування складних КПК класу “клієнт-сервер”. Побудована загальна архітектура адаптивного механізму управління розподіленими КПК і з використанням методів логічного виводу на підставі аналізу прецедентів розроблені процедури вибору відповідних режимів функціонування КПК, які забезпечують необхідну продуктивність та надійність обробки даних. Розроблені методика та програмні засоби для експериментального дослідження ефективності запропонованого підходу щодо пошуку адаптивних рішень, отримані та проаналізовані відповідні результати та надані практичні рекомендації щодо підвищення його ефективності. Ключові слова: інформаційно-управляюча система, програмний компонент, адаптивна система, архітектура “клієнт-сервер”, метрична модель, аналіз прецедентів, продуктивність, надійність.



Аль Хассание Захер. Модели и информационные технологии для адаптивного управления компонентными программными комплексами. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - Информационные технологии. - Национальный технический университет “Харьковский политехнический институт”, Харьков, 2008.

В диссертационной работе решается актуальная научно-практическая задача разработки моделей и информационных технологий для адаптивного управления компонентными программными комплексами (КПК). Предложена обобщенная классификация проблемных научных направлений разработки адаптивных технологий в сфере современной программной инженерии, что позволяет мотивировано ставить и решать задачу создания эффективного механизма работы КПК в условиях постоянных изменений в среде их функционирования с использованием методов композиционной адаптации. Разработаны структурные и аналитические модели синхронных и асинхронных многопоточных режимов функционирования сложных КПК класса “клиент-сервер”. Предложена общая архитектура адаптивного механизма управления распределенными КПК и с использованием методов логического вывода на основе анализа прецедентов разработаны процедуры выбора соответствующих режимов функционирования КПК, которые обеспечивают заданную производительность и надежность обработки данных.

Ключевые слова: информационно-управляющая система, программный компонент, адаптивная система, архитектура “клиент-сервер”, метрическая модель, анализ прецедентов, производительность, надежность.



Al Hassanie Zaher. Models and Information Technologies for Adaptive Control of Component-based Software. - Manuscript.

Dissertation for the candidate's degree on the speciality 05.13.06 - Information Technologies. - National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute”, Kharkiv, 2008.

The actual scientific-applied problem to design models and information technologies for adaptive control of component-based software (CBS) is solved in the dissertation. The generalized research problem directions classification in the field of adaptive software technologies designing is introduced. It allows to formulate and to solve the problem to elaborate effective mechanism of CBS-functioning with respect to permanent changes in their operating environment using so-called compositive adaptation approach. This approach combines both the parametric and algorithmic adaptation methods, and accordingly to this one three main tasks to be solved are formulated, namely: task 1 - the formalisation, elaboration and investigation models of computational processes in complex CBS, in order to identify some critical parameters of their functioning and to utilize them as feedback-loop in adabtive control schemas; task 2 - the motivated choosing of an appropriate mechanism for adaptive control on CBS with respect to some special features of their implementation technologies and operating mode within real-time process control systems; task 3 - the designing and experimental proving of reference software architecture for adaptive control implementation in CBS.

To resolve task 1 the structural and analytical models are elaborated for synchronic and asynchronic multi-threads operating mode of complex CBS with client-server architecture, which allow to have the quantitative estimations for their parameters. In order to resolve the task 2 some weаk-formalized and uncertain characteristics of CBS-functioning were taken into account, and the case-based reasoning (CBR) method is proposed for the designing of adaptive control mechanism. The appropriate investigation for its main problem: to define an effective metric for the case-similarity measuring was performed, and the Euclidean distance is chosen for this purpose. Finally, to perform the task 3 a design-pattern-oriented approach is chosen, which provides the reusable software solutions for target adaptive system.

The common architecture of adaptive control scheme for distributed CBS is proposed, which is based on multi-threads programming mechanism. This scheme includes two main logical components: the database for selected cases gathering (DBC), and the decision-making block (DMB). Using the CBR-methods the control procedures for DMB are elaborated, which utilize the DBC and provide the appropriate solutions for the given problem: how to define a number of necessary threads to be implemented inside the CBS in order to guarantee the data processing mode with predicted performance (measured in ms), and reliability (defined in %).

The methodical instructions and software tools for the DBC and the DMB testing and investigation in the framework of proposed adaptive approach were elaborated, the appropriate experimental results were obtained and analyzed carefully, and some practical recommendations concerning improvement of adaptive solutions are given.

Key words: information control system, software component, adaptive system, client-server architecture, metrics model, case-based reasoning, performance, reliability.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На сучасному етапі розвитку програмної інженерії зростає усвідомлення того положення, що проблеми розробки та супроводу складних програмних систем неможливо ефективно вирішувати лише шляхом запровадження нових інструментальних засобів та операційних платформ. Вирішення цих питань потребує пошуку нових підходів до розробки програмного забезпечення, які базуються на інтердисциплінарних принципах дослідження та побудови складних систем, зокрема, з застосуванням кібернетичних підходів як на етапі проектування нових систем, так і для вирішення задач ефективного управління функціонуванням та модернізації вже існуючих програмних комплексів. Ці проблеми визначаються в роботах таких провідних вчених як О.А. Павлов, О.В. Палагін, Н.Д. Панкратова, О.Л Перевозчикова, І.Б. Сіроджа та інші.

До таких комплексів в першу чергу відносяться складні інформаційно-управляючі системи (ІУС), що застосовуються в багатьох сферах промисловості, в енергетиці, на транспорті. Такі ІУС функціонують в умовах постійно змінюючихся чинників навколишнього середовища, що в першу чергу позначається у змінах обчислювального навантаження на їх програмні компоненти. Тому важливим питанням у зазначеному вище комплексі проблем є задача проектування та застосування адаптивних компонентних програмних комплексів (КПК). При цьому слід зазначити, що до теперішнього часу механізми адаптивного управління в КПК в достатній мірі не формалізовані і не вивчені, і тому постановка задачі даного дослідження є досить актуальною та складає напрямок дисертаційного дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася на кафедрі АСУ НТУ “ХПІ” у межах держбюджетної теми МОН України "Розробка інформаційних моделей для реалізації процедур структурного синтезу в комп'ютерно-інтегрованих системах" (ДР № 0103U001543), де здобувач брав участь як співвиконавець окремих підрозділів.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності функціонування розподілених компонентних програмних систем, зокрема, компонентних програмних комплексів (КПК) у складі ІУС реального часу, шляхом розробки моделей та інформаційних технологій, що забезпечують адаптивне управління їх програмними компонентами. Для досягнення цієї мети в роботі вирішуються такі задачі:

- аналіз особливостей процесів створення та функціонування складних компонентних програмних систем та визначення основних властивостей адаптивних КПК на прикладі типової ІУС у складі АСУ ТП газовидобуваючого підприємства;

- класифікація адаптивних технологій сучасної програмної інженерії та визначення типу задач адаптивного управління, які мають бути вирішені для ефективного управління функціонуванням КПК;

- розробка математичних та інформаційних моделей, які формалізують обчислювальні процеси, які відбуваються в розподілених КПК;

- побудова процедур пошуку рішень для адаптивного управління КПК у складі ІУС реального часу;

- розробка шаблонів проектування (патернів), які б забезпечили можливість побудови КПК з адаптивним механізмом функціонування;

- програмна реалізація прототипу запропонованого механізму адаптивного управління;

- експериментальне дослідження ефективності отриманих рішень та надання практичних рекомендації щодо їх поліпшення.

Об'єктом дослідження є процеси розробки та функціонування розподілених компонентних програмних комплексів, що застосовуються для автоматизації управління складними системами та технологічними процесами у різних галузях промисловості.

Предметом дослідження є моделі та інформаційні технології адаптивного управління функціонуванням компонентних програмних комплексів реального часу.

Методи дослідження базуються на сучасних концепціях і принципах розробки програмного забезпечення (ПЗ), на методах об'єктно-орієнтованого аналізу та синтезу ПЗ з використанням уніфікованої мови системного моделювання UML (Unified Modeling Language), а також на використанні: базових положень теорії управління, математичного апарату загальної теорії множин і методів логічного виводу на підставі прецедентів - для формалізації та розробки адаптивних процедур функціонування КПК; абстракцій еталонних системних архітектур і шаблонів проектних рішень - для формалізації процедур проектування програмних конструкцій адаптивних КПК; застосування метричних моделей та методів статистичного аналізу експериментальних даних - для оцінки продуктивності та надійності отриманих програмних рішень.

Наукова новизна. Наукова новизна роботи полягає у постановці і розв'язанні актуальної задачі розробки механізмів адаптивного управління розподіленими КПК. В результаті розв'язання цієї задачі одержані такі нові наукові результати.

Дістало подальший розвиток постановка задачі ефективного управління розподіленими КПК на основі методів композиційної адаптації за умов постійних змін в середовищі їх функціонування.

Вперше запропоновані структурні та аналітичні моделі синхронних та асинхронних багатопоточних режимів функціонування складних компонентних програмних комплексів класу “клієнт -сервер”, що дозволяє формалізувати та досліджувати особливості функціонування таких програмних систем.

Вперше побудована загальна архітектура адаптивного багатопоточного механізму управління розподіленими компонентними програмними комплексами і з використанням методів логічного виводу на підставі аналізу прецедентів розроблені процедури вибору необхідного режиму роботи КПК при змінах, які виникають у середовищі його функціонування, що забезпечує отримання заданих значень продуктивності та надійності обробки даних.

Удосконалено інформаційну технологію та методику оцінки продуктивності та надійності обчислювальних процесів в компонентних програмних комплексах, що дозволяє досліджувати особливості функціонування таких програмних систем в різних варіантах реалізації та надавати практичні рекомендації щодо підвищення їх ефективності.

Практичне значення одержаних результатів. Сформовано модельно-технологічний інструментарій, що дозволяє ефективно реалізувати запропонований механізм адаптивного управління функціонуванням розподілених КПК. Розроблені та реалізовані уніфіковані програмні компоненти, що можуть бути повторно використані в ІУС реального часу, які зокрема застосовуються у складі АСУ ТП на газовидобуваючих підприємствах. Одержані в роботі результати були використані в розробках по держбюджетній темі ДР № 0103U001543, а також запроваджені в навчальному процесі кафедри АСУ НТУ “ХПІ” у дисциплінах “Проектування ІУС”, “Реінжиніринг ІУС”, що підтверджено відповідними актами впровадження та довідкою про викори-стання. Окремі компоненти реалізованого програмного забезпечення були використані при створенні діючого макету Web-базованої ІУС промислової установки комплексної переробки нафти та газу (УКПНГ), який був представ-лений у складі експозиції НТУ ”ХПІ” на міжнародних науково-технічних вис-тавках CeBIT'2006 (Ганновер, Німеччина) та ”Барвиста Україна - 2007” (Київ).

Особистий внесок здобувача. Усі наукові результати, викладені в дисертації, отримані здобувачем особисто, серед них: аналітичний огляд існуючих CASE-систем та інформаційних технологій для розробки компонентних ІУС; програмна архітектура інструментального комплексу для моделювання роботи КПК; класифікація механізмів адаптивного управління в КПК, формалізовані структурні моделі синхронних та асинхронних багатопоточних схем функціонування складних КПК класу “клієнт-сервер”; аналітичні моделі та результати оцінки ефективності обчислювальних процесів в КПК класу “клієнт-сервер”; постановка задачі моделювання КПК для оцінки його продуктивності; програмна архітектура середовища та методика дослідження характеристик функціонування КПК.

Апробація результатів дисертації.

Результати досліджень доповідалися і обговорювалися на міжнародних

науково-практичних конференціях “Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье - 05,06,07” (Харків, 2005,2006,2007), на 3-й міжнародній конференції “Сучасні комп'ютерні системи та мережі: розробка та використання - 2007”, (Львів, 2007), а також на наукових семінарах кафедри автоматизованих систем управління і кафедри системного аналізу та управління НТУ ”ХПІ”.

Публікації. По результатам дисертаційного дослідження опубліковано 8 друкованих робіт, з них 4 - у фахових виданнях, що відповідають переліку ВАК України.

Структура роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел з 130 найменувань і двох додатків. Повний обсяг дисертації складає 158 сторінок, з яких 124 основного тексту, робота містить 50 рисунків та 13 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкривається сучасний стан деяких проблем створення компонентних програмних систем, із зосередженням особливої уваги на питаннях розробки та експлуатації адаптивних КПК, обґрунтовується актуальність теми та формулюється мета дисертаційної роботи. Визначені об'єкт, предмет та методи дослідження, наводиться наукова новизна і практична цінність отриманих результатів.

У першому розділі розглянуті основні питання розробки сучасних КПК та визначені деякі особливості впливу компонентної парадигми розробки ПЗ як на загальні уявлення щодо моделей життєвого циклу розробки ІУС так і на конкретні технологічні аспекти їх реалізації та подальшої експлуатації та модернізації (реінжинірингу) в умовах постійних змін у навколишньому середовищі. Розглянуті основні напрямки сучасних досліджень в області розробки компонентного ПЗ і звернено увагу на поширення тенденції щодо використання кібернетичних принципів як для організації процесів розробки ПЗ, так і для створення механізмів управління окремими складними типами КПК. Як приклад, досить важливого класу таких програмних об'єктів, у роботі розглянуто КПК з архітектурою “клієнт-сервер” у складі типової SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) системи, що досить широко використовується у реальних АСУ ТП на нафто-газовидобуваючих підприємствах, к тому числі у Харківському регіоні. Проаналізовано деякі основні проблеми функціонування існуючих КПР у таких системах, зокрема і таких, що будуються на підставі діючого індустріального стандарту OPC (OLE for Process Control) та визначені науково-технічні проблеми, що мають бути вирішеними для подолання цих недоліків.

На основі проведених досліджень сформульовані зазначені вище мета та задачі виконання дисертаційної роботи.

Другий розділ присвячено дослідженню деяких методологічних основ розробки механізмів підвищення ефективності управління функціонуванням розподілених програмних систем, формалізації обчислювальних процесів, що відбуваються в складних КПК і розробці загальної схеми адаптивного КПК у складі програмної архітектури ІУС реального часу.

З цією метою в роботі, на підставі аналізу інформаційних джерел, наведено узагальнюючу класифікацію проблемних напрямків розробки адаптивних технологій у сфері сучасної програмної інженерії (див. рис. 1). В контексті цієї класифікації визначено тип задач адаптивного управління, які вирішуються в подальшому в роботі, а саме: побудова механізму ефективного управління функціонуванням вже існуючих КПК за умов можливих змін у середовищі їх функціонування на основі так званої композиційної адаптації, яка передбачає застосування як параметрично так і алгоритмічного підходів.

Виходячи з цього, формулюються задачі, що мають бути вирішені для побудови адаптивного механізму управління розподілених КПК з урахуванням специфіки їх архітектури та технології реалізації.

Задача 1. Формалізація, розробка та дослідження структурних та аналітичних моделей обчислювальних процесів, що відбуваються в складних КПК, з метою ідентифікації параметрів критичних режимів їх роботи та забезпечення можливості реалізації зворотного зв'язку в адаптивних схемах управління ними.

Задача 2. Мотивований вибір відповідного механізму реалізації адаптив-ного управління КПК, з урахуванням особливостей технології їх побудови та функціонування в у складі ІУС реального часу.

Задача 3. Розробка та дослідження властивостей типової програмної архітектури для реалізації запропонованого механізму адаптивного управління КПК.

Для розв'язання задачі 1 в роботі проаналізовані деякі існуючі підходи до формалізованого опису функціонування програмного забезпечення і зазначено, що одним з суттєвих недоліків є обмежена можливість їх застосування щодо моделювання обчислювальних процесів в програмних системах типу “клієнт-сервер”. Для вирішення цієї проблеми в роботі зроблено припущення, що такі процеси можна досить адекватно поділити на три окремі групи, а саме:

- синхронна обробка групи запитів сервером системи: при цьому на сервері одразу може знаходиться запитів, і за допомогою відповідного кешування пам'яті сервер послідовно обробляє їх та підправляє результати клієнтським додаткам (далі просто - клієнтам), а клієнт не продовжує відправку запитів, доки не отримує всі відповіді сервера;

- асинхронна обробка запитів на сервері: при такому режимі клієнт може відправити новий запит на сервер не дочекавшись обробки попереднього, але існує спеціальний механізм, який слідкує за тим, щоб кількість запитів, що обробляються на сервері, завжди дорівнювало певному наперед заданому їх числу;

- “ідеальна” обробка запитів: у цьому випадку клієнт відправляє поточний запит на сервер системи лише тоді, коли той буде готовий його прийняти та обробити без затримки в черзі, при цьому припускається, що частота відправки запитів дорівнює частоті отримання результатів їх обробки, що відповідає оптимальному (або адаптованому) режиму роботи КПК.

З метою якісної оцінки роботи цих схем в роботі побудовані відповідні графи виконання та відповідні часові діаграми, приклад яких для синхронної обробки даних показано на рис. 2, (а) і (б) відповідно. Для побудови аналітичних виразів, що дозволяють отримати оцінки обчислювальних процесів у часі, необхідно формалізувати механізми роботи КПК у режимі клієнт-сервер. Для цього, за умов деяких спрощень, сервер може розглядатися як обчислювальна структура, що є складається з деякої кількості послідовно з'єднаних функціональних блоків (ФБ) типу ”чорних скриньок”.

На вхід такої структури подається запит клієнта, а на виході формується результат обробки даних цією структурою, тобто відповідь клієнту.

З цього рисунку є очевидним, що один запит буде оброблено сервером за час , що дорівнює

, (1)



Розглядаючи структуру сервера, можливо визначити ще один очевидний висновок і отримати відповідний аналітичний вираз, а саме: якщо запити на сервер відправляють постійно, без затримок, то на виході відповіді будуть формуватися з періодичністю , що дорівнює

. (2)

Не втрачаючи загальності підходу до вирішення поставленої задачі, в роботі її розглянуто для випадку, коли сервер складається з двох ФБ. Якщо перший з - запитів, які були отримані сервером, буде оброблено ним за відрізок часу, що визначається виразом (1), то відповіді сервера на наступні за ним запити у кількості , будуть утворюватися з періодичністю, що визначається за виразом (2). Оскільки усього на вхід сервера поступає запитів, то середній відрізок часу обробки одного запиту в системі буде дорівнювати

. (3)

При асинхронному варіанті функціонування відповідного КПК клієнт установлює деяке максимально можливе значення кількості запитів на сервері та стежить за тим, щоб воно було постійним. При такій схемі обробки поточний запит, що є посланим на сервер, буде оброблятися з деякою часовою затримкою по відношенню до останнього елемента в вже існуючий групі запитів, які вже отримані сервером. При цьому можливі два варіанти подальшої їх обробки, а саме:

1) черговий запит досилається клієнтом, коли сервером обробляється перший з групи вже існуючих запитів; тоді, враховуючі те, що на сервері залишається ще запитів і періодичність їх обробки визначається формулою (2), для оцінки часової затримки може бути використана наступна формула

; (5)

2) якщо ж досилання чергового запита проходить в такий момент часу, який відрізняється від розглянутого вище та при цьому в черзі на сервері знаходиться ще інших запитів, то тоді середній час обробки запиту на сервері становить величину, що дорівнює

, (6)

а з урахуванням виразу (5) формула для цієї оцінки остаточно приймає наступний вигляд:

. (7)

Сукупність виразів (1)-(7) дає формалізований опис механізму функціонування складного КПК з урахуванням його структурних особливостей, що дозволяє отримувати попередні аналітичні оцінки продуктивності його роботи за умов постійних змін обчислювального навантаження в операційному середовищі.

Для вирішенні задачі 2 в роботі звернено увагу на те, що сучасні КПК, які розробляються з використанням таких технологій як MS COM/DCOM, J2EE та Web Services є складними розподіленими системами, з багатовимірними та слабоформалізованими параметрами та чинниками впливу. Тому для реалізації адаптивного управління КПК за умов постійних змін в операційному середовищі їх функціонуванням є цілком виправданим використання експертних методів пошуку відповідних рішень, і, зокрема технології логічного виводу на підставі аналізу прецедентів (case-based reasoning - CBR). Загальну модель прецеденту подано у вигляді

, (8),

де - вектор параметрів опису проблемної ситуації, - вектор відповідних управляючих параметрів. Розглянуто всі основні етапи застосування CBR-технології: пошук у відповідному масиві вже накопичених прецедентів; застосування знайденої інформації для вирішення існуючої проблеми, аналіз отриманих результатів та занесення поточного прецеденту до їх масиву. З урахуванням особливостей класу об'єктів управління, що досліджуються в роботі, а саме: КПК у складі ІУС реального часу, надано конкретне визначення складових виразу (8), а саме: опис проблемної ситуації

,

де - час обробки одного запиту (напр., в мс), - величина надійності обробки даних, тобто ; вектор параметрів адаптивного управління

, (10)

де - кількість обчис-лювальних потоків, що мають бути імплементовані на сервері. Найбільш складним та впливовим на загальну ефективність CBR - підходу є етап пошуку релевантних прецедентів, який потребує визначення відповідної метрики у багатовимірному просторі їх ознак, у якості якої можуть бути використані міра Роджерса-Танімото, відстань Махалонобіса, Манхеттенська метрика та деякі інші. Зважаючи на те, що згідно виразів (9)-(10), в існуючий постановці задачі пошуку адаптивного управління КПК прецеденти описуються признаками, які вимірюються за суто кількісними (або так званими сильними) шкалами, в роботі зроблено цілком мотивоване припущення щодо можливості застосування адекватної метрики у вигляді Евклідової відстані.

І, нарешті, для розв'язання задачі 3 запропоновано використати апробований та цілком виправданий у контексті даної роботи проектний підхід, який передбачає розробку певних базових архітектурних шаблонів (патернів), що дозволяє побудувати еталонну програмну архітектуру для реалізації механізму адаптивного управління КПК.

Запропоновані у другому розділі методологічні підходи, розроблені структурно-аналітичні моделі та розглянуті технології є концептуальною основою для подальшої розробки архітектурних рішень та процедур, що уможливлюють побудову та експериментальне дослідження адаптивних схем функціонування складних КПК.

В третьому розділі розроблена функціональна архітектура механізму управління розподіленими КПК, запропонована процедура пошуку адаптивних рішень із застосування методів логічного виводу на основі аналізу прецедентів та наведені проектні шаблони (патерни) для ефективної програмної реалізації цієї системної архітектури.

На прикладі аналізу системних вимог щодо досить поширеного класу КПК, а саме: до серверу обміну даними (СОД) у складі SCADA-системи, роз-роблена його системна архітектура з адаптивним режимом функціонування, яка наведена на рис. 4. Вона побудована як застосуванням уніфікованих компо-нентів стандарту OPC так і використанням розглянутих та досліджених вище схем багатопоточності, а саме, в ній передбачено наявність 3-х паралельних обчислювальних потоків: 1) потік формування запитів (в синхронному або в асинхронному режимах); 2) потік обробки отриманих даних; 3) окремий потік прийняття рішень, який безпосередньо забезпечує можливість функціонування блоку адаптивного управління (БАУ). Функціонально до БАУ належать: системний буфер (СБ), де формуються дані, які характеризують наявну проблемну ситуацію (НПС) при функціонуванні системи; база даних прецедентів (БДП) та блок пошуку рішень (БПР) на основі CBR - технології.

Для наведеної моделі опису прецедентів (8) в роботі розглянуто два можливих методи застосування CBR-технології та запропонована загальна процедура роботи БПР для адаптивного КПК, яка містить наступні кроки.

Крок 1. Передумовою коректної роботи БАУ є припущення щодо наявності в БДП певної кількості прецедентів , всі значення параметрів опису проблемних ситуацій в яких є нормованими. Для цього БПР проводить їх перевірку шляхом застосування наступної формули для визначення відповідного нормованого значення

, , , (11)

де - значення i-ого параметру для j-ого прецеденту, -відповідно, його мінімальне та максимальне значення; - потужність множини параметрів опису проблемних ситуацій для кожного прецеденту, - потужність множини прецедентів.

Крок 2. На вхід БПР подається опис НПС, яка виникла в операційному середовищі функціонування КПК в момент часу , у вигляді сукупності нормованих значень параметрів в , які знаходяться згідно формулі

, , , (12)

де - значення -го параметру опису НПС в момент часу .

Крок 3. Визначається міра близькості НПС щодо кожного з наявних прецедентів за всіма його ознаками, для чого, як це було зазначено у другому розділі, є можливим використовувати метрику у вигляді Евклідової відстані

, , . (13)

Крок 4. Для кожного прецеденту обчислюється його ваговий коефіцієнт щодо НПС, яка розглядається, при цьому з метою зменшення впливу прецедентів, які знаходяться на більшій відстані від НПС, застосовується наступне визначення:

, , (14)

де - вага j-ого прецеденту відносно НПС серед загальної кількості прецедентів. Таким чином, прецедент, що знаходиться найближче до НПС, має найбільшу вагу.

Крок 5. Параметр адаптивного управління щодо НПС, який має бути визначеним на підставі аналізу подібних прецедентів, визначається як середньозважене значення таких параметрів щодо всіх наявних в БДП прецедентів. З урахуванням виразів (10) і (14) це виконується за формулою



,, , (15)

де - кількість обчислювальних потоків, що потрібні для паралельної обробки даних на сервері у разі виникнення НПС.

Для програмної реалізації запропонованої архітектури адаптивного механізму управління (див. рис. 4) в роботі розглянуто альтернативні можливості побудови СОД в ІУС реального часу та розроблені відповідні проектні шаблони (патерни), які забезпечують технологічну можливість внесення змін в його компонентну структуру під час функціонування системи.

У четвертому розділі розроблено інформаційну технологію для реалізації та дослідження адаптивних схем функціонування КПК у складі ІУС реального часу, оброблена статистика виконання програмних тестів проведених експериментів, виконано аналіз експериментальних результатів та надані практичні рекомендації щодо поліпшення експлуатаційних характеристик КПК.

Експериментальна частина роботи складається з двох блоків: 1) розроблено програмний імітатор (ПІМ) для дослідження адекватності побудованих аналітичних моделей (1)-(7) оцінки роботи КПР у різних режимах їх функціонування, 2) програмно реалізовано та експериментально досліджено першу версію БАУ, що працює на основі запропонованого алгоритму з застосуванням технології логічного виводу на підставі прецедентів (9)-(15). Слід зазначити, що обидва програмні комплекси: ПІМ і БАУ реалізовані за допомогою інструментарію JDK 1.6, який не потребує відповідної ліцензії.

Розроблена функціональність ПІМ забезпечує для дослідника КПР такі основні можливості: настройка параметрів сервера - порт обміну даними та часовий інтервал затримки; настройка клієнтського додатку - URL сервера, порт, режим роботи - синхронний / асинхронний, максимальне число пакетів даних, що обробляються паралельно та деякі інші. Описано методику проведення експериментів, аналіз результатів яких дозволяє зробити такі висновки: 1) розбіжність значень параметру n - кількість паралельних обчислювальних потоків на сервері, отриманих за допомогою розроблених аналітичних моделей і тих, що були визначені при тестуванні, не перебільшує 5-7 %; 2) асинхронний режим роботи з досиланням запитів є приблизно на 12-15% більш ефективним, ніж режим синхронної обробки.

Логіка роботи БАУ показана на UML-діаграмі послідовностей, яка наведена на рис. 6. Для накопичення та обробки інформації щодо прецедентів в структурі БАУ розроблено об'єктно-орієнтовану схему БДП, яка є абстрагованою від специфіки конкретної предметної області і дозволяє описувати будь-який прецедент у термінах “об'єкт, що має бути адаптованим” - “атрибут об'єкта” - “значення атрибуту".

При тестуванні запропонованих CBR-алгоритмів були задіяні експериментальні дані, які репрезентують відповідну БДП (її фрагмент показано в табл. 1), а в якості параметрів НПС, що має бути адаптованою, була розглянута типова конфігурація вхідних значень параметрів роботи СОД, а саме: “час відгуку = 30 мс”, “надійність = 0.98”. В табл. 2, відповідно, наведені результати розрахунків, які були отримані після виконання процедури (11)-(15).

Залежність міри близькості наявних в БД прецедентів до параметрів НПС, що має бути адаптованою. Як видно з цього графіку, а також за даними в табл. 1, прецедент с кількістю потоків n=4, має найменшу відстань та максимальний ваговий коефіцієнт (до речі, саме цей результат відповідає застосуванню CBR-технології за варіантом методу найближчого сусіда). В роботі показано, що в той же час, з використанням формул (11)-(15), які дозволяють адекватно врахувати наявність k-найближчих прецедентів, більш ефективне адаптивне рішення для даної НПС знаходиться при кількості потоків n=5, тому що воно при тому ж заданому рівні надійності (0.98), у порівнянні з раніше знайденим прецедентом дає відповідно виграш у часі обробки запитів СОД в середньому на 7 мс, тобто приблизно на 23 %.

В роботі також проведено експериментальне дослідження проблеми вибору різних методів пошуку потрібного прецеденту відносно двох критеріїв, а саме: 1) необхідної ступені точності визначення параметрів адаптивного управління КПК; 2) наявної повноти наповнення відповідної БДП. В результаті аналізу отриманих даних сформульовані практичні рекомендації щодо підвищення ефективності застосування цих методів за умов різних варіантів значень вищезгаданих критеріїв.

У додатках до дисертаційної роботи наведені детальні результати моделювання для різних варіантів реалізації БАУ за запропонованою методикою, а також опис моделі даних для БДП та коментовані фрагменти вихідних текстів програмних компонентів на мові Java.



ВИСНОВКИ

У роботі поставлена та вирішена науково-практична задача обґрунтованої розробки комплексу моделей та інформаційних технологій для адаптивного управління компонентними програмними комплексами у складі інформаційно-управляючих систем (ІУС), що працюють в реальному масштабі часу, на прикладі типової сучасних АСУ ТП на об'єктах нафто-газовидобування.

Проведено аналіз проблемних напрямків розробки адаптивних технологій у сфері сучасної програмної інженерії та запропоновано їх узагальнюючу класифікацію, що дозволяє в подальшому коректно ставити та вирішувати задачу створення адаптивного механізму роботи КПК, що функціонує у складі ІУС реального часу.

Розроблені формалізовані структурні та аналітичні моделі синхронних та асинхронних багатопоточних режимів функціонування складних КПК класу “клієнт-сервер”, що дозволяє: а) отримувати кількісні оцінки їх параметрів з метою ідентифікації критичних режимів їх роботи; б) забезпечити можливість реалізації зворотного зв'язку в адаптивних схемах управління ними.

Розроблені процедури для пошуку рішень щодо адаптивного управління КПК, які використовують методи логічного виводу на підставі аналізу прецедентів, що забезпечує можливість пошуку режимів ефективного функціонування КПК, тобто таких, які мають задані значення продуктивності та надійності.

Запропонована програмна архітектура, яка будується з використанням проектних шаблонів (патернів), що дозволяє ефективно реалізувати розроблений механізм адаптивного управління функціонуванням розподілених КПК для досить широкого класу систем типу “клієнт-сервер”, а саме, серверу обміну даними в SCADA-системі.

Розроблено інформаційну технологію та методику оцінки продуктивності та надійності обчислювальних процесів в КПК, що дозволяє досліджувати особливості функціонування таких програмних систем в різних варіантах реалізації та надавати практичні рекомендації щодо підвищення їх ефективності.

Одержані в роботі теоретичні та практичні результати використані в наукових звітах при виконанні держбюджетної теми МОН України "Розробка інформаційних моделей для реалізації процедур структурного синтезу в комп'ютерно-інтегрованих системах" (ДР № 0103U001543), а також запроваджені в навчальному процесі кафедри АСУ НТУ “ХПІ” ” при викладанні дисциплін “Проектування ІУС” та “Реінжиніринг ІУС”.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Ткачук Н.В., Аль-Хассание Захер. Адаптивные технологии разработки и сопровождения информационно-управляющих систем: современное состояние и перспективы развития // Вісник Національного технічного університету "ХПІ" - Харків: НТУ ”ХПІ”. - 2005. - № 19. - С.125-134.

Здобувачу належить аналітичний огляд існуючих CASE-систем та інформаційних технологій для розробки компонентних ІУС.

2. Ткачук Н.В., Полковников С.В., Аль-Хассание Захер Многоуровневая композиционная схема моделирования и оценки компонентных программных решений // Радиоелектронні і комп'ютерні системи. - Харків: Національний аерокосмічний університет ім. М.Є Жуковського “Харківський авіаційний інститут”. - 2006. - № 4. - С. 93-99.

Здобувачем запропонована програмна архітектура інструментального комплексу для моделювання роботи КПК.

3. Ткачук Н.В., Аль-Хассание Захер, Полковников С.В. Разработка и исследование адаптивных схем обмена данными в информационно-управляющих системах реального времени//Вісник Національного технічного університету "ХПІ"-Харків:НТУ”ХПІ”.-2007. - № 7. - С.101-109.

Здобувачем розроблені структурні моделі синхронних та асинхронних багатопоточних схем функціонування складних КПК.

4. Аль-Хассание Захер, Ткачук Н.В. Аналитические модели оценки вычис-лительных процессов в программных системах типа “клиент-сервер” // Схід-но-Европейський журнал передових технологій, № 4/2 (28). - 2007. - С. 9-12.

Здобувачем запропоновано аналітичні моделі та результати оцінки ефективності обчислювальних процесів в КПК класу “кліент-сервер”.

5. Ткачук Н.В., Аль Хассание З. Адаптивные технологии разработки ПО как инструмент повышения эффективности инновационных решений при проектировании сложных ИУС // Управління розвитком. - Харків: Збірник наукових робіт ХНЕУ. - 2005, № 3. - С. 73 - 74.

Здобувачем запропоновано постановка задачі моделювання функціонування КПК для оцінки його продуктивності.

6. Ткачук Н.В., Полковников С.В., Аль-Хассание Захер. Об одном подходе к адаптивному управлению программными компонентами в информационных системах реального времени // Программа XIV межд. научн.- практ. конференции “Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье”. - Харьков, НТУ “ХПИ”, 2006. - С.8 .

Здобувачем дана класифікація підходів до адаптивного управління в КПК.

7. Аль-Хассание Захер. Разработка шаблонов проектирования для реализации программного комплекса с встроенным механизмом адаптивного управления // Анотації доповідей XV міжнародної. науково - практ. конференції “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я- Харьков, НТУ “ХПІ”. - 2007. - C. 6.

8. M.V. Tkachuk, A.O. Zemlyaniy, Zaher Al-Hassanie, S.V. Polkovnikov Adaptive Macro-Designing Framework for Distributed Multi-level Process Control Systems // Матеріали 3-ї міжнародної науково-технічної конференції ACSN-2007 “Сучасні комп'ютерні системи та мережі: розробка та використання”. - Львів: НУ “Львівська політехніка””, 2007. - С.20-24.

Здобувачем запропоновано програмна архітектура середовища та методика дослідження характеристик функціонування КПК.

Размещено на Allbest.ru

...