Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова

На правах рукопису

УДК 519.8.3 і 3.014

05.13.13 - обчислювальні машини, системи та мережі

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Проблема обґрунтування вибору характеристик

ЕОМ реального часу для розв'язання задач

керування та обробки даних

Мороз-Подворчан Ігор Григорович

Київ-2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Боюн Віталій Петрович, Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України, завідувач відділу управляючих машин,

доктор технічних наук, професор, академік НАН України Скуріхін Володимир Ілліч, завідувач відділу, Міжнародний науково-навчальний центр інформаційних технологій та систем НАН України та МОН України,

доктор технічних наук Цикунов Ігор Кирилович, пенсіонер.

Провідна установа: Інститут проблем математичних машин і систем НАН України, відділення обчислювальних комплексів та програмного забезпечення, м. Київ.

Захист відбудеться 26 квітня 2006 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.194.03 при Інституті кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України за адресою: 03680, МПС, Київ-187, проспект Академіка Глушкова, 40.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України.

Автореферат розісланий 31 січня 2006 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Романов В.О.

Анотації

Мороз-Подворчан І.Г. Проблема обґрунтування вибору характеристик ЕОМ реального часу для розв'язання задач керування та обробки даних. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.13 - обчислювальні машини, системи та мережі. - Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України, Київ, 2005.

Досліджено проблему обґрунтування вибору проектних рішень. Розроблено задачний підхід до обґрунтованого вибору характеристик спеціалізованих ЕОМ реального часу, що підвищує якість проектування. Результати досліджень були ефективно використані при проектуванні низки різних автоматизованих об'єктів нової техніки, що функціонують у реальному часі. Загальні положення задачного підходу можуть бути поширені на області обґрунтування вибору проектних рішень широкої природи, включаючи складноорганізовані системи.

Ключові слова: область допустимих значень параметрів, ієрархія вимог до ЕОМ, багатоетапне проектування ЕОМ реального часу.

Мороз-Подворчан И.Г. Проблема обоснования выбора характеристик ЭВМ реального времени для решения задач управления и обработки данных. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.13.13 - вычислительные машины, системы и сети. - Институт кибернетики имени В.М. Глушкова НАН Украины, Киев, 2005.

Диссертационные исследования, ориентированные на разработку актуального раздела теории обоснованного проектирования ЭВМ - аванпроектирования (предпроектирования) специализированных ЭВМ реального времени, - привели к таким основным результатам. Получено решение проблемы обоснования выбора характеристик ЭВМ реального времени, занимающей центральное место в проектировании специализированных ЭВМ для встраивания в высокоответственные системы управления и обработки данных.

Разработан более эффективный, чем критериальный, задачный подход к обоснованию выбора вариантов проектных решений, отображающий постепенный переход от представлений об искомой ЭВМ в функциональных характеристиках, которые устанавливаются пользователями, к представлениям в обеспечивающих технических характеристиках, получаемых разработчиками (насколько это удается). Подход базируется на первоочередном формировании и последующих этапных трансформациях области допустимых значений параметров решаемых задач, которая служит развернутым ТЗ на проектирование, более информативным, чем сосредоточенное ТЗ критериального вида.

Разработана методика обоснованного проектирования (выбора целей, средств и направления проектирования) на начальных (задающих) этапах, являющаяся конкретизацией задачного подхода применительно к специализированным ЭВМ и базирующаяся на составлении и этапных насыщениях проектными данными граф-схемы переработки управляющей информации в ЭВМ во времени, что интерпретирует процессы решения данных задач управления в автоматизируемых системах.

Детализация задачного подхода выразилась в разработке связанных с повышением качества составления и выполнения ТЗ положений, включая методы предзадач и спорных ситуаций, а также квазилинейный порядок на множестве векторов требований к характеристикам проектируемых ЭВМ. Кроме того, рассмотрены конкретные задачи, иллюстрирующие применение методики аванпроектирования специализированных ЭВМ реального времени на этапах. Выбранные задачи - одна траекторная задача, задачи переработки матричной информации, одна задача двухканальной переработки информации - также имеют самостоятельное научно-практическое значение.

В целом основной тезис задачного подхода, особенно важный в случае специализированных ЭВМ, состоит в утверждении, что более обоснованное (с меньшими потерями релевантной информации) проектирование данной ЭВМ должно начинаться в сфере ее предполагаемого использования и продолжаться в сфере ее непосредственной разработки с рас-смотрением бульшего числа подходящих вариантов постановок и решений, что в значительной степени зависит от человеческого фактора. И хотя по сравнению с компактным и "всегда результативным" критериальным подходом "не всегда результативный" задачный подход, реализация которого в общем случае является, по сути, научно-исследовательским процессом, выглядит ощутимо громоздким, такую сложность следует считать необходимой платой за более высокий уровень обоснованности результатов проектирования.

Полученные результаты были использованы в первую очередь при выполнении ряда директивно заданных тем, направленных на создание автоматизированных объектов новой техники, которые функционируют в реальном времени. Общие положения задачного под-хода распространимы на обоснование выбора проектных решений широкой природы, в том числе в области различных сложноорганизованных систем.

Ключевые слова: область допустимых значений параметров, иерархия требований к ЭВМ, многоэтапное проектирование ЭВМ реального времени.

Moroz-Podvorchan I.G. The problem of substantiation of the parameters choice towards real-time computers for control and date processing. - Manuscript.

Thesis for doctor's degree by speciality 05.13.13 - computers, systems and networks. The Institute of Cybernetics named after V.M. Glushkov of National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, 2005.

The problem of substantiation of the designed decisions choice is investigated. A comprehensive approach is elaborated to substantiation of the choice of special real-time computers parameters which raises quality of designing

The obtained results were efficiently used in a number on some projects concerning the different automatized objects of new technics functioning in real time.

Some general thesises of the comprehensive approach also can be used in substantiation of the project decisions choice in the broad sense including systems with complex structure.

Key words: domain of permissible values of parameters, hierarchy of requirements, multilevel designing of real-time computers.

Загальна характеристика роботи

Дана дисертаційна робота стосується пошуків оптимальних властивостей (характеристик, показників) проектованих електронно-обчислювальних машин (ЕОМ) у широкому розумінні й належить до розділу, де перехрещуються напрямки вибору оптимальних рішень, аванпроектування (передпроектування) ЕОМ і проектування ЕОМ реального часу (ЕОМ РЧ). Першочерговим об'єктом досліджень дисертації є методологічні й методичні питання обґрунтування вибору дійсно потрібних характеристик ЕОМ, коректні відповіді на які обумовлюють створення практично корисних теорій проектування ЕОМ РЧ. Через відносну недостатність розвитку необхідного апарату, структурну і змістовну складність об'єкта й істотність впливу результатів на ефективність проектування ЕОМ РЧ комплекс наведених досліджень має проблемний характер і суттєве прикладне значення, особливо відчутне при проектуванні спеціалізованих ЕОМ РЧ для розробки високовідповідальних систем переробки інформації в реальному часі.

У дисертації наведено результати, здобуті автором у 1970-1993 рр. і доповнені за 1994-2003 роки.

Актуальність теми. Дослідження умов і способів ефективного проектування спеціалізованих ЕОМ РЧ, призначених для автоматизації систем керування та обробки даних у реальному часі, у тому числі різноманітних систем спеціального застосування, - традиційно актуальний напрямок.

Проблема обґрунтування вибору характеристик ЕОМ РЧ є особливо актуальною у складних і важливих проектах, коли поява помилок більш ймовірна, а їхня значущість більш висока. Крім того, проблема актуалізується природними науковими передумовами: пошуками методів вибору рішень, які були б одночасно і більш загальними, і більш продуктивними в конкретних ситуаціях.

Стан проблеми. Стосовно будь-яких ЕОМ, у тому числі ЕОМ РЧ, проблема обґрунтування вибору проектних рішень трактується таким чином. Потрібно знайти правило (метод, процедуру), користуючись яким можна було б так пов'язувати мету (ціль) вибору із засобами її досягнення, аби безпомилково (на рівні вихідних даних і уявлень, що склалися) вибирати ті варіанти ЕОМ, котрі більшою (і достатньою) мірою підходять для даної ситуації та вибираються з множини конкретно розглядуваних варіантів, що описуються сукупностями своїх характеристик.

Зазвичай тут використовується критеріальний підхід, де ціль вибору ЕОМ ототожнюється з максимізацією (мінімізацією) деякого критерію - критеріального функціонала, що об'єднує істотні характеристики ЕОМ. Ті варіанти ЕОМ, що описуються характеристиками, які максимізують даний критерій, вважаються шуканими - оптимальними в розумінні цього критерію. Такий підхід ґрунтується на неявному твердженні, що для будь-якої ситуації можна завжди "в якийсь спосіб" підібрати "свій" адекватний критерій. Найбільш поширена тенденція полягає, по-перше, у пошуках зазначених критеріїв, по-друге, у способах розширити області їх дії аж до побудови "єдиних універсальних критеріїв", наприклад критеріїв типу "узагальнена продуктивність проектованої ЕОМ у різних ситуаціях" (навіть до побудови деякого "глобального критерію").

Однак стабільні негативні результати за довільного розширення областей застосування, безуспішні спроби побудови широко ефективних універсальних критеріїв і певна обмеженість у використанні інших критеріальних правил вибору (наприклад, при "багатокритеріальній оптимізації" або "оптимізації з послідовним використанням критеpіїв") спонукають до висновку про суттєво більше багатство ситуацій і про більш складну в загальному випадку структуру цілі вибору ЕОМ, ніж це вважається в рамках критеріального підходу. Підтвердженням цьому є випадки незатребуваності ряду "внутрішньо хороших ЕОМ", які в практично важливих "зовнішніх" ситуаціях не кращим чином задовольняли або взагалі не задовольняли відповідні вимоги, що є типовим для переробки інформації при розв'язанні конкретних задач керування та обробки даних РЧ. Якщо використання критеріальних засобів до вибору ЕОМ вільного часу (ЕОМ ВЧ) частіше приводить до визначення характеристик, значення яких допустимі для "нормального" функціонування, то визначені тими ж засобами характеристики ЕОМ РЧ (причому в загальному випадку не тільки саме часові, але й інші специфічно істотні) можуть виявитися функціонально неприйнятними. Ці обставини змушують продовжувати пошуки підходів до вибору характеристик ЕОМ РЧ, які були б вільні від наведених недоліків і обумовлювали більш якісне проектування.

Базою для досліджень тут служать в першу чергу ідеї та результати В.М. Глушкова, О.С. Вентцель та Х. Райфи, які глибше та продуктивніше інших підійшли до проблеми обґрунтування вибору й оцінок можливостей критеріїв і методів оптимізації, а також тематично близькі роботи деяких авторів.

Об'єкт, предмет, цілі та задачі дослідження. Об'єкт дослідження - обґрунтування вибору проектних рішень. Предмет дослідження - обґрунтування вибору характеристик ЕОМ РЧ. Основна мета дослідження - розробка практично корисних теоретичних положень, орієнтованих на обґрунтування вибору характеристик при аванпроектуванні спеціалізованих ЕОМ РЧ.

Основні задачі:

- постановка задачі обґрунтування вибору рішень стосовно проектування ЕОМ;

- оцінка продуктивності критеріального підходу до обґрунтування вибору часових характеристик проектованих ЕОМ;

- розробка положень більш продуктивного задачного підходу до обґрунтування вибору характеристик проектованих ЕОМ РЧ;

- ілюстративне використання розроблених положень на етапах проектування спеціалізованих ЕОМ РЧ.

Методи досліджень. У роботі застосовано теоретико-прикладний метод. Прикладний аспект досліджень пов'язаний із запитами організацій-розробників і користувачів спеціалізованої обчислювальної техніки в системах керування та обробки даних РЧ. Теоретичний аспект пов'язаний з досягненнями в розділах теорії обчислювальних машин, комплексів і систем, у розділах дослідження операцій, теорії ігор та системного аналізу.

Наукова новизна. Напрямок обґрунтування вибору проектних рішень у теорії ЕОМ розроблений порівняно замало. У цьому аспекті в рамках досліджень щодо проблеми обґрунтування вибору характеристик ЕОМ РЧ автором зроблено внесок у розвиток даного напрямку. Судячи з доступної літератури, низка результатів, здобутих автором, є оригінальною і зберігає свою новизну.

Сукупність розроблених і досліджених у дисертації методологічних і методичних положень, де центральне місце займає запропонований автором задачний підхід, належить до змісту нового розділу теорії обґрунтованого проектування ЕОМ, у першу чергу стосовно проектування спеціалізованих ЕОМ РЧ.

Сутність наукової новизни даної дисертації полягає в запропонованих автором способах визначення та реалізації позиції, що обґрунтованість проектних рішень, які приймаються (вибираються), прямо залежить від обсягу корисної (релевантної) інформації у вихідних даних, від її збереження при проектних перетвореннях і що на результативність обґрунтованого проектування - отримання (або вказівку) варіантів ЕОМ з характеристиками, які більшою мірою задовольняють поставлені вимоги, - також безпосередньо впливають не тільки можливості використаних методів, але й здібності проектувальників ЕОМ, що особливо виразно виявляється у випадках, коли йдеться про проектування якісно нових спеціалізованих ЕОМ РЧ для використання в нетривіальних ситуаціях керування та обробки даних.

Контекстуально це означає глибоке оперування інформативним ТЗ, починаючи з етапу його початкового складання (який слід вважати необхідним етапом усього процесу проектування ЕОМ) у формі так званої "області допустимих значень параметрів розв'язання даної задачі в даних супровідних умовах", що складає зміст проектних вимог, і продовжуючи в трансформаціях (і можливих коректуючих доповненнях) на наступних етапах проектування. При цьому вимоги до функціональних (цільових) характеристик ЕОМ в установленому порядку перетворюються на вимоги до технічних характеристик, виконання яких необхідне для забезпечення досягнення заданих значень наведених функціональних характеристик (наскільки це конкретно можливо). Основою для таких проектно-інформаційних перетворень є операція підстановки етапно розглядуваних варіантів ЕОМ, які представлені їхніми характеристиками, з відповідним виділенням останніх як чергових вимог до наступного етапу зі своїми варіантами ЕОМ. У такий спосіб відбувається перехід від задавальних уявлень про шукані властивості (вимоги-характеристики) проектованих ЕОМ у поняттях користувачів до відображувальних уявлень у поняттях розробників. Необхідність цього більш очевидна при проектуванні спеціалізованих ЕОМ РЧ, де потрібна вища визначеність, ніж при проектуванні ЕОМ ВЧ з більш широким застосуванням (як "універсальних" ЕОМ).

Структурно "область" являє собою множину векторів вимог до всіх значущих характеристик проектованих ЕОМ, на якій за допомогою відношень переваги та еквівалентності визначено так званий квазілінійний порядок, внаслідок чого утворюється ієрархія з виділенням нижньої межі допустимих вимог. У порівнянні з ТЗ критеріального виду, ядром якого є відносно невизначена вимога максимізації деякої характеристики ефективності ЕОМ, така конструкція ТЗ дозволяє формулювати значно більш визначені (прямі, безпосередні) вимоги та продуктивніше максимізувати відповідність цим вимогам сукупностей значень характеристик, які описують варіанти ЕОМ, що розглядаються в даній ситуації проектування, і тому є особливо придатною для обґрунтованого проектування спеціалізованих ЕОМ РЧ.

У цілому задачна технологія обґрунтування вибору ЕОМ інформативніша, ніж критеріальна. Вона дозволяє формувати більш повні й точні уявлення про дійсно потрібні характеристики ЕОМ і тому може служити еталоном при перевірці дієвості запропонованих критеріальних правил вибору ЕОМ.

Практичне значення одержаних результатів. Вибір даної наукової проблеми як теми дисертації викликаний необхідністю, що виникає при проектуванні спеціалізованих ЕОМ РЧ (СЕОМ РЧ) для використання у високовідповідальних автоматизованих системах (АС), насамперед на рівні визначальних дій головних конструкторів проектів, де технологічно першочерговим є установлення - і принципово важливим стосовно ЕОМ такого призначення "правильне" (обґрунтоване) установлення - мети (або причини) і орієнтації проектування. І тому практичність отриманих результатів дисертаційних досліджень слід оцінювати - також насамперед - за досягненнями в розв'язанні саме цієї проблеми, яка, зрозуміло, є центральною в наведеному випадку.

Основоположним у таких дослідженнях є формування реалістичних уявлень про можливості (і неможливості) обґрунтування вибору при проектуванні: пошуку, виділення, структуризації та реалізації доводів на користь варіантів ЕОМ, які вибираються. Це служить базою для побудови працездатних засобів обґрунтованого проектування як процесу надання ЕОМ необхідних властивостей при переході "від вихідних даних до шуканої ЕОМ" (наскільки це конкретно можна здійснити). Результати досліджень автора мають методологічну і методичну цінність. Вони показують специфіку проектування СЕОМ РЧ на визначальних (початкових) етапах і формують наступні основні позиції, що частково перехрещуються та взаємодоповнюються.

Показано, що на відміну від напрямку, коли ЕОМ спочатку проектуються у відповідності до деяких "внутрішніх" вимог, а потім здійснюється пошук області їх ефективного використання, проектуванню СЕОМ РЧ передує спрямоване вивчення даних областей використання визначених АС, що служать джерелами "зовнішніх" вимог, у відповідності до яких здійснюється пошук ефективних варіантів ЕОМ.

Показано, що на відміну від напрямку, коли ЕОМ проектуються "вільно", тобто лише із застосуванням деяких довільних критеріїв ефективності, проектування СЕОМ РЧ відбувається "вимушено", тобто у відповідності до жорстких вимог, поява яких диктується певними властивостями АС зі своїми поняттями ефективності, що описуються значеннями параметрів нормального функціонування.

Показано, що на відміну від напрямку, коли проектування ЕОМ як переробника інформації в цілому орієнтоване, насамперед, на підвищення загальної ("середньої") швидкодії, проектування СЕОМ РЧ орієнтоване, в першу чергу, на визначену переробку інформації в задані часові інтервали, що відображає специфіку швидкісних властивостей перебігу процесів керування та обробки даних в АС.

Показано також, що на відміну від напрямку, коли проектування ЕОМ починається лише після складання ТЗ і полягає в пошуках шляхів його ефективної реалізації, що залежить від діяльності розробників, проектування СЕОМ РЧ не обмежується цією стадією "власне проектування", а поширюється на стадію "передпроектування", де з'ясовуються джерельні передумови обґрунтованого вибору варіантів і складаються відповідно до них рівневі ТЗ, успіх у чому залежить від активної взаємодії розробників і користувачів проектованих ЕОМ.

Підкреслено необхідність глибокого оперування вихідними даними для зменшення ймовірності виникнення помилок, які "задаються" і, "проникаючи" в безпосереднє проектування СЕОМ РЧ, не будуть компенсуватися ніякими наступними перетвореннями, що може призвести до серйозних негативних наслідків при практичному використанні та знецінити будь-які продуктивні ідеї розробників.

Показано, що в досить складних ситуаціях проектування СЕОМ РЧ не зводиться до цілком формалізованого й автоматизованого одноетапного акту, а являє собою багатоетапний формально-творчий процес. При цьому придатність до автоматизації має тенденцію зменшуватися на більш ранніх етапах, а формальні дії спрямовані на утворення структури процесу, творчі - на заповнення цієї структури більш придатними варіантами, у тому числі такими, які здобуваються шляхом винахідництва (що узгоджується з практично установленим положенням про неможливість побудови єдиного модельного генератора усіх можливих варіантів ЕОМ).

Підкреслено залежність результатів проектування СЕОМ РЧ від так званого людського фактора, особливо в ситуаціях нетривіальних і таких, що вимагають порівняно швидкого оперування проектними даними, коли постановки нових задач обумовлюють пошуки нових рішень; швидкість отримання результатів у зв'язку з актуальністю використання проектованих ЕОМ стає не менш важливою, ніж зміст результатів, на що, безумовно, впливають школи проектування та окремі проектанти з їх системами цінностей (що узгоджується з відомим у дослідженні операцій твердженням "функція корисності індивідуальна").

Розроблений комплекс методів структурного оперування проектними даними є методикою обґрунтованого аванпроектування СЕОМ РЧ, яка спрямована на формування початкових (орієнтовних), але досить істотних уявлень про дійсно потрібні основні властивості шуканих ЕОМ та надає розумну орієнтацію іншим методикам проектування. Застосування окремих засобів методики ілюструється прикладами розв'язання деяких задач переробки інформації РЧ, які також мають самостійне значення.

До захисту подаються:

1. Інструментальні можливості критеріального підходу до обґрунтування вибору ЕОМ.

2. Інструментальні можливості задачного підходу до обґрунтування вибору ЕОМ.

3. Специфіка проектування ЕОМ РЧ.

4. Положення задачного підходу стосовно обґрунтованого проектування СЕОМ РЧ:

- область задачі та ієрархія вимог;

- квазілінійний порядок на множині векторів вимог ТЗ;

- метод граф-схем переробки інформації при розв'язанні задач керування та обробки даних у часі;

- метод передзадач;

- метод опорних ситуацій;

- метод ослаблення вимог до характеристик;

- один варіант методики багатоетапного переходу "від вихідних даних до шуканих характеристик ЕОМ" та його умовність.

5. Приклади розв'язання задач переробки інформації на етапах обґрунтованого проектування СЕОМ РЧ: одна траєкторна задача; деякі способи переробки матричної інформації; особливості переробки інформації в одному двоканальному комплексі.

6. Супровідні питання:

- деякі обмеження на можливість автоматизації проектування СЕОМ РЧ; автоматизований обчислювальний електронний

- деякі обмеження на достатність формалізації при обґрунтованому проектуванні СЕОМ РЧ;

- деякі обмеження на можливість отримання кількісних оцінок при порівнянні двох підходів до обґрунтування вибору ЕОМ;

- роль людського фактора при обґрунтованому проектуванні.

Зв'язок з тематикою і використання отриманих результатів. Дослідження визначалися поточною тематикою, а їхні результати використовувалися в першу чергу в темах, що були спрямовані на створення об'єктів нової техніки та виконувалися за рішеннями директивних органів колишнього СРСР: "Белка", "Терцений", "Муар", "Протва", "Рыбак", "Ромашка", "Сатурн", "Скорость", "Боярин", "Раскол", "Глянец", "Фиорд", "Основа", "Комплекс", "Камертон", "Литий". Крім того, були використані в темі "Розробка навігаційної системи для керування літальними апаратами при аерогаммаспектроскопічній зйомці місцевості", яка виконувалась у відповідності до програми ЛНА ЧАЕС, а також у темі ВФ.100.02 "Розробка задачного підходу до вибору (прийняття) рішень" (в усіх наведених роботах автор дисертації брав активну участь як відповідальний виконувач, головний конструктор, керівник роботи).

Перелічені теми виконувалися в науково-практичних інтересах низки підприємств та організацій різних міністерств і відомств, у тому числі: ЛНВО "Океанприбор" (м. Ленінград), СВО ім. С. Орджонікідзе (м. Саратов), КНДІ "Гідроприбор" (м. Київ), ЦПК ім. В.М. Комарова (м. Зоряний), філіал НДІ "Атол" (м. Сухумі), ЦНДІ "Аврора" (м. Ленінград), НВО "Прип'ять" (Київська обл.), організація 27177 (м. Ленінград), організація 10729 (м. Пушкін), організація 30895 (м. Петродворець), організація 03425 (м. Москва).

Основні напрямки використання результатів, отриманих автором, є такими.

1. Дослідження стосовно розробок АС:

- комплекс АС для одного багатофункціонального об'єкта екіпажного типу; обґрунтування необхідності та можливості автоматизації з виділенням функцій запобігання катастрофічному розвитку аварійних ситуацій та підтримування життєзабезпечення; скорочення чисельності екіпажу за рахунок автоматизації;

- декілька АС на об'єктах мобільного та стаціонарного типу для обробки даних при розв'язанні модифікацій однієї задачі розпізнавання образів; установлення області допустимих значень параметрів; ефективні методи переробки інформації;

- АС для керування динамічними об'єктами типу літальних апаратів; автоматизація функцій пілотажного типу; виділення опорних ситуацій у складних режимах керування;

- АС для моделювання ситуацій стосовно одного класу автономних динамічних об'єктів екіпажного типу; раціональна організація, в тому числі із застосуванням декількох персональних ЕОМ, для ефективного тренування екіпажу;

- комплекс АС для багатоканальної обробки даних з метою формування уявлень про обстановку, що склалася в одному фізичному просторі; інформативні ознаки; узгодження режимів переробки інформації; варіанти оцінювання обстановки.

2. Дослідження стосовно розробок СЕОМ РЧ:

- ЕОМ для обробки потоку фізичних даних одного виду з метою обчислення значень низки характеристик для оцінювання інтенсивності класифікаційних ознак при розв'язанні однієї задачі розпізнавання образів; конвеєрна організація переробки інформації;

- багатопроцесорна ЕОМ підвищеної живучості для автопілотного керування одним типом літальних апаратів; розпаралелювання, дублювання, резервування, спецпроцесування;

- ЕОМ для класифікації об'єктів в одному фізичному просторі, що встановлюється на деяких динамічних об'єктах екіпажного типу; людино-машинне оперування із застосуванням приладів.

3. Дослідження стосовно супровідних розробок:

- оцінка перспектив підвищення якості деяких об'єктів нової техніки при автоматизації їхнього проектування;

- перевірка гіпотез щодо можливостей модельного генерування нештатних ситуацій та інформативних ознак для деяких АС;

- аспекти переробки інформації в задачах керування та обробки даних, включаючи ігрові постановки, матричні обчислювання та конвеєрні структури.

Документальні підтвердження. У дисертації наведено шість актів і довідок про впровадження отриманих автором результатів.

Апробація. Науково-практичні результати дисертації доповідалися автором у першу чергу на засіданнях НТР низки підприємств та організацій, що були зацікавлені у виконанні раніше наведених тем, а також на нарадах у НТК відомств, де обговорювалися перспективи створення автоматизованих об'єктів нової техніки; у процесі роботи міжвідомчих комісій, що вивчали деякі феномени з інформаційно-технічними властивостями; на поточних нарадах міжнародної групи експертів, яка займалася прогнозуванням розвитку та використання інформатики й обчислювальної техніки в інтересах народного господарства країн - членів колишньої РЕВ. У повному обсязі дисертація розглядалася на наукових семінарах в Інституті кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України.

Публікації. Результати дисертаційних досліджень відображені в 23 статтях, опублікованих у журналах "Управляющие системы и машины", "Доповіді НАН України", "Кибернетика", "Кибернетика и системный анализ". З них лише одна написана у співавторстві.

Структура та обсяг. Дисертація складається із вступу, сімох розділів, висновку, списку використаних джерел і додатка. Загальний обсяг роботи - 286 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі наводиться загальна характеристика дисертації, її місце в теорії проектування ЕОМ, актуальність постановки, стан проблеми, наукова новизна, практична цінність та область використання отриманих результатів.

У першому розділі досліджується критеріальний підхід (КП) до обґрунтування вибору ЕОМ. Принципова схема вибору в загальному випадку така. Для кожної конкретної ситуації проектування ЕОМ розглядається оперативно утворювана, в тому числі шляхом творчих пошуків, множина G варіантів ЕОМ V, які описуються характеристиками ?. До цієї множини пред'являються деякі вимоги W, форма яких є відображенням мети вибору, що приймається в даній ситуації, внаслідок чого утворюється підмножина R ситуаційно придатних варіантів ЕОМ (якщо такі варіанти вдається знайти):

WG(V(и)) > R;

Контекстуально це асоціюється із застосуванням визначених правил упорядкування варіантів, що складають G, за їх відповідністю даній меті (цілі) проектування, і обґрунтованість вибору R тим вища, чим більша ця відповідність. Для критеріальних правил вибору K у кожній "самостійній" ситуації встановлюється (вводиться, вибирається) свій цільовий показник Q (критерій, що оптимізується), функціонально залежний від ?, який служить індикатором якості варіантів ЕОМ, що розглядаються (в загальному випадку шляхом перебирання), і остаточно вибирається конкретно оптимальний варіант, для якого цей показник буде найбільшим.

Найпоширенішими є так звані критерії (критеріальні функціонали) ефективності, коли значення цільових показників збільшуються з підвищенням значень "позитивних характеристик" A (наприклад, швидкодії та надійності) і зменшуються з підвищенням значень "негативних характеристик" B (наприклад, вартості та енергоспоживання). Одна з конструкцій функціоналу має такий вигляд:

Ai є A; Bj є B; A, B є и;

i = 1, 2, ..., m; j = 1, 2, ..., n; m, n = 1, 2, ...,

де

Правила K, що реалізуються у функціоналах типу Q, лінійно (з точністю до збігу) упорядковують G, виявляючи міру переваги одних варіантів перед іншими. Можливості таких засобів обґрунтування вибору, що оперують в основному даними "у внутрішній сфері" проектування, можуть бути достатніми для проектування ЕОМ ВЧ, коли мета вибору є слабовизначеною, що виявляється в завданні широкого діапазону допустимих вимог до характеристик ЕОМ. Це означає орієнтацію на проектування ЕОМ з таким рівнем ефективності, якого можна досягти при оперуванні лише одними співвідношеннями так званих загальних характеристик, наприклад при обслуговуванні потоку задач "в загальному та в цілому", коли можна не звертати увагу на витончені питання задовільного обслуговування окремих задач, що виникають в основному в "зовнішній сфері" проектування ЕОМ.

Однак при проектуванні спеціалізованих ЕОМ, наприклад СЕОМ РЧ для автоматизації керування об'єктами та процесами, де мета проектування суттєво більш визначена, а діапазон допустимих вимог суттєво звужений, питання забезпечення необхідної якості розв'язання окремих задач переробки інформації особливо важливі. Тому очевидно, що для проектування ЕОМ з відповідним рівнем (аспектом) ефективності більш дієвими мають бути критеріальні правила вибору К*, які реалізуються у функціоналах типу Q*, де оперування проектними даними в цьому аспекті означає комбіноване оперування співвідношеннями характеристик q та вимогами до цих характеристик W(q). Правила К* упорядковують G, виявляючи не лише міру переваги варіантів ЕОМ, але й міру їхньої відповідності вимогам, що ставляться. Одна з конструкцій Q* має такий вигляд:

Wi(Ai) - Ai ? 0; Bj - Wj(Bj) ? 0;

Значення Q* з одного боку, збільшуються з підвищенням значень A і зменшуються з підвищенням значень B, а з іншого - збільшуються з підвищенням відповідності A та B вимогам W(A) та W(B).

Вузьким місцем у побудові K,К* та застосуванні Q,Q* є встановлення значень коефіцієнтів б, в, б*, в*. Напевно, для кожної ситуації (після її вивчення) ці значення можна визначити досить точно, однак утворення єдиного загального правила такого визначення для нетривіальних ситуацій найімовірніше є нездійсненною проблемою. Тому використання КП до вибору характеристик ЕОМ стає складною справою насамперед там, де правильний вибір є особливо важливим за своєю сутністю - при проектуванні нових ЕОМ для розв'язання нових задач у нових умовах.

Інша причина обмеження використання КП полягає в його властивості завжди (за винятком випадків з обмеженнями щодо значень критеріальних функціоналів) для будь-якої непустої множини варіантів ЕОМ, що розглядається, незалежно від ситуації приводити до вибору хоча б одного варіанту, який є оптимальним для даного критерію, але не завжди прийнятним для даної ситуації. Інакше кажучи, інструментальні властивості КП, достатні для визначення "найкращого" варіанту ЕОМ, не є достатніми для визначення, чи годиться він для практичного ситуативного використання, що особливо критично при обґрунтованому проектуванні СЕОМ РЧ, призначених для високовідповідальних застосувань.

Перелічені слабкі сторони КП певним чином визначають напрям розробки якісно іншого підходу до вибору потрібних характеристик ЕОМ, який є більш продуктивним для обґрунтованого проектування ЕОМ наведеного класу.

У другому розділі пропонується задачний підхід (ЗП) до обґрунтування вибору ЕОМ. На відміну від основної гіпотези КП, яка стверджує, що для переконливого (безпомилкового) вибору достатньо користуватися лише деякою обмеженою, але здогадно репрезентативною інформацією про ситуацію вибору в обсязі, значно меншому, ніж уся релевантна інформація, основна гіпотеза ЗП полягає у твердженні, що для підвищення переконливості (стосовно ЗП доречніше сказати - для підвищення рівня обґрунтованості) вибору ЕОМ необхідно збільшувати обсяг використання більш глибокої релевантної інформації про ситуацію вибору та зменшувати її можливі втрати при подальших перетвореннях. Така відмінність у змісті гіпотез супроводжується відмінністю у характері структуризації вихідних даних для обґрунтованого проектування ЕОМ. Так, якщо для дотримування першої гіпотези характерне оперування непрямими вимогами до властивостей шуканої ЕОМ (наприклад, при застосуванні вагових коефіцієнтів у критеріальних функціоналах), що очевидно спричиняє можливість втрат корисної інформації, то для дотримування другої гіпотези, навпаки, характерне оперування прямими вимогами, які безпосередньо випливають із самої ситуації вибору, що також очевидно забезпечує певну можливість зменшення наведених втрат.

Основним структурним елементом обґрунтованого проектування ЕОМ у рамках ЗП є область D допустимих вимог W до характеристик проектованої ЕОМ. Ця область служить розгорнутим ТЗ на проектування, а вимоги, що її складають, - уявленнями про ті властивості шуканої ЕОМ, які необхідні для "нормальної" переробки інформації при обслуговуванні (розв'язанні) даної задачі (комплексу задач) в даних умовах, причому в деяких ситуаціях наведені вимоги можуть залишитися невиконаними через свою відносну "високість", тобто отримання шуканої ЕОМ (множини прийнятних варіантів шуканої ЕОМ) стане неможливим. Таким чином, в загальному випадку

ЗП: D(W())G(V()) > R: (R ? Ш) ? (R = Ш)

Структурно наведені вимоги є векторами, компоненти яких відповідають значущим характеристикам ЕОМ, а область, що складається з цих векторів, є множиною M з N елементів, на якій визначено так званий квазілінійний порядок з такими положеннями.

1. Відношення порядку с - перевага або еквівалентність с:.

2. Транзитивність [Wa Wb; Wb Wc] >Wa Wc; Wa, Wb, Wc є M.

Антисиметричність

[Wa Wb …Wf ; Wb Wa…Wf; …; Wf …WbWa] >

> Wa ~Wb ~…~Wf; Wa, Wb, …,Wf є M.

4. Рядки: S = {Si}H1; Si = (Wi,1 ~ ... ~ Wi, j); j = 1, 2, ..., N; W є M.

5. Рівень: U = 1, 2, ..., H; H = 1, 2, ..., N; Si = SH.

6. Верхня та нижня межі L1 і L2 відповідно: L1 = S1; L2 = SH.

Застосування положень 1-6 перетворює множину M в її робочу інтерпретацію - множину I, так звану ієрархію вимог:

M - I; I = I(W) = I(W(и));

W11(и) ~ W12(и)~ … ~ W1d(и)

W21(и) ~ W22(и)~ … ~W2e(и)

I(W(и)) : …………………………….

WH1(и) ~ WH2(и) ~ … ~ WHh(и);

d + e + …+ h = N.

Теоретично вигляд області D у просторі можливих вимог до характеристик проектованих ЕОМ може бути всіляким, однак у практично цікавих випадках, в усякому разі стосовно традиційних СЕОМ РЧ, цей вигляд асоціюється з поняттям замкненої множини.

Ця область має вигляд кола у просторі параметрів P1 і P2 (які, наприклад, означають частоту і точність сигналів керування при функціонуванні деякої СЕОМ РЧ), що складається із скінченного числа точок-вимог. Зрозуміло, що значення P1 і P2, що вимагаються, не можуть бути менше деяких мінімальних (інакше нормальне керування стане неможливим) і більше деяких максимальних (оскільки подальше їх підвищення не приведе до поліпшення керування через "обмеженість фізичних особливостей" об'єкта керування). Тоді за невизначеного співвідношення значущості цих параметрів I буде виглядати таким чином (букви-символи, які вживаються тут для позначення, мають контекстне значення):

(B ~ S ~ H ~ C) O (A ~ F ~ E ~ D),

за деякого заданого співвідношення, коли зростання вимог в області D буде орієнтоване уздовж осі SOE, таким чином:

S{(B ~ H){K{C{M{N{OA{G{(F ~ D)--{E,

а за визначеного співвідношення, наприклад 2:1 (що встановлюється проведенням прямої LT), коли зростання вимог в області D буде орієнтоване уздовж осі HOF, таким чином:

H {(S ~ K ~ C) {B {N {M {O {D { (A ~ G ~ E) {F.

На практиці (часткове) формування ієрархії вимог I можна проводити, минаючи (повне) установлення області допустимих вимог і орієнтуючись на ті "першочергові" вимоги, беззаперечність яких конкретно не викликає сумнівів. Стилізований приклад такої ситуації показано на стосовно деякого автоматизованого "приймача сигналів", де P1 - ймовірність помилкової тривоги, P2 - ймовірність пропускання сигналу, T - час переробки статистичної сигнальної інформації, C - складність переробки, що позитивно впливає на якість результатів, і де точки-вимоги A, D, E, F утворюють таку ієрархію:

(P1 = P2 = a; C1; T)

((P1 = a + b; P2 = a + 2b; C2; T) ~ (P1 = a + 2b; P2 = a + b; C2; T))

(P1 = P2 = a + 3b; C3; T).

Для даної ієрархії при пред'явленні (частини) вимог до деякої низки ЕОМ, кожна з яких описується парою значень характеристик складності та часу переробки інформації C*i, T*i; i = 1ч 5,

C*1, T*1; C*2, T*2; C*3, T*3; C*4, T*4; C*5, T*5,

де

C*1>C*2 >C*3>C*4>C*5; T*1< T*2< T*3< T*4< T*5,

та за умов, що

T*3< T < T*4; C*1< C1; C*2, C*3, C*4 >C2>C*5,

слід вибирати варіант C*3, T*3, оскільки використання варіантів ЕОМ з більшим часом переробки неприпустиме, а з більшою складністю - не має сенсу.

Основна етапна операція ЗП визначається сукупністю таких положень:

Множина характеристик ЕОМ

и = {иg}; g = 1, 2, ..., m + n.

Множина значень характеристик

иg = иg1, иg2, ... .

3. Множина варіантів ЕОМ

; z = 1, 2, ... .

4. Вектор значень характеристик

5. Множина вимог до характеристик

; d = 1, 2, ..., U.

6. Вектор вимог до значень характеристик

Характеристики функціонування та витрат і вимоги до них

A, B є и; A = {Ai}m; B = {Bj}n; i + j = g;

Wd1(A), Wd2(B) є W(и); d1 = d2 = d;

Зіставлення векторів вимог і характеристик

Умови позитивних і негативних рішень:

G = GA,B; R = RI,G;

Зміст положення 8 полягає в тому, що при невід'ємних значеннях характеристик і вимог до них характеристики функціонування проектованих ЕОМ мають бути не нижче вимог, а характеристики витрат, навпаки, - не вище вимог. Зміст положення 9 полягає в тому, що для позитивних результатів вибору необхідно, щоб хоч один варіант ЕОМ з множини, що розглядається, задовольняв одночасно усім вимогам до характеристик функціонування і витрат. Для негативного результату вибору достатньо, аби усі розглядувані варіанти ЕОМ не задовольняли хоча б одній вимозі - чи щодо функціонування, чи щодо витрат.

Такі положення стосуються внутрішньоетапного оперування при f-етапному (f = 1, 2, …) проектуванні ЕОМ. Відповідні ж положення міжетапного оперування мають такий вигляд:

Зміст цих положень полягає в тому, що у прийнятій послідовності вимоги першого етапу W1(и 1) пред'являються до множини G1(V1(и 1)). При виконанні їх утворюється підмножина де виділяються характеристики и 2, необхідність забезпечення яких інтерпретується як вимоги другого етапу W2(и 2), що пред'являються до множини варіантів G2(V2(и 2)), і так далі до останнього етапу проектування (якщо це конкретно можливо).

Для фіксованої множини варіантів ЕОМ G = G1, що розглядаються, має місце співвідношення

Однак при розробці складних проектів, особливо в ситуаціях, що є нетривіальними як за задачами, що обслуговуються, так і за засобами їх розв'язання, коли етапні множини варіантів формуються оперативно, відповідно до оперативно виникаючих акцентів у проектуванні ЕОМ, наведена послідовність може порушуватися. Так, наприклад, число варіантів, що розглядаються, зазвичай на наступних "програмних" етапах може перевищувати число варіантів на передуючих "структурних" етапах, але зберігається поетапна послідовність I1G1 > I2 G2 > … > If Gf > R, і результати проектування будуть позитивними, якщо на кожному етапі знайдеться хоча б один прийнятний варіант, або негативними, якщо хоча б на одному з таких етапів не знайдеться жодного прийнятного варіанта.

Поданий спосіб поетапного оперування проектними даними, коли виділяються деякі "перші" етапи, які асоціюються із задачами проектування, та відповідні "другі" етапи, які асоціюються з проектними рішеннями і які на наступному кроці самі стають черговими "першими" етапами, в принципі поширюється на увесь процес проектування ЕОМ, у тому числі у випадках проектування, що обмежується визначенням потрібних значень функціональних характеристик, та у випадках більш глибокого (детального) проектування, коли визначаються ті значення низки технічних характеристик, які забезпечують досягнення наведених значень функціональних характеристик, а також у випадках локального проектування різних фрагментів ЕОМ.

Щодо стадії передпроектування ЕОМ, де визначаються передумови складання даного ТЗ, то застосування ЗП набуває специфіки, пов'язаної, в першу чергу, з методом передзадач, сутність якого полягає в тому, що ТЗ розглядається як розв'язок R1 деякої передзадачі D1(W1(и 1)), яка потім розглядається як розв'язок R2 передзадачі більш високого рівня D2(W2(и 2)), і так далі до рівня h (h = 1, 2, ...), наскільки це дозволяє ситуація. Тобто

ЗП: ;

ТЗ: D1(W1(и 1)) = R1 < D1(W1(и 1))G1(V1(и 1));

R1 < I1G1 < I2G2 < ... < I hGh.

Відповідно до розробленості ситуації та до визначеності вихідних даних на етапах, а також до стратегії проектування (ЕОМ або проектується безпосередньо для даної задачі й даних умов, або спочатку проектується, а потім адаптується) тактика проектування тяжіє або до наскрізного проектування, де на стадіях "до ТЗ" та "після ТЗ на ЕОМ" етапно-задачна структура залишається незмінною, хоч етапи і розрізняються рівневим змістом задач, або до поступового переходу від параметрів ЕОМ до параметрів АС і далі до параметрів об'єктів і процесів, що автоматизуються. Проведення межі між двома такими стадіями проектування ЕОМ досить умовне, особливо в рамках ЗП, де область розв'язання кожної етапної задачі відіграє роль ТЗ для наступного етапу. Однак практичною ознакою тут може бути те, що коли власне проектування ЕОМ зазвичай здійснюється лише самими розробниками, то вже передпроектування, як правило, виконується в кооперації розробників та користувачів проектованих ЕОМ зі зростанням пріоритету останніх на більш високих етапах.

Особливості передпроектування ЕОМ у плані невизначеності у вихідних даних, до чого більшою мірою чутливе проектування СЕОМ РЧ для високовідповідальних використань, актуалізують пошуки відповідних методів оперування (включаючи структуризацію), спрямованих на підвищення інформативності етапних ТЗ. До таких належить метод опорних ситуацій (опорних фрагментів), сутність якого на рівні надання проектованій ЕОМ необхідних функціональних властивостей зрозуміла, якщо виходити з такої постановки. Для кожного випадку проектування СЕОМ РЧ існує деяка обстановка Ф, що відображає прояви певних властивостей автоматизованих об'єктів та процесів, які інтерпретуються ситуаціями С, на що необхідно відреагувати застосуванням відповідних методів (алгоритмів, схем) керування та обробки даних у такий спосіб, аби отримані ефекти Э були не нижче тих, що задані Э*, а втрати П - не вище тих, що задані П*. Поширений тут підхід характеризується використанням узагальнених (недиференційованих) уявлень і засобів, а також інших положень, які фактично спрощують оперування при проектуванні, що взагалі описується такими типовими виразами:

Та

де є "найбільш переважна" ситуація (ситуація, "яка усе покриває") в тому розумінні, що її обслуговування вважається достатнім і для всіх інших ситуацій, незважаючи на їх змістовну різноманітність. Це означає орієнтацію на ситуації із завищеними вимогами до інформаційно-обчислювальних характеристик ЕОМ, що у загальному випадку призводить до неекономічних побудов, наприклад за єдиного засобу оперування довільними матрицями та єдиного засобу керування рухом за довільними траєкторіями, коли вживаються такі критерії, як мінімізація інтегральних похибок та відхилень.

У цілому слабкістю такого підходу як засобу обґрунтованого проектування ЕОМ, і особливо СЕОМ РЧ, є його апріорність у тому розумінні, що тут уявлення про і взагалі про Ф та навіть про і фактично вводяться в ТЗ без глибокого попереднього вивчення вихідних даних, що є принципово необхідним при проектуванні нових СЕОМ РЧ. Запропонований метод опорних ситуацій, навпаки, передбачає саме таку діяльність як обов'язкову на стадії передпроектування, що збільшує можливість коректної та корисної структуризації, яка полягає в декомпозиції (розщепленні) загальних і концентрованих уявлень про релевантні властивості автоматизованих об'єктів і процесів з метою, по-перше, виділення фрагментів-ситуацій, суттєвих для обґрунтованого проектування ЕОМ даного класу, по-друге, установлення відповідних ситуаційних вимог, що дозволяють отримувати більш економічні проектні рішення. Застосування методу означає оперативну орієнтацію на більш відомі частки менш відомої в цілому загальної задачі проектування, на більш визначені та більш визначальні ситуації C на які слід першочергово спиратися в умовах відносної неповноти та неточності ТЗ, а також в умовах обмеженості терміну проектування, що характерно для СЕОМ РЧ. Загальні вирази, що описують цей метод, такі:

Останні вирази слід розуміти таким чином. По-перше, виведення опорних ситуацій Ф для побудови початкового ТЗ та його подальших інтерпретацій може починатися з перших етапів проектування (передпроектування), по-друге, хоча обстановка Ф в ситуаціях Ci теоретично може бути "багатше" обстановки Ф в ситуаціях Cj однак у практиці проектування СЕОМ РЧ для високовідповідальних застосувань саме обґрунтовуюча виводимість, властивості виражати суттєву специфіку та бути вихідними даними для отримання економічних рішень роблять множину {Cj}p переважнішою за деяку вибрану ситуацію у складі {Ci }r.

Приклади оперування інформацією про опорні ситуації, у тому числі стосовно способів перемноження матриць та керування рухом уздовж траєкторій для одного класу літальних апаратів наведено в дисертації. Також розглянуто розвиток методу опорних ситуацій в більш тонкий метод можливого зниження вимог до характеристик СЕОМ РЧ.

...