Исследование интерактивного управления выполнением программ тема автореферата и диссертации по математике, 01.01.10 ВАК РФ

1. ВВЕДЕНИЕ.

2. МЕТОД! И СРЕДСТВА ИНТЕРАКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ВЫПОЛНЕНИЕМ ПРОГРАММ НА ЭВМ.

2.1. Интерактивное управление выполнением программ, его место и особенности в классе методов диалогового взаимодействия человека и ЭВМ.

2.2. Анализ систем с ИУ.

2.3. Общие замечания и постановка задачи.

3. МЕТОД ИНТЕРАКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ И ПРИНЦИПЫ ЕГО РЕАЛИЗАЦИЙ

3.1. Концепции метода. Аппарат и функции интерактивного управления.

3.2. Описание и представление моделей задач.

3.3. Принципы реализации основных концепций ИУ.

4. ЯЗЫК И ОСОБЕННОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМЫ ИНТЕРАКТИВНОГО управления

4.1. Язык взаимодействия с системой ИУ

4.2. Особенности реализации системы ИУ.

4.2.1. Структура системы.

4.2.2. Алгоритмы функционирования монитора и блока обработки операторов ИУ.

4.2.3. Алгоритм работы аппарата интерпретации команд.

4.2.4. Выводы о реализации.

5. ПРИМЕР ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИСТЕМЫ ИНТЕРАКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ.

5.1. Описание задачи выбора алгоритмов управления ориентацией космического аппарата.

5.2. Процедура интерактивного моделирования системы управления КА.

Одним из наиболее важных направлений развития вычислительной техники в настоящее время является создание и совершенствование программно-аппаратной базы взаимодействия человека и ЭВМ. Все большее значение человеко-машинные системы приобретают при использовании ЭШ в научных исследованиях, управлении производством, автоматизированном проектировании изделий народного хозяйства. Связанное с этим увеличение многообразия методов и средств ведения диалога с ЭВМ требует повышения их универсальности по отношению к классам решаемых задач, гибкости и удобства в работе, быстродействия и надежности.

Особое место занимают средства диалога, предназначенные для общения с ЭВМ специалистов проблемных областей, непрофессионально владеющих аппаратом программирования [Я . Привлечение к непосредственному участию в решении таких задач, как например, моделирование реальных процессов на ЭШ постановщиков-исследователей существенно ускоряет цикл моделирования и повышает его качество. Кроме того, значительно возрастает эффективность использования ЭВМ.

Такие области прикладных исследований как имитационное моделирование, процессы принятия решений, планирование и управление проведением расчетов нуждаются в создании аппарата взаимодействия с ЭВМ, который позволял бы вести диалог на языках, близких к терминологии области исследования, достачно гибких и расширяемых для включения новых терминов и понятий, а кроме того, содержащих средства обучения и адаптации пользователей.

Получившие широкое развитие системы автоматизированного проектирования и научных исследований содержат, как правило, средства решения задач из разных предметных областей, а потому язык общения должен кроме перечисленных свойств обладать достаточной универсальностью.

Одной из принципиальных сторон в ускорении разработки программного обеспечения и понижении его себестоимости является совершенствование средств подготовки и отладки программ. Среди особенно эффективных подходов в этом направлении следует назвать создание диалоговых систем, облегчающих процессы конструирования, модификации и отладки программ. Значительные, трудности, имеющиеся в этом направлении, обусловлены, главным образом, недостаточным развитием средств семантической отладки, реализующих интерактивное взаимодействие с отлаживаемой программой в динамике ее выполнения.

Дополнительный интерес представляют такие методы и системы, которые сочетают в себе средства разработки и отладки программ с возможностью управления ходом вычислений. При этом достигается наиболее высокий коэффициент использования ЭВМ, так как именно комбинирование указанных процедур обеспечивает оптимальные условия для проведения итеративного процесса отладки совместно с получением практически полезных результатов от применения программы. Более того, единый подход к отладке и управлению позволяет рассматривать обе процедуры с общих позиций языка диалога, что дает возможность, с одной стороны, программистам одновременно с разработкой программы готовить терминологическую базу для ее использования, а с другой стороны, проблемным пользователям быстро адаптироваться в программной среде.

Таким образом, создание средств интерактивного управления выполнением программ на ЭВМ играет важную роль в современных условиях при разработке сложных программных комплексов многоцелевого назначения. Особенно продуктивными в данной ситуации являются средства комплексного характера, сочетающие в себе универсальность по отношению к классам решаемых задач и целям управления с гибкостью и доступностью языковой среды для широкого круга пользователей. В силу указанных причин тема диссертационной работы представляется актуальной и практически полезной.

В отечественной и зарубежной литературе вопросы управления выполнением программ в режиме диалога рассмотрены достаточно широко. Однако, как показывает анализ, проведенный в разд. 2 диссертации, описанные методы и средства не обладают достаточной универсальностью: часть из них ориентирована на решение узкого круга задач, другая часть включает средства подготовки программ, но не содержит возможности семантической отладки, третья предназначена для отладки и не применима с целью управления. Многие средства не содержат аппарата ведения диалога и/или управления в динамическом режиме.

Основными научными результатами диссертации являются исследование способов и организации интерактивного управления выполнением программ и разработка на их основе метода интерактивного управления и принципов его реализации с учетом требований программной независимости, настраиваемости на условия применения, универсальности и надежности в эксплуатации. Указанные результаты изложены в разд.З.

В разд. 4 рассмотрен язык взаимодействия директивного типа, содержащий средства описания моделей задач и данных, а также набор операций интерактивного управления. Там же обсуждаются вопросы реализации разработанного метода в виде диалоговой программной системы. Представлены структура системы и ряд специфических алгоритмов.

Пример практического использования системы приведен в разд.5.

В примере изложены задача моделирования алгоритмов управления ориентацией космического аппарата и алгоритм ее решения. Показано применение разработанной системы для интерактивного управления процессом решения, в результате которого был получен значительный выигрыш во времени, затрачиваемом на весь этап моделирования, а кроме того, повышено качество выбора алгоритмов управления вследствие использования опыта и интуиции проектировщика при непосредственном его участии в процессе моделирования.

Внедрение системы в ряде организаций для отладки и управления при разработке и выполнении программ подтвердило целесообразность ее создания, хорошие эксплуатационные показатели и высокую надежность.

Рассмотренные в диссертации вопросы могут иметь дальнейшее развитие с целью создания новых методов и алгоритмов интерактивного управления, а также расширения круга областей его применения.

2. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИНТЕРАКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ВЫПОЛНЕНИЕМ ПРОГРАММ НА ЭВМ

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ

В соответствии с поставленными в диссертации задачами проведены исследования способов и методик организации процедур диалогового взаимодействия с ЭВМ при сопровождении процессов выполнения программ, на основе которых выработан подход, позволяющий рассматривать разные аспекты моделирования и вычислений на ЭВМ, а также семантическую отладку программ в рамках универсального аппарата интерактивного управления.

Реализация разработанного подхода в виде программной системы с собственным языком диалога позволила создать универсальное средство управления выполнением программ на ЭВМ, адаптируемое к различным областям применения. Указанная система обладает хорошими эксплуатационными показателями: малым временем реакции на управляющие предложения, экономным расходом оперативной памяти и высокой надежностью.

По результатам выполненной работы могут быть сделаны следующие выводы:

1. Проведено исследование отечественных и зарубежных работ. Показано, что данное направление имеет широкое применение в таких областях прикладных исследований как моделирование с помощью ЭВМ систем и процессов, автоматизация проектных и конструкторских работ и научных исследований, создание программного обеспечения ЭВМ. Сокращение сроков и повышение качества проведения работ в перечисленных областях характеризует разработку средств диалогового управления как актуальное и перспективное направление развития современного математического обеспечения ЭВМ.

2. Разработан эффективный метод интерактивного управления выполнением программ на ЭВМ, обладающий свойствами универсальноети по отношению к классам решаемых задач и программной независимости. Метод содержит концепцию управления на двух уровнях: проблемном и программном, что позволяет осуществить единый подход к управлению на этапах отладки алгоритмов и реальных вычислений.

3. Разработан набор операций интерактивного управления, общий для проблемного и программного уровней ИУ, содержащий средства описания моделей, данных и точек интерактивного управления, а также совокупность действий с указанными объектами.

4. Предложен формализованный аппарат описания операций интерактивного управления на уровне схем программ и моделей задач, ориентированный на наглядное представление манипуляций с операторами ИУ в терминах теории графов.

5. Разработан диалоговый язык директивного типа с принципом ведения диалога по инициативе пользователя, реализующий набор операций интерактивного управления.

При описании модели задачи язык позволяет ввести содержательную терминологию для обозначения объектов данных и, таким образом, погрузить процесс ведения управляющего диалога в проблемную языковую среду.

6. На базе метода интерактивного управления и языка диалога реализована программная система ИУ, позволяющая практически применять изложенные концепции и операции управления.

Кроме основных средств ИУ система содержит аппарат синтаксического анализа и информационного обеспечения пользователя, набор сервисных функций и некоторые дополнительные операции, облегчающие взаимодействие и повышающие удобства и надежность системы.

7. Произведено внедрение системы интерактивного управления в ряде организаций. Использование системы подтверждает работоспо собность, эффективность и надежность разработанных метода и средств.

Методические и программные материалы, содержащиеся в диссертации, могут быть использованы для развития работ по созданию и практическому применению средств интерактивного управления.

1. Поспелов Г.С. Системный анализ и искусственный интеллект. - Вычислительный центр АН СССР, 1980, 48 с.

2. Ахламов А.Г., Пигарев Ю.Б. Общая структура проблемно-ориентированного языка ФОСИМ для моделирования дискретных процессов методом Монте-Карло. Препринт 79-2-МО. ИЭП АН УССР, Донецк, 1979, 350.

3. Лобусов Е.С., Корягин С.В. Принципы построения проблемно-ориентированной диалоговой системы МАУС. Сб. тезисов 1У шк.--семин. "Интерактивные системы", Тбилиси: "Мецниереба", 1982, с. 50-52.

4. Андриевский Б.Р., Деревицкий Д.П., Спиридонов А.А. Входной язык системы автоматизации анализа и синтеза адаптивных систем управления.- Сб. тезисов Всес. конф. "Интерактивная технология в САПР", Таллин, с. II-I2.

5. Чхартишвили Г.С., Починок И.В. Языки и программные средства имитационного моделирования динамических систем.- Вопросы кибернетики, 1981, К- 84, с. 58-77.

6. Прохоров С. П. A PL в мониторной системе ДУБНА.- Материалы 2-го Всес. совещ. "Диалоговые вычислительные комплексы", Серпухов, 1979, с. I58-I6I.

7. Малашинин И.И., Кононов А.И. Принципы организации и функционирования терминальной системы АПЛ на ЕС ЭВМ.- Материалы 2-го Всес. совещ. "Диалоговые вычислительные комплексы"-, Серпухов,1979, с. 162-164.

8. Си/idiy/ W. £. system ^yia/nicsl/г /}PL. " /fep&ca^iorts //Хат^Ае/ня

9. Пятраускас Р.А. Раскрутка диалоговой системы»- Сб. тезисов 1У шк.-семин. "Интерактивные системы", Тбилиси ; "Мецниеба", 1982, с. II9-I2I.

10. Поспелов Г.С., Вен В.Л. и др. Проблемы программно-целевого планирования и управления, Под ред. Г.С.Поспелова.- М.: Наука, ФИЗМАТГЙЗ, 1981, 464 с.

11. Кронбергс Ю.Э., Самсонс Д.В., Фолкманис Ю.А. Интерактивная система решения задач научных исследований.- "Методы и системы принятия решений. Методы и модели анализа решений", Рига, 1981, с. 106-108.

12. Белявская Л.В., Воеводин В.П., Калинченко П.A. DICOL диалоговый язык в системе автоматизации настройки и управления бустером.- Материалы 2-го Всес. совещ. "Диалоговые вычислительные комплексы", Серпухов, 1979, с. 123-126.

13. Журавель В.И., Калюжный Б.И. Диалоговое формирование решений при управлении многоотраслевыми комплексами.- Материалы 2-го Всес. совещ. "Диалоговые вычислительные комплексы", Серпухов, 1979, с. 253-257.

14. Батшцев Д.И. диалоговая оптимизация.- В кн. Современное состояние теории исследования операций. Под ред. Н.Н.Моисеева, М., Наука, 1979.

15. Ze/7?/ne/7S IV. 7. /1. i/e/-si.сAt \/<z/z деva/z Aet i/iter-ac^t'e ve /з/^&^/ъг^/т^а-paXfet SAT/Eft.- /£i/u/A<?ve/z. ТесЛ/iiscAf /Уоргъс/гаtier , T/zte/v?a£6<7/?af

16. Kaxpo М.И., Калья А.П., Тыугу Э.Х. Инструментальная система программирования ЕС ЭВМ ПРИЗ, М., "Финансы и статистика", 1981, 158 с.

17. Криштопа И.В., Непомнящий Б.Д., Перевозчикова О.Л., Ющенко Е.Л. ДЙСУППП диалоговая система управления специализированными пакетами прикладных программ.- Кибернетика, 1980, \Р- 2, с. 70-76.

18. Бродский А.В., Друшляков Ю.И., Падалко С.Н., Смирнов О.Л. Диалоговое управление математическими моделями сложных технических систем.- Материалы 2-го Всес. совещ. "Диалоговые вычислительные комплексы", Серпухов, с. 262-266.

19. Дрючин Ю.Л. Система синтеза программ, адаптируемая к предметным областям.- Сб. тезисов Всес. конф. "Синтез, тестирование, верификация и отладка программ", Рига, 1981, с. 89.

20. Калниньш Я.Я., Каулинып Д.Я., Мартинсонс Я.Я., Фрицнович Г.Ф. Реализация диалогового управления в автоматизированной системе синтеза комбинационных схем,- В кн. "Теория конечных автоматов и ее приложения", вып. 10, Рига: "Зинатне", с. 144-163.

21. AL TtflGA P. S. А. , Л/, Е. А/2 I/itey-acte №1.nguage у&л /4la/erf Zafe/z////caz^/ozzza? бЪ/г^л&Р S^s^/zz J7<es6^7/?. " £а/77/?сг./На/га/

22. J/escg/z "9 /#77*, &) , Z7- /М-/га.

23. Климов В.Е., Клишин В.В., Федорова Е.В. Диалоговые возможности системы машинного конструирования.- Труды Моск. энергетического ин-та, 1979, вып. 11 Диалоговые системы в управлении, проектировании и обучении", с. 48-55.

24. Spe/zce /f. Aspects of Az^A&y ~ z/zter&ctz ^ла/zAzcs ж/т?/?^/- a/c/ea' af^sl^/z.- /foe. J/?£?/zf. J/zter

25. ТЪсЛ. Еа/72/pa^er- Лб&еа/ 2?<?sl£z/z ; /976 ? /7^- £в~7г.

26. Бадалян С.Г., Говорун Н.Н., Гоман B.C., Дирнер А. и др.

27. К вопросу использования режима диалога в системах математической обработки фильмовой информации.- Материалы 2-го Всес. со-вещ. "Диалоговые вычислительные комплексы", Серпухов, 1979, с. 132-137.

28. Петров В.А. Реализация диалога в проблемно-ориентированной системе математического обеспечения.- Материалы 2-го Всес. со-вещ. "Диалоговые вычислительные комплексы", Серпухов, 1979,с. 271-272.

29. Айнбиндер В.З., Кавторов В.В., Мазия Л.В., Максимова JI.H. Интерактивная система для автоматизации конструирования асинхронных двигателей.- Труды ВНИИЭМ, 1981, Т.63, с. 34-37.

30. Sjoe/гсе /f. Averts, of /zl^Afy //-zterac^ №r-O/o/iics c^/TZ/Oa^c/^ . ~ /foe. Z/zte/1-

31. Ся/я/р^г/^ JeSZgt/Z , , /&7S, /7- -7г.

32. Борисевич В.Ф., Чупрыгина JI.T. Организация работы в СРВ ОС ЕС. "Прикладная информатика"- сб. статей, М., "Финансы и статистика", 1982, вып. I, с. 131-135.

33. Дейкало Г.Ф., Новиков Б.А. Программа редактирования текстовс помощью дисплеев ЕС-7066.- Вопр. судостроения, Сер."Математические методы, программирование, эксплуатация ЭВМ", 1977, № 13, С. 19-25.

34. Диалоговая система коллективного доступа ПРИМУС. М.,/МИФИ/ 1980, 68 с.

35. Oos£ia Р. //. Ss/s /е/л ctli/zty /a^i&ty ~73М St/s-6. X , /&8/7 Z88

36. Tftac/Atz/zi A. 3. I/z^erezctlve zzser- /зг-яс/ис -13/1 Syst. P > 4, т/, /?.

37. Лаврищева E.M. Об автоматизированном изготовлении программных-/ггагрегатов.- УСиМ, 1979, № 5, с. 54-59.

38. Лавршцева Е.М. Методика модульного изготовления программных агрегатов.- Кибернетика, 1980, №2, с. 77-81.

39. Митропан А.П., Сергиенко Н.В. Автоматизированная система оперативной отладки программ в языке Ассемблер на ЭВМ единой серии.- УСиМ, 1976, № 3, с. 20-26.

40. Ж£С7£ , /77а/2ие£ лг/гл/лж. /. T7£/t/£CIF7VA7£$ ;

41. Socle/e £ier0/?ee/we аё /77//?/ate Sys/J/7?<?s t /&37? у

42. EXEC 7/1/TPP/1СTIF : £XOP. SoccetJ Еигцож/?/??/777л/ ^ St/s/J/7?es ,7ZTPP ~ 7/5 , 7978 , 86/y.

43. Вороненко В.Г., Лучка М.А. Диалоговая отладка программ в вычислительной среде ОС ЕС.- Сб. тезисов Всес. конф. "Синтез, тестирование, верификация и отладка программ", Рига, I98I-, с. 65-66.

44. Kufsrud //.£. /7£/Р£Р : /1/2 In&srtzetlve Ex/e/zs73/e7/7^ вг/в/^/тг /fe/zc//?/£S , , /7.

45. Sr/s/z/7?a/z /f. Т/ге /Ре^г^/лу S^/ste/77 /7-ZI7S

46. Ргяс. Of SJCC f /&7Т7; /7. &9SV.

47. Bot/e TP. Was /st /л/^&Л//~97в? у- гт? j /v s, /7. гъв-г^у/.

48. Балодис Р.П. Визуальная диалоговая система программирования.-УСиМ, 1979, № 4, с. 51-57.

49. Шкут Н.В., Шинкевич Г.С., Курагина Л.Б., Зубрицкая С.В. Система диалоговой отладки программ на языке высокого уровня.-Сб. тезисов 1У шк.-семин. "Интерактивные системы", Тбилиси:

50. Мецниереба", 1982, с. 295-296.

51. Монитор динамической отладки. ЕС ЭВМ. Операционная система.-М., 1980, 98 с.

52. Неменман М.Е., Хорошавин В.В. Реализация отладочного монитора в ОС ЕС.- Сб. тезисов Всес. конф. "Синтез, тестирование, верификация и отладка программ", Рига, 1981, с. I60-I6I.

53. Пржиялковский В.В., Ломов Ю.С. Технические и программные средства Единой Системы ЭВМ. М., "Статистика", 1980, 232 с.

54. ЕС ЭВМ. Принципы работы. Техническое описание. Книга Р 8. Ц.50.170.100 Т02, 1977, 275 с.

55. Райхлин Б.М. Диалоговая система динамической отладки программ.-Программирование, М, 1982, № 2, с. 84-90.

56. Райхлин Б.М. Система диалоговой отладки программ.- Сб. тезисов Всес. конф. "Синтез, тестирование, верификация и отладка программ", Рига, 1981, с. 184-185.

57. Дал У., Дейкстра Э., Хоор К. Структурное программирование М., Мир, 1975, 248 с.

58. Райхлин Б.М. Реализация языка диалога в системе интерактивного моделирования.- Труды ВНЙИЭМ, т. 78, М., 1984.

59. Мазия JI.B., Райхлин Б.М. Реализация системы интерактивного управления программами на ЕС ЭВМ.- Сб. тезисов Всес. научно--техн. семинара "Интеграция пакетов и баз данных САПР электротехнических устройств", Таллин, 1982, с. 162-169.

60. Райхлин Б.М. Разработка диалоговой системы для моделирования систем управления на ЕС ЭВМ.- Техн. отчет ВНИИЭМ Р 0АБ.148.204, 1983, 40 с.

61. Воробушкина Т.И., Райхлин Б.М., Темкина Р.Я., Федотова Н.К. "Диалоговая система управления выполнением программ для модесолирования электромеханических систем на ЭВМ.- Труды ВШЙЭМ, т. 63, М., 1980, с. 63-69.

62. Васильев В.Н., Вейнберг Д.М., Шереметьевский Н.Н. Управление угловым положением долговременной орбитальной станции при помощи двухстепенных силовых гироскопов.- Изв. АН СССР. МТТ, 1978, Р 5, с. 3-9.

63. Раушенбах Б.В., Токарь Е.Н. Управление ориентацией космических аппаратов.- М: Наука, 1974, 598 с.

64. Сорокин А.В. Управление избыточным числом силовых гироскопов. Изв. АН СССР, МТТ Р 3, 1978, с. 3-6.1. Уашергдао

65. Зшлесш^ож'^'ачйльшша СКБ ПО ^фэдгёктроглат1'; по -наукеaggS^f . дцплСоЫсов " W : 198Ш1. Акт о внедренииI

66. Использование системы ИУ цри создании фортрановских задач САПР-АДС. существенно сократило время, затрачиваемое на отлавд црограш.1. Кобзев А.Г1. АКТ О ВНЕДРЕНИИ

67. Настоящим актом подтверждается, что система интерактивного управления выполнением программ, разработанная тов. Раихлиным Б.М., внедрена в Научно-исследовательском института приборостроения при отладке и моделировании систем управления двигателями.

68. Применение интерактивной системы позволило существенно ускорить разработку алгоритмов управления и повысить качество проектирования.

69. Начальник отдела № 6 Леонтьев В. А.

70. Начальник отдела & 7 Узинский В. И.1. УТВЕРЖДАЮдйрё^рра ВНИИЭМ, к.т.н.lli/'L?^ 1. В.М.Долкарт1984 г.1. АКТ О ВНЕДРЕНИИ

71. Применение разработанных средств для моделирования динамических процессов позволило существенно ускорить разработку алгоритмов управления и повысить качество проектирования.

72. Заведующий лабораторией, к.т.н. Заведующий лабораторией, к.т.н.t&iicC1. Д.М.Вейнберг О.А.Крылов

73. УТВЕЩ&АЮ ЗЖ.*ГЕБЕРАЛНЮГО ДИШКТОЕА Ш НАУЧНОЙ РАБОТЕ1. J* 1984 г.п1. АКТ О .А

74. Настоящим актом подтверждается; что сиотеш интерактивного управления выполнением программ; разработанная tV РАЙШШШ Б^Ш,1 внедрена в Пензенском научно-исследовательском институте математических машин для отладки программ1,'

75. Указанная система является удобным средством диалогового взаимодействия человека и ЭВМ и проявила при эксплуатации высокую надежность и гибкость1?

76. Использование системы позволило сократить сроки проведения названных выше работ и увеличить эффективность применения ЭШГ11. Начальник лаборатории1. ДШМЯКШПЕВ1. Z2. 6.W.