Автоматизированные информационно-управляющие системы

Данное направление стало активно развиваться с начала 70-х годов силами лабораторий № 9 (зав. лаб. – д.т.н., проф. А.Ф. Волков), № 20 (зав. лаб. – д.т.н., проф. А.Г. Мамиконов, участники: к.т.н. В.В. Кульба – ныне зав. лаб. № 20, д.т.н., проф.; С.А. Косяченко – ныне д.т.н., проф.; А.Д. Цвиркун – ныне зав. лаб. № 33, д.т.н., проф.), № 32 (зав. лаб. – д.т.н., проф. О.И. Авен) и № 37 (зав. лаб. – д.т.н., проф. В.Л. Эпштейн).

Актуальность темы обусловила крупномасштабность работ по созданию и внедрению автоматизированных информационно-управляющих систем в различных областях народного хозяйства в сочетании с полной непроработанностью теоретических основ, моделей и методов формализации и автоматизации разработки оптимальных модульных систем обработки данных. Основной задачей исследования в этой области стало создание теоретических основ, формализованных моделей и, наряду с этим, методов анализа и синтеза оптимальных модульных систем обработки данных в автоматизированных информационно-управляющих системах различного класса и назначения.

На основе единой методологии и сформулированных в Институте принципов модульности были разработаны методы формализации и постановки задач, а также модели, алгоритмы и программы для решения вопросов анализа и синтеза оптимальных модульных СОД. 

Эти алгоритмы и программы обеспечивали:

В основу предложенной методологии положен принцип последовательного использования адекватных моделей и методов анализа и синтеза на этапах технического и рабочего проектирования АИУС. Подобный подход позволил разработать и воплотить в практику типовые задачи и модели анализа и синтеза оптимальных модульных АИУС, конкретное содержание которых определялось этапами и целями разработки. Типовые методы синтеза основаны на использовании графовых моделей, которые позволяют не только описать множество допустимых вариантов построения элементов системы и их взаимосвязей, но и обеспечить выбор оптимального варианта.

Принципы, модели и методы анализа и синтеза оптимальных модульных СОД дают возможность формализовать, алгоритмизировать и в большинстве случаев автоматизировать основные этапы и процедуры процесса создания оптимальных модульных систем обработки данных АИУС, обеспечивая тем самым существенное повышение эффективности и качества принимаемых проектных решений.

При использовании методов и средств анализа и синтеза модульных систем общее время и затраты на разработку сокращаются в несколько раз, причём размеры выигрыша зависят от особенностей вновь создаваемых систем.

Обобщив примеры использования различных моделей систем обработки данных, удалось предложить совокупность взаимосвязанных матричных и графовых моделей и реализующий их комплекс программ. Данный комплекс обеспечивает автоматизацию формального анализа и определение характеристик изучаемых систем обработки данных на том этапе, который предшествует техническому проектированию. Информация, полученная в результате реализации данного этапа, становится исходными данными для синтеза оптимальной модульной СОД.

Реализация предложенных методов автоматизации анализа запараллелена с применением методов формализованного представления результатов анализа и разработки СОД, что позволяет (с помощью набора стандартных форм документов) представить полученную информацию в удобном для дальнейшего использования виде.

Поставлены и решены задачи оптимального синтеза модульных СОД РВ, использующих различные дисциплины обслуживания заявок. На постановку и решение задач синтеза СОД РВ данного класса накладывается ряд ограничений, продиктованных реальным масштабом времени работы системы и модульной организацией программного и информационного обеспечения. Основным ограничением является необходимость учёта динамики реализации программных модулей, обусловленной выбранной дисциплиной диспетчеризации, характеристиками потоков заявок, потерями от ожидания их обслуживания и наличием взаимосвязей между заявками и задачами обработки данных. Поставленные задачи решены при использовании критериев максимума производительности и коэффициента готовности СОД РВ.

С целью повышения сохранности обрабатываемых данных рассмотрены несколько вариантов использования в СОД РВ информационной избыточности. Разработан метод синтеза структуры оптимальных модульных СОД РВ по критерию максимума коэффициента готовности системы, что обеспечивается посредством выбора необходимого уровня резервирования синтезируемых программных модулей и информационных массивов при учёте ограничений на число носителей информации и избыточность хранимых данных.

В конце 80-х годов были разработаны модели и методы синтеза оптимальных логических и физических структур локальных (ЛБД), сетевых (СБД) и распределённых (РБД) баз данных АИУС. В результате решения задач синтеза оптимальных логических ЛБД и СБД определяются: оптимальные характеристики логических структур ЛБД и СБД (состав и структуры логических записей и взаимосвязей, точки входа в структуры и другие характеристики), оптимальные структуры запросов и заданий на корректировки; оптимальные спецификации запросов и заданий на корректировки в архитектуре “клиент-сервер”. При синтезе логической структуры РБД группы данных канонической структуры РБД объединяются в типы логических записей и распределяются одновременно с локальными базами метаданных (ЛБмД) репозитария системы по узлам вычислительной сети (ВС).

Основными критериями эффективности синтеза логических структур РБД являются: 

В результате решения задач синтеза оптимальных логических структур РБД определяются: 

Результаты, полученные на этапе синтеза оптимальных логических структур ЛБД, СБД и РБД, используются в дальнейшем при синтезе физических структур БД и модульного прикладного программного обеспечения с учётом особенностей реализации SQL-запросов.

Серьёзное внимание уделялось методам синтеза типовых модульных АИУС. Для них разработаны модели и методы анализа технологий решения заданного множества задач обработки данных одного класса. Созданные модели и методы обеспечивают выделение общих (типовых) частей заданного множества задач, его подмножеств, специфических частей каждой задачи и построение интегрированного графа технологии, включающего типовые и специфические части. Определение параметров типовости (общности) его элементов осуществляется путём последовательной кластеризации задач, которые представлены в интегрированном графе, по критериям близости (подобия) информационных, процедурных и технологических характеристик решаемых в АИУС задач обработки данных. В результате выполнения процедур кластеризации формируются подмножества подграфов интегрированного графа, характеризующиеся различными уровнями типовости, и набор характеристик, являющихся исходными для синтеза типовой модульной АИУС по заданному критерию эффективности с учётом имеющихся ограничений.

Большое внимание уделялось постановке и решению задач: (а) обеспечения достоверности при обработке информации в АИУС, (б) защиты информации от несанкционированного доступа и (в) обеспечения гарантированной сохранности. Предложены типовые модели и методы анализа и синтеза механизмов контроля обеспечения достоверности обрабатываемых в системе данных. Детально рассмотрены вопросы резервирования программных модулей и информационных массивов. Приведён анализ основных направлений повышения эффективности отладочных работ как средства уменьшения ошибок в программах и данных, рассмотрены вопросы практического использования предлагаемых методов при техническом и рабочем проектировании АИУС.

Разработана единая методология реализации системной отладки как основного этапа формирования качества комплексов программ АИУС, определяющего процедуры системной отладки и базирующегося на использовании моделей и методов оптимизации на многоэтапном итеративном процессе формирования комплекса программ заданного качества. Качество комплекса программ оценивается с помощью специально разработанной системы обобщённых показателей, перечень которых определяется технологией отладочных работ. Использование показателей качества в соответствии с последовательностью технологических процедур отладки обеспечивает эффективное применение методов оптимизации планирования и автоматизации отладочных работ.

В конце 90-х годов разработаны основные положения и ряд программных комплексов промышленной технологии автоматизированного проектирования АИУС. Методология и соответствующие программные средства ориентированы на комплексное решение задач автоматизации этапов разработки, внедрения, сопровождения и модификации проектов систем управления на базе новейших достижений в области создания микропроцессорной техники, локальных и распределённых сетей ЭВМ, максимального использования принципов модульности и типизации.

Промышленная технология автоматизированного проектирования (ПТАП) АИУС обеспечивает:

Адаптируемость структуры и средств ПТАП к непрерывно меняющимся условиям функционирования АИУС обеспечивается за счёт их настройки на конкретную предметную область, осуществляемой посредством генерации, конфигурирования и параметризации её компонент.

Полученные теоретические результаты применялись при разработке и внедрении ряда АСУ, имеющих важное народно-хозяйственное значение: АСУ “Метро”, АСУ “Морфлот”, АСУ “Обмен” и региональных АСУ сельскохозяйственным производством. В последнее время полученные ранее результаты были адаптированы применительно к АИУС РВ специального назначения. Разработаны модели и методы анализа, синтеза и отладки оптимальных информационно-управляющих систем специального класса объектов – долговременных орбитальных станций (ДОС). На основе исследования ДОС как специального объекта управления разработаны модели, методы и инструментальные средства создания модульного программного и информационного обеспечения системы обработки данных реального времени для космических систем.