Анотація до роботи:
РОМАНОВ В.О. 1 ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ Дана дисертаційна робота стосується пошуків оптимальних властивостей (характер-ристик, 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 pp. 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 2 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 «багатокритеріа-льній оптимізації» або «оптимізації з послідовним використанням критеріїв») 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 у першу чергу ідеї та результати В.М. Глушкова, О.С. Вентцель та X. 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 ха рактеристик проектованих ЕОМ; розробка положень більш продуктивного задачного підходу до обґрунтування вибо ру характеристик проектованих ЕОМ РЧ; ілюстративне використання розроблених положень на етапах проектування спеціалі зованих 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. Теоре- 3 тичний 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). 4 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 критері-альна. 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 відбу- 5 вається «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 багатоетап-ний 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 6 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: Інструментальні можливості критеріального підходу до обґрунтування вибору ЕОМ. Інструментальні можливості задачного підходу до обґрунтування вибору ЕОМ. Специфіка проектування ЕОМ РЧ. 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 ха рактеристик ЕОМ» та його умовність. Приклади розв'язання задач переробки інформації на етапах обґрунтованого проек тування СЕОМ РЧ: одна траєкторна задача; деякі способи переробки матричної інформа ції; особливості переробки інформації в одному двоканальному комплексі. Супровідні питання:
деякі обмеження на можливість автоматизації проектування СЕОМ РЧ; 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). 7 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 21X11 (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; обґрунту вання необхідності та можливості автоматизації з виділенням функцій запобігання катаст рофічному 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 допус тимих 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 ти пом 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 застосуван ням приладів. 3. Дослідження стосовно супровідних розробок: оцінка перспектив підвищення якості деяких об'єктів нової техніки при автоматиза ції 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 іг рові постановки, матричні обчислювання та конвеєрні структури. 8 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». 3 них лише одна написана у соавторстві. 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): 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 К у кожній «самостійній» ситуації встановлюється (вводиться, вибирається) свій цільовий показник Q (критерій, що оптимізується), функціонально залежний від , який служить ін- 9 дикатором 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» А (наприклад, швидкодії та надійності) і зменшуються з підвищенням значень «негативних характеристик» В (наприклад, вартості та енергоспоживання). Одна з конструкцій функціонала має такий вигляд: Правила К, 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 заданні 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 0 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: 10 Значення Q*, з одного боку, збільшуються з підвищенням значень А і зменшуються з підвищенням значень В, а з іншого - збільшуються з підвищенням відповідності А та В вимогам W(A) та W(B). Вузьким місцем у побудові К, К* та застосуванні Q, Q* є встановлення значень коефі- цієнтів , , *, *. 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 переконли- 11 вості (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 9 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, у загальному випадку Структурно наведені вимоги є векторами, компоненти яких відповідають значущим характеристикам ЕОМ, а область, що складається з цих векторів, є множиною М з N елементів, на якій визначено так званий квазілінійний порядок з такими положеннями. Відношення порядку р — перевага або еквівалентність Транзитивність Антисиметричність 4. Рядки: 12 Рівень: Верхня та нижня межі L1 і L2 відповідно:
Застосування положень 1-6 перетворює множину М в її робочу інтерпретацію - множину I, так звану ієрархію вимог: Рис. 1. Приклад області допустимих значень параметрів у задачі Сукупність взаємопов'язаних базових положень ЗП комплексно ілюструється рис. 1, 2. 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. Один стилізований вигляд такої області показано на рис. 1. 13 Рис. 2. Приклад і ієрархії вимог до значень параметрів Ця область має вигляд кола у просторі параметрів Р1 і Р2 ( які наприклад, означають частоту і точність сигналів керування при функціонуванні деякої СЕОМ РЧ), що складається із скінченного числа точок-вимог. Зрозуміло, що значення Р1 і Р2 які 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): за деякого заданого співвідношення, коли зростання вимог в області D буде орієнтоване уздовж осі SOE, таким чином: 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: 14 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 рис. 2 стосовно деякого автоматизованого «приймача сигналів», де Р1 - ймовірність помилкової тривоги, Р2 - ймовірність пропускання сигналу, Т - час переробки статистичної сигнальної інформації; С - складність переробки, що позитивно впливає на якість результатів; точки-вимоги A, D, Е, F утворюють таку ієрархію: Для даної ієрархії при пред'явленні (частини) вимог до деякої низки ЕОМ, кожна з яких описується парою значень характеристик складності та часу переробки інформації слід вибирати варіант С3*, Т3*, оскільки використання варіантів ЕОМ з більшим часом переробки неприпустиме, а з більшою складністю не має сенсу. Основна етапна операція ЗП визначається сукупністю таких положень: 1. Множина характеристик ЕОМ 2. Множина значень характеристик 3. Множина варіантів ЕОМ 4. Вектор значень характеристик 15 5. Множина вимог до характеристик 6. Вектор вимог до значень характеристик 7. Характеристики функціонування та витрат і вимоги до них: 8. Зіставлення векторів вимог і характеристик: 9. Умови позитивних і негативних рішень: 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 функ- 16 ціонування 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 положення міжетапного оперування мають такий вигляд: Зміст цих положень полягає в тому, що у прийнятій послідовності вимоги першого етапу пред'являються до множини При виконанні їх утворюється під- множинаде виділяються характеристики необхідність забезпечення яких інтерпретується як вимоги другого етапущо пред'являються до множини варіантів і так далі до останнього етапу проектування (якщо це конкретно можливо). Для фіксованої множини варіантів ЕОМщо 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 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. Загальна схема ЗП, що підкреслює ті основні властивості, звідки випливає назва даного підходу, показана на рис. 3. 17 Рис. 3. Блок-схема вибору придатних варіантів згідно з вимогами 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 R деякої передзадачі яка потім розглядається як розв'язок R передзадачі більш високого рівня і так далі до рівнянаскільки це дозволяє ситуація. Тобто 18 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 О, 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: 19 деє «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 проі взагалі прота навіть про фактично вводяться в ТЗ без глибокого поперед- нього 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 визначальні ситуаціїна 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 два вирази слід розуміти таким чином. По-перше, виведення опорних ситуа- цій О для побудови початкового ТЗ та його подальших інтерпретацій може починатися з перших етапів проектування (передпроектування), по-друге, хоча обстановка О в ситуа-ціях Ci теоретично може бути «багатше» обстановки О в ситуаціях С, однак у практиці проектування СЕОМ РЧ для високовідповідальних застосувань саме обґрунтовуюча виво- 20 димість, властивості виражати суттєву специфіку та бути вихідними даними для отримання економічних рішень роблять множинупереважнішою за деяку вибрану ситуацію Приклади оперування інформацією про опорні ситуації, у тому числі стосовно способів перемноження матриць та керування рухом уздовж траєкторій для одного класу літальних апаратів (рис. 4), наведено в дисертації. Також розглянуто розвиток методу опорних ситуацій в більш тонкий метод можливого зниження вимог до характеристик СЕОМ РЧ. Рис. 4. Приклади опорних ситуацій До умов ефективного застосування методу опорних ситуацій (як і інших методів ЗП), крім природно необхідної «схильності» об'єкта досліджень у вигляді своєрідної змістовної та структурної складності задач проектування СЕОМ РЧ, також належать достатні знання, винахідливість і працездатність дослідників, у тому числі стосовно вибору постановок, оцінювання розв'язків, визначення суттєвості, установлення співвідношень та упорядковування за перевагою, що характеризує процес обґрунтованого проектування в рамках ЗП. 21 У загальному випадку діяльність у перелічених аспектах проектування є творчою справою, тим більш виразною, чим більш нетривіальною виявляється задача проектування даної СЕОМ РЧ. У першу чергу саме на цьому рівні у вигляді конкретних просувань проявляється вплив людського фактора, об'єктивно важливе значення якого при пошуках нових проектних засобів адекватного реагування на нову обстановку важко переоцінити. У більш широкому аспекті носіями зазначених властивостей людського фактора є експерти - зазвичай міждисциплінарні спеціалісти-дослідники, які за визначенням «вміють» (краще інших) долати формальне незнання неформальними (евристичними) засобами та робити досить (цілком) продуктивні висновки (наприклад, при оцінюванні ситуацій і рішень у задачах прогнозування в широкому розумінні, коли потрібно установити можливі варіанти розвитку подій та «суб'єктивні ймовірності» їхнього здійснення в умовах неповноти, неточності та слабкої структурованості вихідної інформації). У третьому розділі розглядаються особливості ЕОМ реального часу. Дані ЕОМ розглядаються як інструменти переробки інформації, яку слід проводити при розв'язанні задач РЧ - у загальному випадку різноманітних задач в автоматизованих системах керування та обробки даних (у подальшому - керування), у тому числі в спеціальних системах керування об'єктами та процесами. Сукупність взаємодоповнюючих базових особливостей ЕОМ РЧ комплексно ілюструється на рис. 5-7. Відповідна загальна структура застосування ЕОМ РЧ в АС РЧ і розподіл функцій між ЕОМ та людиною показані на рис. 5. Сутність керування із застосуванням ЕОМ РЧ полягає в тому, що у визначені моменти часу, які обумовлюються «фізичною істотністю» керованих об'єктів і процесів, дані з джерел інформації вводяться до ЕОМ для переробки, а дані після переробки виводяться з ЕОМ на приймачі інформації. Переробка інформації в ЕОМ РЧ полягає в реалізації тих чи інших алгоритмів керування, в яких строго задається, що саме, над чим і коли мусить здійснюватися, аби ЕОМ, що розглядається, виконувала свою керуючу функцію. Властивості проектованої ЕОМ РЧ, що об'єктивно вимагаються, виявляються в можливості («здібності») виконання такого характерного завдання. Для наведеного класу ЕОМ часові функції є визначальними, і в першу чергу саме їх невиконання може стати основною причиною функціональної ненадійності АС керування, що будуються на базі проектованих ЕОМ РЧ. Звідси в обґрунтованому проектуванні ЕОМРЧ (СЕОМ РЧ) випливає акцентування методичних засобів, що спрямовуються на визначення конкретних часових характеристик, дійсно потрібних для даної ситуації (задачі), та впливають на вибір структури ЕОМ та інших характеристик. Головним у цьому відношенні служить метод часових граф-схем процесу розв'язання задачі (комплексу задач) керування, сутність якого полягає у структуризації процесу керування шляхом установлення часових інтервалів Т розв'язання значущих частин задачі 22 з виділенням (обмежувальних) активних моментів t вводу-виводу необхідних сигналів керування на рівні прийнятих у даній ситуації керування операторів (алгоритмів) Оп (найпростіший приклад чого показано на рис. 6). Внаслідок цього утворюється граф (комплекс графів), який відображає процес розв'язання задачі керування в часі й орієнтований за ходом розв'язання, де вершини асоціюються з моментами вводу-виводу інформації щодо керування, а дуги — з операторами її переробки. Цей граф утворюється, зазвичай, на етапі переходу від стадії передпроектування до стадії власне проектування і служить практично зручною розгорнутою формою початкового ТЗ, яке послідовно насичується етапними проектними даними, що набувають змісту комплексу конкретно необхідних вимог до комплексу характеристик, в поняттях яких формується в загальному випадку складне уявлення про шукану проектовану СЕОМ РЧ. Коли інтервали визначені в часі та операційний склад операторів прийнятий, комплекс граф-схем трансформується в комплекс вимог до тих швидкодій, які необхідно забезпечити на частках переробки інформації керування, що відповідають виділеним фрагментам розв'язання даної задачі керування (рис. 7). Швидкодіївизначені на інтервалах, які обмежуються моментамипідсумовуються на часових інтервалахвнаслідок чо- го визначаються узагальнені потрібні швидкодії, що розподіляються на частках процесу розв'язання даної задачі РЧ, а також утворюються поняття «інтенсивності» («напруженості») переробки стосовно процесу розв'язання і «перерізи» цього процесу. Природно вважати, що усередині наведених інтервалів інтенсивність переробки інформації має бути рівномірною (див. рис. 4). У подібний спосіб визначаються й інші необхідні характеристики ЕОМ, особливо ті, що «розташовані поблизу» етапу безпосереднього оперування граф-схемами, в першу чергу - необхідні обсяги пам'яті, що дозволяє сформувати прикидне конструктивне уявлення про розподілення інформаційно-обчислювальних потужностей, яке вимагається для переробки інформації в ході розв'язання даної задачі. Щодо трансформації ТЗ на «більш далеких» етапах проектування, то визначення наступних вимог до решти суттєвих характеристик ЕОМ за всієї своєрідності міжетапних переходів (наприклад, інтерпретація інформаційно-обчислювальних вимог вимогами до технічних пристроїв та засобів програмного забезпечення) зі своїми специфічними прийомами так або інакше (але завжди) мусить вкладатися в наведену графо-часову структуру, конкретні параметри якої служать відображеннями параметрів області допустимих результатів розв'язання задачі керування. Специфіка процесу розв'язання задач РЧ за жорстко визначеними алгоритмами в жорстко установлені інтервали часу зумовлює відповідну специфіку структур СЕОМ РЧ, що реалізуються, де серед інших виділяється конвеєрний спосіб організації переробки інформації, коли окремі оператори або їх комбінації вкладаються в свої блоки, а ці блоки стають ланками одного ланцюга переробки інформації й послідовно працюють один на одного. 23 Рис. 5. Загальна схема складових задачі керування Рис. 6. Приклад структури граф-схема и Рис. 7. Приклад типової граф-схеми щодо обчислень швидкодії 24 У структурному відношенні варіанти СЕОМ РЧ можуть бути значно різними, у тому числі на базі одного процесора, однорідної та різнорідної багатопроцесорної структури, з виділенням проблемно-орієнтованого центрального процесора, наприклад для матричних обчислювань, структури з множиною спецпроцесорів, у тому числі для спектральних і фільтраційних перетворень, пірамідальної структури, що відповідає звуженню перерізу процесу переробки при переході від блоків первинної до блоків вторинної переробки і т.д. Множина можливих варіантів структур СЕОМ РЧ, що використовується в АС, має природну тенденцію до розширення в залежності від появи якісно нових задач керування. У четвертому розділі пропонується методика обґрунтованого вибору характеристик ЕОМ реального часу, яка є конкретизацією ЗП стосовно обґрунтованого вибору характеристик проектованих СЕОМ РЧ для автоматизації систем керування та обробки даних. Вона інтерпретує процес проектування ЕОМ процесом оперування ТЗ на проектування, де основою для початкового складання і наступних етапних трансформацій служить граф-схема процесу розв'язання даної задачі керування в часі. При цьому часові вимоги, що установлюються в процесі розв'язання задачі, трансформуються (переходять) у часові вимоги на етапі процесу переробки керуючої інформації й зберігаються як обов'язкові вимоги на всіх наступних етапах проектування. Один із можливих варіантів великоблочного розподілення змісту та послідовності етапів показано на рис. 8. Подібні варіанти методики є природними саме при проектуванні СЕОМ РЧ і відображають досвід відповідних спеціалістів. Однак наведене оперування може починатися й з інших етапів (з пред'явленням часових вимог у подальшому), що є результатом впливу інших шкіл проектування, хоча в умовах обмежених термінів проектування та існування нефіксова-ної множини варіантів проектних рішень, що розглядаються, такі випадки зазвичай здаються менш ефективними. Методика являє собою сукупність етапних наказів у вибраній послідовності, відповідно до яких відбувається орієнтація проектування шуканої СЕОМ РЧ, аби надати їй комплекс властивостей (характеристик), дійсно потрібних (на рівні існуючих знань і прийнятих гіпотез) у даній ситуації. Сутність наведеної сукупності орієнтуючих наказів полягає в тому, що в загальному випадку на кожному етапі з множини варіантів рішень для даного етапу вибираються ті варіанти, описувальні характеристики яких задовольняють вимоги, вироблені на попередньому етапі, й з інформаційно-перетворюючих властивостей та функціонального призначення в багатоетапному проектуванні СЕОМ РЧ яких випливають вимоги до множини варіантів рішень для наступного етапу. 25 Рис. 8. Блок-схема однієї послідовності етапів проектування спеціалізованих ЕОМ РЧ 26 У такий спосіб параметри допустимого розв'язання даної задачі породжують вимоги до швидкості обчислень стосовно алгоритмів керування, а ті в свою чергу - вимоги до швид-кодій технічних засобів реалізації, далі - вимоги до властивостей структур і т.д. Оперування методикою має вигляд формально-творчої процедури, коли на кожному етапі проектувальники діють за єдиним планом, застосовуючи формальні елементи (область допустимих значень, ієрархію вимог та пов'язані з ними методи) і удаючись до творчої діяльності (пошуки придатних варіантів рішень, у тому числі пряме винахідництво).Таким чином, реалізація даної методики (як і всього ЗП) у загальному випадку має риси науково-дослідного процесу більшої або меншої складності, що є особливо виразним у нетривіальних ситуаціях розробки та використання СЕОМ РЧ, коли пошуки нових постановок і розв'язків стають визначальними в діяльності проектувальників. Зрозуміло, що дана методика не є засобом для розв'язання усіх задач, які існують у проектуванні СЕОМ РЧ, наприклад задач проектування інтегральних схем та складання програм, що вимагає своїх методів і мусить проводитися паралельно з використанням методики. При цьому методика охоплює істотний аспект проектування, що є особливо важливим стосовно СЕОМ РЧ і очевидно необхідним для проектування останніх у випадках високовідповідального застосування, коли важливо точно знати, які характеристики дійсно потрібні (а які не потрібні: наприклад щодо того, чи можна знизити вимоги до швидкодії та до якої межі) у даній конкретній ситуації, на забезпечення чого і спрямоване багатоета-пне оперування ТЗ, починаючи з вивчення передумов вибору рішень на стадії передпроек-тування шуканої СЕОМ РЧ. Крім супроводження процесів детального (звичного) проектування, методика відчутно корисна при аванпроектуванні, коли необхідно оперативно і продуктивно (порівняно в короткий термін і з більш ефективним використанням основних вихідних даних) сформувати достатньо реалістичні уявлення про властивості шуканої СЕОМ РЧ, що конкретно потрібні, та про можливості їхнього забезпечення. У п'ятому розділі розглядаються деякі приклади розв'язання задач на різних етапах застосування методики обґрунтованого вибору характеристик СЕОМ РЧ. Наведені приклади близькі до задач проектування деяких СЕОМ РЧ стосовно практики автора. їхні постановки мають сенс визначених фрагментів етапних ТЗ, а результати - відповідно сенс придатних (допустимих) варіантів етапних рішень. Приклади підібрані так, щоб вони мали самостійне науково-практичне значення. Приклад 1. Розглядається одна траєкторна задача (опорна ситуація) для вироблення алгоритму керування рухом об'єктів по типу літака, який потрібно вкласти в деяку СЕОМ РЧ. Дана ситуація є такою. Існує протидія двох об'єктів приблизно одного класу, що рухаються у вертикальній площині, і шуканим розв'язком тут є траєкторія одного з об'єктів (рис. 9). При цьому об'єкт Е, що в початковий момент часу знаходиться на початку неру- 27 хомої системи координат, рухається по прямій у = 0 з постійною швидкістю Ve- Разом з Е рухається деяка «заборонена зона» для другого об'єкта Р, яка має форму чверті кола радіусом R з центром у точці розташування Е. У початковий момент часу Р знаходиться на тій же прямій правіше об'єкта Е на відстані l і може рухатись у верхній півплощині з постійним модулем швидкості Vp = Vg = V за траєкторіями, що складаються із спряжених дуг кіл радіусом R та спряжених з ними відрізків прямих. Рис. 9. Модель однієї траєкторної задачі Мета для Р полягає у втечі від переслідування Е і в зайнятті такого місця на прямій у = 0, коли Р стає лівіше Е на відстані , внаслідок чого Р із об'єкта, що переслідується, перетворюється на об'єкт, що переслідує. У початковій та в заключній точках траєкторії Sp вектор швидкості Vp спрямований вздовж осі X. Необхідно знайти таку Sp із заданого класу, рухаючись якою і не зупиняючись в «забороненій зоні» (яка є відкритою областю), Р досягне своєї мети в мінімальний термін. Тобто для даної постановки необхідно знайти таку Sp, довжина якої буде мінімальною. 28 Вибір виду Sp залежить від /. Припараметри Sp визначаються вираза- ми - виразами Тобто в першому випадку Р рухається назустріч Е, у другому - пропускає його. Підхід до шукання Sp у другому випадку базується на використанні тієї властивості, що мінімальна траєкторія в заданому класі має мінімальну проекцію на вісь X. Специфіка постановки задачі така, що для її розв'язання використовуються переважно геометричні методи, у зв'язку з чим було доведено декілька тверджень, наприклад: «За умовидля фіксованої довжини S - 4у траєкторії Р мінімальна проек- ція П буде у тієї траєкторії, що складається з трьох спряжених дуг кола з параметрами Знайдена Sp стає вихідною для формування відповідного алгоритму керування рухом об'єкта Р у реальному часі. Приклад 2. Розглядаються два способи (рис. 10, 11) реалізації матричного множення, що входять до множини допустимих варіантів, вибір яких залежить від конкретної ситуації проектування. Вирази для матриці С, що обчислюється за вихідними m-розрядними матрицями А з рядками а та В зі стовпцями b, є такими: Перший спосіб орієнтований на використання, наприклад, у ситуації, коли перемноження матриць реалізується у спецпроцесорі, який виконує обчислення в темпі функціонування деякої основної ЕОМ, у тому розумінні, що швидкість переробки інформації в сопроцесорі має відповідати швидкості видачі елементів матриць А і В (та прийому елементів матриці С). Сутність способу (коли розрядність елементів збігається з розрядні-стю матриць - рис. 10) полягає в конвеєрній організації обчислень сум парних добутків відповідних елементів рядків та стовпців шляхом порозрядних перемножень подвійних кодів з одночасними зсувами і подальшим повним додаванням, у процесі чого утворюються та послідовно упорядковано виводяться елементи матриці С. Реалізація здійснюється у блоках, що складаються зі зсувних лінійок регістрів і суматорів, де рядки по черзі надходять до своїх циклічно замкнутих лінійок, а стовпці - до послідовно з'єднаних загальних лінійок. Спосіб дозволяє в режимі окремого перемноження отримувати результат у тактах за часа в режимі потокового перемноження пар матриць - за 29 Рис. 10. Один конвеєрний спосіб перемноження матриць Рис. 11. Один індексний спосіб перемноження матриць 30 Другий спосіб орієнтований на використання в ситуаціях оперування розрідженими матрицями, особливо коли кількість ненульових елементів К, дії над якими, по суті, визначають результат перемноження, виявляється значно меншою кількості т усіх елементів. Сутність способу полягає в наданні ненульовим елементам матриць А і В індексів, які є порядковими номерами цих елементів, та в оперуванні ними, що передує необхідному оперуванню безпосередньо матричною інформацією (базову схему показано на рис. 11). Спосіб дозволяє (при простій реалізації) зменшити до трьох разів кількість тактів; при комбінованій реалізації, що базується на компактному розміщенні в ЕОМ масиву ненульових елементів, це зменшення може виявитись більш значним. Приклад 3. Розглядаються два варіанти організації переробки інформації у реальному часі стосовно деякого двоканального комплексу, де в рамках першого каналу здійснюється розв'язання однієї задачі керування, а в рамках другого - однієї задачі обробки даних. Наприклад, стосовно керування рухом об'єкта по типу гелікоптера, що є носієм радіолокаційної або гідроакустичної станції для розпізнавання обстановки. Сутність першого варіанту полягає в поєднанні процесів розв'язання обох задач в єдиній СЕОМ РЧ, що працює в режимі розділення часу, а сутність другого - в розподіленні розв'язання кожної задачі своїми СЕОМ РЧ. Вибір того чи іншого варіанту значною мірою залежить від вимог надійності та економічності в даній ситуації. У шостому розділі наводяться результати подальшого розвитку ЗП та використання його положень для оцінки обґрунтованості деяких тверджень у теорії проектування. Розглядається постановка, коли метою проектування (передпроектування) є розширення множини R придатних, тобто задовольняючих вимоги ТЗ у виглядіваріантів з розглядуваної множини в характеристикахщо спрощено записується так: Розширення R пов'язане з пошуками не тільки нових варіантів ЕОМ з кращими характеристиками, але й шляхів зниження вимог в I до W(Q) без втрати функціональних властивостей U, що перетворює варіанти G є G з гіршими характеристиками в придатні (для чого мають існувати передумови задачі D), які можна подати фрагментами F (див. рис. 4). Останнє означає появу додаткової мети проектування К^ у вигляді 31 У контексті це означає перехід від загального ТЗ до низки часткових, виконання вимог яких локалізується у спецпроцесорах, що приводить до більш економічної структури, ніж у випадку з єдиною ЕОМ. Рис. 12. Одна типова ситуація керування Рис. 13. Набір керувань для зазначеної ситуації Розглядаються особливості оперування ТЗ на СЕОМ РЧ на рівні проектування алгоритмів стосовно однієї ситуації керування рухом деякого літального апарата, коли нормальний рух траєкторією А (рис. 12) порушується стороннім впливом, внаслідок чого цей рух дезорієнтується в напрямку 0-5. Необхідні визначені коректуючі впливи для «відновлення нормальності» у вигляді руху хоча б траєкторією В у напрямку 5-6-7-8-9, що регламентується таблицею (рис. 13), яка є виразом неініціального автомата Мура. Показано, що ве-рифікаційні можливості лише при одному формальному оперуванні (аби уникнути руху неприпустимою траєкторією В') є недостатніми. Тому доводиться удаватись також до змістовної верифікації при установленні дійсно потрібних сигналів керування, в тому числі на стадії передпроектування, де розглядаються, наприклад, базові питання керованості, стабілізації та міцності апарата, і використовувати ці дані як визначальні при проектуванні. 32 У сьомому розділі досліджуються оцінки ЗП до обґрунтування вибору рішень. Показано, що порівняння таких об'єктів, як критеріальний та задачний підходи, у загальному випадку не піддається прямому кількісному оцінюванню. У заключному розділі підбиваються підсумки дисертаційних досліджень. ВИСНОВКИ У дисертаційній роботі проведені дослідження щодо вирішення проблеми обґрунтування вибору характеристик ЕОМ реального часу, яка посідає провідне місце у проектуванні спеціалізованих ЕОМ для використання у високовідповідальних системах керування та обробки даних, і отримані такі основні результати. Розроблено новий розділ теорії обґрунтованого проектування ЕОМ - аванпроекту- вання (передпроектування) спеціалізованих ЕОМ реального часу, що викликано, в першу чергу, потребами головних конструкторів проектів у практично корисному методичному апараті для формування достатньо продуктивних прикидних уявлень про дійсні цілі, мож ливості та напрямки проектування на базі вихідної інформації про конкретну ситуацію фу нкціонального використання даної СЕОМ РЧ. Розроблено новий метод обґрунтування вибору характеристик ЕОМ, проектованих для направленого використання, - задачний підхід, який базується на першочерговому установленні з подальшими етапними трансформаціями області допустимих значень пара метрів розв'язуваних задач за супровідних умов з нижньою межею, що розглядається як вихідне (початкове) технічне завдання на проектування ЕОМ по суті її функціонального призначення. Розроблено конкретизацію задачного підходу - методику аванпроектування спеціа лізованих ЕОМ реального часу, яка базується на оперуванні граф-схемою процесу вирі шення даної задачі в часі й направлена на послідовне формування релевантних уявлень про шукану СЕОМ РЧ у вигляді вимог до її характеристик, починаючи з визначальних фу нкціональних характеристик і продовжуючи на забезпечувальних технічних характеристи ках, що випливають звідси. Розроблено методичні засоби структуризації проектної інформації, що підвищує ефективність обґрунтованого проектування в рамках задачного підходу, включаючи мето ди передзадач та опорних ситуацій, а також квазілінійний порядок на множині векторів вимог з області допустимих значень до сукупності характеристик, що описують розгляду вані варіанти ЕОМ. Розв'язано задачі, які є представниками з циклу обґрунтованого проектування спе ціалізованих ЕОМ реального часу, в тому числі пошуки оптимальних алгоритмів керу вання та пропозиції з відповідними способами переробки матричної інформації відповід но до специфіки використання їх у структурі СЕОМ РЧ і до специфічного виду матриць.
33 Розвинуто уявлення про обґрунтоване проектування та встановлено, що процес на дання ЕОМ (СЕОМ РЧ) дійсно потрібних властивостей більш складний, ніж це вважалося раніше й обмежувалося критеріальним підходом, і в загальному випадку обумовлює вико ристання більш тонких методів оперування великим обсягом більш глибокої інформації, що є характерним для заданного підходу. Показано, що в загальному випадку реалізація задачного підходу є складним науко во-дослідним процесом у багатоетапній процедурі переходу від образу шуканої СЕОМ РЧ в уяві її користувачів до образу в уяві розробників, де оперування формальними елемента ми («допустима область», «граф-схема») доповнюється (також у загальному випадку) тво рчими пошуками придатних насичу вальних даних (наскільки це можливо). Показано, що в умовах меншої формалізовності та автоматизовності переходу «від задач до ЕОМ» у порівнянні з переходом «від ЕОМ до задач» зростає роль інтуїції (людсь кий фактор) і що якість проектування в рамках задачного підходу стає суттєво залежною не лише від параметрів ситуації, але й від таланту учасників: від винахідливості у вирі шеннях і розумності в постановках (що може привести різних проектувальників до різних результатів при використанні одних і тих же вихідних даних і методичних прийомів). Показано, що складність «не завжди результативного» задачного підходу порівняно з компактним і «завжди результативним» критеріальним підходом служить природною платою за більш високу якість вибору й більшу узагальненість методу за одночасної мож ливості більш диференційовано реагувати на суттєво відмінні ситуації (що зумовлює перс пективу застосування задачного підходу в обґрунтуванні вибору проектних рішень широ кої природи).
10. Отримані результати досліджень були використані в більш ніж 15 темах, які вико нувалися згідно з постановами директивних органів колишнього СРСР і були спрямовані на створення автоматизованих об'єктів нової техніки; в одній темі, що виконувалася за програмою ЛНА ЧАЕС, і ще в одній, яка була заданою рішенням Президії НАН України й стосувалася розробки методики обґрунтування вибору рішень за задачним підходом. ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНІ В ТАКИХ ПРАЦЯХ: Мороз-Подворчан И.Г. О применении критериев выбора ЭВМ // Кибернетика. - 1983. - № 4. - С. 66-68. Мороз-Подворчан И.Г. Об обосновании выбора ЭВМ // Там же. - 1983. - № 5. - С. 6-9. Мороз-Подворчан И.Г. Об особенностях ЭВМ, работающих в реальном времени // Управляющие системы и машины. - 1986. -№ 2. - С. 16-22. Мороз-Подворчан И.Г. О методике обоснованного выбора ЭВМ, работающих в реальном времени // Там же. - 1987. - № 4. - С. 8-12.
34 Мороз-Подворчан И.Г. К вопросу об оптимальном выборе // Кибернетика. - 1988. - № 5. - С. 76-82. Об одной задаче преследования и убегания / С.Ф. Кривой, А.П. Криковлюк, И.Г. Мороз- Подворчан и др. // Кибернетика и системный анализ. - 1992. - № 3. - С. 38-44. Мороз-Подворчан И.Г. К проблеме обоснования выбора характеристик ЭВМ реального времени для решения задач управления и обработки данных // Управляющие системы и машины. - 1995. -№ 6. -С. 44-51. Мороз-Подворчан И.Г. Формирование технического облика специализированных ЭВМ реального времени на основе задачного подхода // Там же. - 1996. - № 4/5. - С. 68-74. Мороз-Подворчан И.Г. О задачном подходе к обоснованию выбора характеристик проек тируемых ЭВМ // Доп. НАН України. - 1995. - № 8. - С. 76-77.
Мороз-Подворчан И.Г. О методе опорных ситуаций в обосновании выбора решений // Там же. - 1996. -№ 7. - С. 61-63. Мороз-Подворчан И.Г Об одном сопроцессоре переработки матричной информации // Управляющие системы и машины. - 1998. - № 1. - С. 93-95. Мороз-Подворчан И.Г. Об особенностях составления ТЗ на проектирование специализи рованных ЭВМ // Там же. - № 5. - С. 56-59. Мороз-Подворчан И.Г. О методе предзадач в обоснованном проектировании специализи рованных ЭВМ // Там же. - 1999. - № 2. - С. 47-49. Мороз-Подворчан И.Г. Об использовании методов задачного подхода при оценках произ водительности многопроцессорных ЭВМ // Там же. - № 5. - С. 14-15. Мороз-Подворчан И.Г. Об ограниченных возможностях сравнительных оценок методов выбора решений в проектировании ЭВМ // Там же. - 2000. - № 3. - С. 56-58. Мороз-Подворчан И.Г. О начальном этапе обоснованного проектирования ЭВМ в рамках задачного подхода // Кибернетика и системный анализ. - 2000. - № 2. - С. 174-179. Мороз-Подворчан И.Г. Об особенности обоснования выбора решений для двух направ лений проектирования ЭВМ // Доп. НАН України. - 2000. - № 4. - С. 94-97. Мороз-Подворчан И.Г. О многоэтапной процедуре обоснованного выбора характеристик проектируемых ЭВМ // Там же. - № 5. - С. 96-101. Мороз-Подворчан И.Г. Об одном порядке на множестве проектных требований к характе ристикам специализированных ЭВМ // Там же. - 2001. - № 9. - С. 93-95. Мороз-Подворчан И.Г. Об одном ограничении автоматизируемости процесса проектиро вания вычислительных систем реального времени // Там же. - № 12. - С. 62-65. Мороз-Подворчан И.Г. Об одном способе перемножения разреженных матриц // Управляющие системы и машины. - 2002. - № 5. - С. 13-15. Мороз-Подворчан И.Г. Об одном ситуационно-структурном подходе к аванпроектирова- нию специализированных ЭВМ // Доп. НАН України. - 2003. - № 2. - С. 67-70. Мороз-Подворчан И.Г. Об особенностях верификации при оперировании техническими заданиями на проектирование специализированных ЭВМ // Там же. - № 8. - С. 65-69.
35 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. Г З"- 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. |