Разработка методов проектирования структур и инструментальных средств для создания интерактивных систем

Актуальность темы

.

К настоящему времени сложился новый класс программных и технических средств — интерактивные системы (ИС), которые позволяют в реальном времени получать информацию от датчиков технологических процессов и оператора, управлять процессом решения прикладной задачи, представлять полученные результаты оператору или управлять исполнительными механизмами и станками с ЧПУ [6]. Интерактивные системы производят операции над графическими данными по созданию геометрических моделей, расчету процессов визуализации моделей объектов и соответствующих параметров [30]. Примерами такого рода систем являются системы автоматизированного проектирования, автоматизированные системы управления технологическими процессами, SCADA-системы, системы мониторинга и т. п. Для их проектирования становятся актуальными проблемы исследования принципов структурной организации, разработки методов синтеза их структур, используемых структур данных, способов согласования с внешними устройствами, разработки инструментальных средств для создания таких систем, включая средства графического взаимодействия пользователей с системами.

Большой вклад в разработку методов синтеза программно реализованных систем внесли работы Артамонова Е. И. [51,53,54,55], Кульбы В. В. [50,52], Косяченко С. А. [52], Микрина Е. А., Цвиркуна А. Д. [10,50] и др.

Однако проблемам проектирования ИС, использующих виртуальные, сложно структурированные геометрические модели объектов уделяется еще недостаточное внимание, что иногда приводит к большим затратам на их реализацию и снижает их эффективность. Для создания таких систем привлекаются большие людские ресурсы, увеличивается время разработки и, как следствие, стоимость, снижается их качество.

Цель и задачи работы.

Целью диссертационной работы является разработка методов проектирования структур программного обеспечения ИС, обобщенных математических моделей проектируемых объектов для всех этапов их жизненного цикла (ЖЦ) и методов создания электронной документации на основе программных средств виртуальной реальности. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

— исследование принципов построения ИС, алгоритмов функционирования, структур алгоритмов, используемых математических моделей и их структур данных;

— разработка метода проектирования структур программного обеспечения ИС, генерация и выбор вариантов структур программного обеспечения проектируемых ИС;

— разработка обобщенных математических моделей (включая функциональные и геометрические) проектируемых объектов для всех этапов их ЖЦ и методов создания электронной документации;

— разработка инструментальных средств для построения ИС, включая интерактивные средства взаимодействия пользователей с ИС;

— создание и исследование эффективности программного обеспечения отдельных ИС на основе разработанных методов проектирования структур и математических моделей объектов.

Методы исследований основаны на использовании алгоритмов компьютерной графики, методов и средств автоматизированного проектирования, теории множеств, теории графов, линейной алгебры, аналитической и начертательной геометрии, а также математического анализа.

Научная новизна работы заключается в разработке методов проектирования структур программного обеспечения ИС, включая специально разработанные методы синтеза структур программного обеспечения и структур данных, принципы построения функциональных и геометрических моделей проектируемых объектов и методы их документирования на всех этапах ЖЦ, а также в разработке принципов построения инструментальных средств для проектирования таких систем.

Практическая ценность работы.

Представленные в диссертации результаты использованы в ряде проектов и позволяют научно обоснованно решать важные задачи, возникающие при создании специализированных ИС, а именно: исследование алгоритмов функционирования и выбор структур программной реализации систем, разработка интерактивных средств взаимодействия пользователя с ИС и инструментальных средств автоматизированного проектирования ИС, создание обобщенных математических моделей проектируемых объектов и интерактивных электронных технических руководств (ИЭТР) на их основе.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций подтверждается корректностью постановок задач, выбором алгоритмов функционирования с использованием методов математического моделирования, получением структур систем по заранее заданным критериям, а также результатами практического использования предложенных в диссертации методов, моделей и средств.

Реализация и внедрение результатов работы.

Полученные в диссертации результаты и программное обеспечение внедрены в РКК «Энергия» при моделировании Большого космического рефлектора (БКР), в ФГУП «Атомэнегропроект» для эргономического анализа комплекса технических средств оперативно-диспетчерского управления (ОДУ) АЭС, в ЗАО «АмРуссТел» при создании систем мониторинга и управления спутниковыми сетями связи (ССС) в Казахстане и Республике Саха (Якутия), в ФГУП «НИИ АА» для моделирования тросово-пружинных амортизационных платформ. Акты внедрения и использования научных результатов приведены в приложении 4.

Апробация работы.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих форумах:

— на 3, 4, 5 и 6-й международной конференции «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта. CAD/CAM/PDM», г. Москва, ИЛУ РАН, в 2003, 2004, 2005 и 2006 году соответственно;

— на 2 и 3-й международной конференции по проблемам управления, г. Москва, ИЛУ РАН, в 2003 и 2006 году соответственно;

— на 31 и 32-й международной конференции «Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе IT+S&E*04/05», г. Гурзуф, в 2004 и 2005 году соответственно.

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 21 печатная работа, в том числе 3 методических пособия, статьи: «Использование средств виртуальной реальности при моделировании динамических конструкций» в приложении № 1 к журналу «Успехи современного естествознания», № 5 за 2004 г., «Современные проблемы разработки и внедрения интерактивных систем» в приложении к журналу «Открытое образование» за 2005 г., «Использование средств виртуальной реальности при проектировании и эксплуатации промышленных производств» в журнале «Автоматизация в промышленности», № 4 за 2007 г, доклады: «Моделирование крупногабаритных динамических конструкций» на 3-й международной конференции по проблемам управления в 2006 г, «Пространственно-векторная мышь в интерактивных системах» и «Средства виртуальной реальности — новые возможности при проектировании» на 6-й международной конференции «Системы проектирования, технологической подготовки производства и управления этапами жизненного цикла промышленного продукта. CAD/CAM/PDM» в 2006 г.

В соответствии с вышеизложенным, диссертация построена следующим образом.

В первой главе проведены анализ структурной организации и классификация интерактивных систем (ИС), анализ методов проектирования структур программного обеспечения ИС. Проведен обзор существующих методов структурного анализа и проектирования ИС, показавший необходимость их совершенствования, в том числе необходимость формализации процесса выбора их структуры, формализации операций со структурами алгоритмов, разработки инструментальных средств и систематизации реализаций типовых алгоритмов, стандартизации и согласования структур данных для обмена информацией внутри систем и с внешней средой.

Во второй главе предложен формализованный метод структурного проектирования ИС, основанный на предварительных операциях со структурами алгоритмов и последующем выборе оптимального по заданным критериям покрытия полученных структур алгоритмов соответствующими программными реализациями. Отличительными особенностями предложенного метода являются детальный учет используемых структур данных и структур обобщенных моделей проектируемых объектов применительно к программно реализованным системам, использующим средства виртуальной реальности, а также исследование и модификация операций со структурами данных.

Показана необходимость разработки инструментальных средств для решения типовых задач и накопления базы их реализаций в рассматриваемой области.

В третьей главе разработаны принципы организации обобщенных математических моделей проектируемых объектов, методы создания документации на их основе, а также алгоритмы и программное обеспечение инструментальных средств для построения некоторых классов ИС. 8.

В четвертой главе разработаны алгоритмы функционирования, модели проектируемых объектов, структуры данных, структуры программного обеспечения и само программное обеспечение ИС: а) моделирования Большого космического рефлектора и процесса его разворачивания на орбитеб) моделирования и эргономического анализа комплекса технических средств оперативно-диспетчерского управления АЭСв) мониторинга и управления спутниковыми сетями связиг) моделирования тросово-пружинных амортизационных платформ и их поведения при сейсмоударных воздействиях.

В заключении приведены общие выводы по диссертационной работе.

Приложение содержит акты и справки, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 128 страниц, список литературы включает 63 наименования.

4.5. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

1. Разработаны алгоритмы функционирования, структуры программного обеспечения и структуры данных, математические модели проектируемых объектов и инструментальные средства для проектирования некоторых классов ИС, в частности:

— ИС моделирования БКР и процесса его разворачивания на орбите;

— ИС моделирования и эргономического анализа комплекса технических средств ОДУ АЭС;

— ИС мониторинга и управления ССС;

— ИС моделирования тросово-пружинных амортизационных платформ и их поведения при сейсмоударном воздействии.

2. На основе предложенного метода проектирования структур определено множество реализаций структур разрабатываемых ИС, выбраны структуры данных и структуры ИС.

3. На основе разработанных инструментальных средств создано программное обеспечение ИС и исследована его эффективность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе разработаны методы автоматизированного проектирования структур программного обеспечения ИС, обобщенные математические модели и методы документирования проектируемых объектов, структуры данных и инструментальные средства для построения ИС. Получены следующие основные теоретические и практические результаты:

1. Определен класс интерактивных систем и проведён анализ методов проектирования таких систем. Показано, что современные методы проектирования не учитывают особенности структур данных и способов их представления, отсутствуют автоматизированные методы синтеза структур ИС и инструментальные средства для их создания.

2. Разработан метод проектирования структур программного обеспечения ИС, включающий операции с алгоритмами функционирования, создание обобщенной графовой модели ИС для различных конфигураций алгоритмов и формальный выбор лучшей структуры по заданным критериям. На основе разработанного метода получены возможные варианты построения структур программного обеспечения проектируемых ИС.

3. Разработаны принципы организации обобщенных взаимосвязанных моделей проектируемых объектов для всех этапов их жизненного цикла. Показано, что такие модели могут являться основой создания интерактивных электронных технических руководств (ИЭТР).

4. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение инструментальных средств для построения некоторых классов ИС.

5. На основе разработанных методов проектирования структур ИС, принципов организации обобщенных взаимосвязанных моделей и инструментальных средств отработаны алгоритмы функционирования, получены варианты структурной организации и создано программное обеспечение следующих систем:

— моделирования Большого космического рефлектора в рамках проекта Европейского космического агентства;

— моделирования и эргономического анализа комплекса технических средств оперативно-диспетчерского управления АЭС;

— мониторинга и управления спутниковыми сетями связи;

— моделирования тросово-пружинных амортизационных платформ.

Созданные системы и инструментальные средства внедрены в производственные и учебные процессы, получены акты о внедрении.