Синтаксически ориентированные и графические средства описания и анализа моделей гибридных систем

Гибридные системы (ГС) — это событийно-управляемые системы переменной структуры. ГС характеризуются как непрерывным, так и дискретным поведением. Смена непрерывных поведений управляется событиями, которые характеризуются логическими условиями.

Динамические системы (ДС) являются подклассом ГС и представляют собой однорежимные ГС. Они традиционно описываются обыкновенными дифференциальными (ОДУ) или алгебро-дифференциальными уравнениями (АДУ). Дискретное поведение ГС представляется в виде детерминированного конечного автомата. Анализ ГС требует специальных инструментов, которые совмещают в себе оба вида моделей в единый формализм, позволяющий описать смену поведений в различных областях фазового пространства.

Для детального и качественного анализа таких систем применяется метод компьютерного моделирования, который является фундаментальным научным направлением.

В настоящее время научное направление компьютерного моделирования ГС закончило этап становления. Разработан ряд отечественных (MVS, AnyLogic) и зарубежных (DYMOLA, Simulink/Stateflow, SCILAB/SCICOS) пакетов моделирования, каждый из которых реализует уникальный формализм ГС, имеющий свои достоинства и недостатки. Существование многообразия формализмов свидетельствует о недостаточной степени исследования вопросов спецификации ГС и подчеркивает актуальность.

Существующие универсальные подходы к спецификации ГС по сложности не уступают современным объектно-ориентированным языкам программирования, что ставит под вопрос целесообразность их проработки. Другие подходы предлагают единый инструментарий для работы с разными предметными областями, что может приводить к семантической неоднозначности использования предметных терминов. Поэтому любой формализм должен быть рассчитан в первую очередь на конечного пользователя с ограниченными понятиями и предметно-ориентированной направленностью. При этом подходы не должны противоречить друг другу и быть взаимно дополняющими на уровне спецификации и анализа.

Предметный пользователь при попытке применить методы компьютерного моделирования в своей практической деятельности сталкивается с серьезными трудностями при освоении и использовании современных программных средств, в частности при описании модели на языке используемой формальной схемы. Для работы с ними требуются знания, не относящиеся непосредственно к моделированию. Поэтому при создании инструментальных средств моделирования необходимо учитывать различный уровень подготовки потенциальных пользователей и специфику их практической деятельности. Язык спецификации должен использовать термины и сущности непосредственно из предметной области. Большинство современных языков моделирования используют термины объектно-ориентированного программирования, что приводит к необходимости освоения конечным пользователем новых знаний в программировании. Решение этой проблемы видится не в создании некоторого «универсального» способа описания модели, а в разработке и реализации нескольких альтернативных формализмов спецификации в рамках одного пакета для многовариантности и гибкости построения модели. Это позволяет расширить круг пользователей и снизить трудоемкость проектирования программной модели ГС.

Цель работы и задачи исследования. Цель работы заключается в разработке синтаксически ориентированных и графических средств описания и анализа моделей ГС.

В рамках диссертационной работы поставлены и решены следующие задачи.

• Экспериментальный анализ современных формализмов спецификации ГС и инструментальных средств их реализации.

• Разработка новых альтернативных формализмов спецификации ГС.

• Разработка предметно-ориентированного языка спецификации, использующего текстовое представление модели ГС с применением однозначных методов анализа с содержательной диагностикой синтаксиса и семантики.

• Разработка программных средств, реализующих новые формализмы спецификации ГС, обеспечивающих эффективное человеко-машинное взаимодействие, расширяющих возможности ПК ИСМА.

• Разработка предметно-ориентированных средств спецификации и анализа прямых задач химической кинетики.

• Унификация спецификации моделей ГС из различных предметных областей исследования динамики процессов.

Методы исследования. В диссертационной работе использовались теория систем, методы и понятия теории графов, теория множеств, теории языков и формальных грамматик. В экспериментальной части применялись методы синтаксического анализа и компиляции, методы структурного и объектно-ориентированного программирования, методы компьютерного моделирования.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.

• Выполнено расширение предметно-ориентированного языка спецификации ГС LISMA [69] введением событийного управления. Разработаны средства реализации нового языка в виде многопроходного языкового процессора.

• Разработаны формализмы текстовой и графической спецификации ГС, функционально дополняющие существующие формализмы. Показана семантическая эквивалентность текстового и графического представления ГС, что позволяет переходить от одной формы представления к другой.

• Разработаны методологические и лингвистические основы способов спецификации ГС, допускающих алгоритмическое формирование правых частей системы АДУ для задач повышенной размерности.

• Разработано лингвистическое обеспечение для решения прямых задач химической кинетики в виде языка спецификации LISMA+ и программных средств его реализации.

• Спроектирована архитектура интегрированного препроцессора ПК ИСМА-10.

Практическая ценность работы и реализация результатов.

Разработанные методы и алгоритмы реализованы в рамках новой версии пакета моделирования ИСМА-10 (Свидетельство официальной регистрации программы для ЭВМ № 2 005 610 126. — М: Роспатент, 2005; Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2 007 611 024. — М.: Роспатент, 2007).

Методика спецификации динамических систем средствами ИСМА использована в опытно-конструкторском бюро Сибирского научно-исследовательского института авиации им. С. А. Чаплыгина при расчете аэродинамических показателей летательных аппаратов. Кроме того, ПК ИСМА-10 используется в учебном процессе в Новосибирском государственном техническом университете автоматики и вычислительной техники и на электромеханическом факультете.

Результаты научных исследований использованы при выполнении проекта № РНП 2.1.2/4751 в рамках АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009;2010 годы)" — НИР в рамках государственного контракта № П-297 по ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2011 гг.

Достоверность научных положений и результатов подтверждается анализом существующих языковых и инструментальных средств решения поставленных задач, сравнением результатов решения ряда тестовых задач в.

ПК ИСМА-10 и ведущих отечественных и мировых аналогах (MVS, AnyLogic, DYMOLA, Simulink/Stateflow). Кроме того, достоверность и эффективность обоснована на предметно ориентированном описании прямых задач химической кинетики.

Личный вклад. Все изложенные в диссертации алгоритмы и методики были разработаны, реализованы и экспериментально проанализированы автором лично. Программная реализация пакета моделирования ИСМА-10 проводилась коллективом исследователей при непосредственном участии автора. Автором модифицировано, дополнено и доведено до программной реализации лингвистическое обеспечение ПК ИСМА-10.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на следующих международных, всероссийских и региональных конференциях:

• всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука Технологии Инновации» (Новосибирск, 2004);

• научной студенческой конференции «Дни науки НГТУ» (Новосибирск, 2004, 2006);

• втором международном форуме по стратегическим технологиям «IFOST-2007», (Ulaanbaatar, Mongolia, 2007);

• всероссийской научно-технической конференции «Научное программное обеспечение в образовании и научных исследованиях» (Санкт-Петербург, 2007, 2008);

• всероссийской научно-практической конференции «Имитационное моделирование. Теория и практика» (Санкт-Петербург, 2009).

Также промежуточные результаты работы докладывались на ежегодной отчетной научной сессии НГТУ, на научных семинарах ИВМиМГ СОР АН, ИСИ СОР АН.

Публикации. Всего по теме диссертации опубликованы 12 научных работ, в том числе: 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ- 5 статей в материалах международных, всероссийских конференций- 2 работы опубликованы в международных научно-технических журналах. 2 работы зарегистрированы в Роспатент.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, трех глав, заключения и приложений. Объем работы составляет 175 страниц основного текста, включая 83 рисунка и 9 таблиц.

Список использованных источников

содержит 95 наименований.

ВЫВОДЫ.

Разработан язык спецификации прямых задач химической кинетики и средства его реализации в виде языкового процессора. Интеграция языкового процессора с языка химических реакций LISMA+ позволил не только моделировать взаимодействие подсистем различной природы, но и имеющие различные формы представления исходной модели. При этом никаких дополнительных требований, ограничений или доработок системы моделирования ИСМА не потребовалось.

Язык LISMA+ позволяет задавать системы химических уравнений и дополнительные данные в соответствии с представлениями предметной области. При этом среда моделирования ориентирована на конечного пользователя, предметного специалиста и не предъявляет к нему требований дополнительных знаний в области вычислительной математики, объектно-ориентированного программирования, машинной графики.

Предложенная инструментально-ориентированная методология исследования динамики процессов позволила:

— резко сократить непроизводительные затраты при переходе от модели на языке химических уравнений к системе кинетических уравнений;

— сосредоточиться на сущности исследуемых задач;

— применить существующий арсенал оригинальных эффективных численных методов библиотеки ИСМА для численного анализа системы ОДУ;

— сократить время получения результатов химической кинетики благодаря использованию инструментария интегрированной среды ИСМА;

— повысить качество интерпретации и документирования полученных результатов.

На примере прямых задач химической кинетики показана возможность расширения языка спецификации в конкретной области исследования динамики процессов без существенных изменений. Тем самым решена задача унификации программного обеспечения.

Разработанная математическая модель схемы химической реакции позволяет получать в результате работы языкового процессора внутреннее представление задачи в виде матрицы разности стехиометрических коэффициентов правой и левой части схемы реакции. Это позволяет без существенных доработок получать конкретную форму записи кинетических уравнений в соответствии с требованиями используемого процессора численного анализа.

Основное содержание главы сопровождается примерами, иллюстрирующими различные специфические аспекты спецификации и трансляции прямых задач химической кинетики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации рассмотрены важные вопросы, связанные с решением важной научно-практической задачи анализа ГС методом компьютерного моделирования в окружении инструментально-ориентированных средств ИСМА. Достижение поставленной цели и решение сформулированных задач обосновано на следующих основных результатах, которые имеют самостоятельное научно-практическое значение.

1. Выполнено расширение предметно-ориентированного языка спецификации ГС LISMA и средств его реализации в виде языкового процессора.

2. Разработаны и реализованы в рамках ПК ИСМА-10 формализмы спецификации ГС, дополняющие формализмы известных аналогов: сети Петри (Dymola), мультиагентное моделирование (AnyLogic), блочное моделирование (МВТУ, Matlab), гибридные автоматы (MVS) и имеющие свои функциональные преимущества, ориентированные на предметного пользователя. Показана семантическая эквивалентность текстового и графического формализмов.

3. Разработана и реализована методология спецификации ГС, допускающих частичное или полностью алгоритмическое задание правых частей АДУ. Решены практические задачи.

4. Разработано математическое, алгоритмическое и программное обеспечение для спецификации и трансляции для дальнейшего численного анализа прямых задач химической кинетики, как класса однорежимных ГС. Получен существенный технический эффект при решении прямых задач химической кинетики за счет использования предметно-ориентированного языка химических реакций LISMA+, позволяющего описывать задачу в соответствующей для предметного пользователя форме. На примере задач химической кинетики показана возможность обобщения языка относительно различных предметных областей исследования динамики процессов.

5. На классе специальных задач показана эффективность инструментально-ориентированного исследования средствами ИСМА-10 ГС разной природы.

6. На основе новых информационных технологий объектно-ориентированного программирования реализована иерархия программных модулей интегрированного препроцессора ИСМА-10. Прикладное значение программных продуктов заключается в повышении эффективности процессов обработки и подготовки данных в вычислительных машинах.