Разработка проблемно-ориентированного языка программирования, основанного на процессном методе описания имитационных систем, и его реализация с использованием СУБД КОМПАС

С возникновением ЭВМ появились качественно новые методы для решения традиционных задач, связанных с изучением сложных систем, прежде всего экономики.

За более чем три десятилетия развития вычислительной техники существенно изменились возможности ЭВМ — и не толыю возросшие быстродействие и оперативная память, а и уровень сервиса, предоставляемый пользователю.

Развитие вычислительной техники шло совместно с совершенствованием методов исследования сложных систем. Естественным итогом этих разработок явилось возникновение новой научной дисциплины, получившей название^{системный} анализ" [22] •.

Особое место в методах системного анализа" занимает имитация. Под имитацией принято понимать изучение объектов исследования путем проведения экспериментов с реализованными на ЭВМ математическими моделями этих объектов [13J .

Обеспечить имитационный эксперимент (ИЭ) призвана имитаци онная система (ИС) [24], следовательно, она должна содержать систему моделей, адекватно описывающую исследуемый объект с соответствующими алгоритмами их расчета, средства для описания вариантов моделей, вспомогательные, сервисные функции для наг лядного ведения экспериментов (средства визуализации и анали за полученного решения), а также единый (под все решаемые в ЙС задачи) банк данных.

Перечисленные требования к ИС определяют её архитектуру. Обычно выделяют следующие подсистемы [12] ;

— блок описания моделей и порождения новых вариантов;

— блок интерпретации полученных результатов: средства визуализации и анализа найденного. решения;

— блок верификации моделей: средства анализа адекватности модели исследуемому объекту;

— блок постоптимизационного анализа: средства для формального изучения модели.

Указанные блоки функционируют в рамках единой системы над общим банком данных" Каждый блок обладает своими средствами общения, предоставляемыми пользователю. Совокупность всех этих средств составляет входной язык ИС. Такой язык включает в себя язык моделирования (ЯМ) — на нем можно определять модели, порож дать новые варианты и представлять простейшим образом результаты расчетов. Основу ЯМ составляют два множества: множество объектов и множество действий. Программа на ЯМ, определяющая ИБ, -это последовательность описаний объектов и действий с ниш. Семантика описания объектов заключается в представлении математических соотношений модели (МСМ)"связывающих в виде равенств.

V • ' и/или неравенств переменные и параметры модели. Семантика действий — в возможности ЯМ порождать новые варианты моделей и управлять ходом ИБ. Первую группу действий можно классифицировать по их отношению к вносимым изменениям в МСМ: будем различать действия, модифицирующие множество МСМ и действия, обновляющие числовые параметры модели, сохраняя множество МСМ неизменным.

Так как МСМ формируются в соответствии с семантикой объектов ЯМ, то модифицирующие действия определяются в терминах коррекции описания объектов языка. Вследствие взаимоопределяемости объектов языка друг через друга основным семантическим требованием модифицирующих действий является обеспечение непротиворечивости представления всех объектов, описание которых зависит от корректируемого.

Числовые параметры шдели обычно получаются в результате алгоритмической обработки первичных данных, поэтому в ЯМ должны предусматриваться средства для такого определения параметров модели с возможными последующими изменениями этих значений в ходе ИЭ.

Современные языки моделирования обладают большим многообразием по виду объектов и действий над ними. Рассмотрим некоторые из них, получившие наиболее широкое распространение, прежде всего с точки зрения средств организации ИЭ.

ЯМ стали развиваться с начала 60-х годов с возникновением имитации как метода исследования сложных систем, поведение которых зависит от случайных величин. Поэтому первые языки моделирования: СИМСКРИПТ [42], ГПСС [43,44], СИМУЛА [8], СЛЭНГ [б] были ориентированы на описание моделей дискретных событий. Основу этих языков составляют объекты, имеющие прямые аналоги в теории систем массового обслуживания. Различают постоянные и временные объекты — первые эквивалентны обннным переменным универсальных языков программирования, а вторые могут объединяться в списки — для этого в языке определены специальные операторы действия с временными объектами. Модель в таких языках моделирования описывается в виде совокупности событий, связанных по времени операторами управления. Результатом имитационного эксперимента является множество статистических характеристик, формируемых автоматически в процессе счета программы, описывающей данный ИЭ. Приведенные ЯМ отражают ранний подход к имитации, когда в процессе ИЭ случайным образом изменялись некоторые параметры ш-цели, а множество МСМ было неизменным на протяжении всего ИЭ, юэтому в таких языках моделирования отсутствуют шдирцирующие ¡-действия. При необходимости изменить соотношения модели нужно написать новую программу. Что касается возможностей алгоритмической обработки первичных данных, то эти вопросы по-разному решены в перечисленных языках: СИМУЛА, как универсальный язык программирования, допускает произвольную алгоритмическую обработку первичных данных, а в остальных имеются средства для связи с подпрограммами, написанными на универсальных языках программирования.

Все языки моделирования по виду определения МСМ можно разбить на два класса: в языках первого класса МСМ являются самостоятельными объектами языка, а для языков второго класса типично неявное представление МСМ,.

В языке дМНАМО? 34^модель описывается явно: программа на этом языке состоит из последовательности описания уравнений, причем одни и те же переменные мо1ут входить в разные уравнения. Специальный вид уравнений позволяет статически спланировать последовательность вычисления значений переменных модели.

Можно обобщить принцип явного описания модели — по такому пути пошли разработчики языка УТОПИСТ [26J — на этом языке допускается описание модели в виде совокупности произвольных алгебраических соотношений, в том числе и в виде неявных функций. После определения модели язык позволяет ставить задачи типа «найти значения каких-либо переменных при условии, что значения некоторых других фиксированы» .

Современный подход к имитации складывался постепенно: сначала имитационные модели рассматривались как альтернатива оптимизационным моделям — и это не случайно, потому что первые системы, ориентированные на решение задач математического программирования, возникли с появлением трансляторов с универсальных языков программирования фОРЗРАН, АЛГОЛ и создавались в виде библиотек стандартных алгоритмов. Явным недостатком такой организации программ и данных является то, что библиотечные алгоритмы требуют для своей работы данные фиксированной структуры, поэтому для реализации какого-либо ИЭ с моделью необходимо в одной программе описать модель с использованием библиотечных алгоритмов, определив требуемые данные в требуемом виде, а затем далее описать сам ИЭ* Кроме того, сложность оптимизационных моделей (прежде всего вычислительная сложность поиска оптимального решения) смещает акценты работы с такими моделями.

Зависимость разработчика от необходимости знать структуры данных, которые требуются для работы стандартных алгоритмов, частично снимается пакетами прикладных программ. При такой организации программ и данных пользователю предоставляется специализированный язык общения с пакетом и система сама организует последовательность вызова системных подпрограмм, которые обмениваются друг с другом данными также фиксированного формата.

Типичным представителем таких систем является ШШ [I ] • Ограниченностью такого подхода является то, что разработчик вынужден писать программы, реализующие ИЭ, на входном языке пакета и, если он оказывается неудовлетворительным для решения каких-либо задач ИЭ, то возникает необходимость расширения языка пакета новыми возможностями — эта задача не всегда имеет прием-лимые решения.

Среди систем, ориентированных на решение задач математического программирования, наиболее развитыми являются системы линейного программирования [^1,2,7,45^, во-первых, вследствие простоты определения математических соотношений линейных моделей, во-вторых, из-за наличия эффективных методов решения линейных задач большой размерности.

Большинство систем таю го типа, например [I, 2.], ориентировано на какую-либо стандартную форму записи задачи линейного программирования и тогда объектами входного языка системы так или иначе являются массивы правых частей, двусторонних ограничений на переменные, типов ограничений и типов переменных, матрицы ограничений и так далее. Модель формируется в терминах определения значений этих массивов.

В системе МАГИС2Р, реализованной в ВЦ АН СССР, применяется явный способ определения модели в виде обычных математических соотношений. Пользователь должен определить две процедуры: вычисления невязок и градиента, выполнить некоторые системные соглашения, и тогда система сгенерирует текст программы на АЛГОЛе [15 ], которая будет реализовывать описанный вариант модели и ИЭ.'.

Так как параметрам и переменным модели ставятся в соответствие переменные АЛГОЛ-про граммы, то при такой организации обработку первичной информации можно вести средствами АЛГОЛа.

С возникновением и развитием машин третьего поколения появились новые технические возможности для организации ЙЭ с оптимизационными моделями. От пакетной обработки к диалоговым системам — вот современное направление развития систем, ориентированных на решение задач математического программирования. Одними из первых систем такого типа были интерактивная система линейного программирования [45] и система диалогового планирования ДИСПЛАН [7] • Что касается диалоговых систем для решения задач нелинейного программирования (НЛП), то в [17], оценивая перспективы развития таких систем для решения задач большой размерности (типичная ситуация для имитации), высказывается лишь предположение, что количество таких систем в ближайшие несколько лет возрастет, при этом подчеркивается необходимость проведения Экспериментальных работ в этом направлении. В [23]также отмечается необходимость тщательной проработки самого диалога, то есть тех средств, которые даются пользователю для оперативной работы.

Интерактивные системы НЛП находятся в настоящее время в стадии становления, однако уже разработаны ряд систем этого типа, например, ДМОО [ 25^, НЕДОПТ [20] - интерактивная система, использующая систему НЕДИС [31] для описания имитационных моделей и их вариантов.

Приведенные интерактивные системы — новый шаг на пути к созданию средств, обеспечивающих ИЗ с оптимизационными моделями. Системы [20], [25] позволяют в диалоге менять те или иные параметры модели, более того, в ДИСО [25J разработаны специальные операторы, позволяющие управлять поиском оптимального решения, меняя методы оптимизации в процессе диалогового счета.

При анализе ранних ЯМ подчеркивалось, что такие языки не обладают модифицирующими действиями, — аналогичная ситуация с интерактивными системами НЛП. Развитые ЛП-системы позволяют фиксировать значения некоторых переменных или исключать некоторые соотношения.

В заключение краткого анализа ЯМ остановимся на ряде вопросов, имеющих непосредственное отношение к процессу проектирования и реализации новых ЯМ.

Во-первых, в рассмотренных ЯМ математическая модель формируется таким образом, что множество математических, соотношений модели остается неизменным на протяжении программы. Даже в ЛП.

— системах, позволяющих фиксировать переменные или отменять ограничения определенной задачи, при необходимости добавить новую группу математических соотношений в задачу нужно изменять такст программы. Так как модифицирующие действия нередко используются в ходе ИЭ, то необходимость формирования новой программы для нового ИЭ существенно замедляет процесс имитации в целом, а в некоторых ситуациях становится проблематичной диалоговая организация ИЭ в таком режиме.

Во-вторых, пакеты прикладных программ со своими входными языками являются замкнутыми (автономными) системами по отношению к универсальным языкам программирования, а так как параметры модели обычно формируются при помощи таких языков, то, если язык пакета не обладает возможностями алгоритмической обработки, возникает необходимость в разработке специализированных интерфейсов между языком пакета и универсальным языком программирования. Учитывая сложность таких интерфейсов, разработчики пакетов стремятся внести возможности универсальных языков в язык пакета — такой путь, в свою очередь, осложняет реализацию языка пакета.

В-третьих, все описанные выше ЯМ, ориентированы на файловую организацию данных и программ, когда свойства языка реализованы в виде подпрограмм, обменивающихся друг с другом данными фиксированного формата. При этом подпрограммы в своих телах содержат описания форматов данных, с которыми они работают.

В такой ситуации, когда программы зависят от данных, разработка новых свойств языка сильно затруднена, так как для новых приложений необходимо разработать новые форматы данных, учитывающие старые, а это неизбежно ведет к изменению уже разработанных и реализованных программ.

В-четвертых, все описанные выше ш, ориентированы на однозадачный режим работы, в то время как ИС призвана обслуживать разные категории пользователей ?12], работаюцих одновременно из разных задач над единым банком данных.

Из анализа приведенных трудностей, связанных с проектированием систем обработки данных, за последние полтора десятилетия возникла система взглядов, оформившаяся в научную дисциплину «информатика», которая изучает проблемы организации хранения и обработки информации.

Особое место в этих вопросах занимает проблематика баз данных [9|, [19], ?39]. Характеризуя отличия систем, поддерживающих: базы данных и файлы в [19] подчеркивается, что преимущества баз данных проявляются прежде всего в неизбыточности, независимости, взаимосвязанности данных, их защите и возможности одновременного доступа из разных задач.

Указанные свойства систем баз данных позволяют проектировать ИС на новой архитектурной основе. Рассмотрим преимущества такой организации ИС. Каждая подсистема ИС функционирует по своей подсхеме, выделенной из общей схемы данных ИС. Концепция схем и подсхем, разработанная в предложениях КОДАСИЛ [39], наиболее близко отражает многоцелевую направленность ИС на использование данных различными группами пользователей при работе в соответствующих подсистемах ИС. Независимость программ, каждая из которых работает по своей подсхеме, позволяет автономно разрабатывать ИС, кроме того, при внесении новых свойств в систему ранее разработанные программные средства не изменяются.

Средства обеспечения целостности данных позволяют эффективно реализовать модифицирующие действия входного языка ИС.

Идея включающего языка оказала плодотворное воздействие на развитие практических систем баз данных [??] • Первоначальные предложения КОДАСМ [39] по реализации языка манипулирования данными (ЯМД) как расширения какого-либо стандартного языка программирования на практике были заменены более простыми и не менее удобными средствами организации прикладной программы, в которую операторы ШД включаются текстуально. При такой организации прикладная программа обрабатывается в два прохода: сначала она предтранслируется, а затем поступает на вход транслятора включающего языка. Передача данных из БД в прикладную программу и наоборот осуществляется через рабочую область, которая оформляется в прикладной программе по соответствующей подсхеме с учетом включающего языка, таким образом переменные рабочей области могут обрабатываться средствами включающего языка и, следовательно, обеспечивается алгоритмическая обработка первичных данных.

Все современные системы управления базами данных (СУДЦ) наряду с работой из прикладных программ обеспечивают доступ к БД в интерактивном режиме, причем многие из них обеспечивают одновременную работу нескольких задач, ведущих доступ к ДЦ.

5.

Заключение

.

Работа посвящена проектированию проблемно-ориентированного языка программирования ПРИМ, основанного на процессном методе описания имитационных систем и его реализации с использованием СУВД КОМПАС. Основные результаты диссертации заключаются в следующем :

I. Разработан специализированный проблемно-ориентированный язык программирования ПРИМ. Объекты языка предназначены для определения линейных моделей, представленных процессными.схемами. Язык процессных схем наиболее близок к языку специалиста по моделируемой области, но не являющемуся математиком-программистом.

1.1. Отличительной особенностью языка ПРИМ от других языков моделирования является наличие модифицируюцих действий, позволяющих в ходе имитационного эксперимента изменять множество математических соотношений модели, связывающих в виде равенств и/или неравенств переменные модели.

1.2. В языке последовательно проводится принцип умолчания: многие конструкции можно не указывать, тогда соответствующие величины получат наиболее распространенные значения, что позволяет сократить объем описаний типовых объектов.

1.3. Наибольшее удобство работы на ПРИМе достигается при хорошо наполненной базе данных система, тогда имитационные эксперименты легко формулировать в терминах имеющихся объектов, используя модифицирующие действия языка.

1.4. Компилятор ПРИМа может работать в трех режимах: пред-транслиру емом с включаюдим языком, интерактивном, автономном. Предтранслируемый режим удобен на этапах алгоритмической обработ.

— из ки первичных данных и анализа полученного решения, когда описания объектов и действий на ПРИМе совмещаются с работой ва включающем языке в одной прикладной программе. В интерактивном режиме совместно с основными операторами языка можно использовать вспомогательные операторы, позволяющие вести диалог «по инициативе ЭВМ11. Автономный режим применяется, когда работа ведется только средствами ПРИМа, например, при масоовой загрузке базы данных системы новыми моделями*.

2. Для реализации интерактивного и предтранслируемого режимов использования компилятора ПРИМа в СУВД КОМПАС разработаны и реализованы: язык модуля терминального доступа и аппарат процедур баз данных. Эти средства спроектированы как универсальные, настраивающиеся на конкретные подсхемы.

2.1. Язык модуля терминального доступа (ЯМВД) — расширение к языка манипулирования данными. Наряду с операторами ЯМД допускается использование следующих операторов:

— ввода-вывода;

— определения библиотечных запросов на ЯМЗД;

— исполнения библиотечных запросов;

— управления процессом вычислений.

— запуска последовательности приказов мониторной системы ДУБНА.

2.2. Аппарат процедур баз данных СУБД КОМПАС спроектирован как механизм расширения стандартного ЯМД, при этом не накладывается никаких ограничений на использование в ДД-процедурах ЯМД-операюров с записями и наборами, для которых, в свою очередь, также можно определять процедуры ВД.

Другой отличительной особенностью аппарата процедур баз данных СУДц КОМПАС является возможность исполнения этих процедур как в диалоговом режиме в модуле терминального доступа, так и в прикладных программах, написаниих на включающих языках с использованием 5Щ.

3. Разработана методика проектирования проблемно-ориентированного языка программирования методом сведения всевозможных отношений между объектами языка к стандартным отношениям между объектами схемы. Проектирование схемы и языка представлено в виде последовательности итераций сведения представления объектов языка к объектам схемы и наоборот.

4. Реализована экспериментальная версия ПРйМа, включающая в себя:

— модуль, реализующий автономный режим использования компилятора с дополнительныпи операторами автономного режима;

— модуль, являющийся генератором ЛП-задачи со специализированным интерфейсом между СУЩ КОМПАС РгЛП/БЭСМ-б;

— модуль, преобразующий решение из соответствующего Ж1-мас-сива в значения переменных процессов, входящих в блок задачи;

— модуль, выдающий описания состояния объектов, хранящихся в системе.

Кроме того, на ЯМТД реализованы дополнительные операторы интерактивного режима в виде библиотечных запросов. Что касается предтранслируемого режима, то допускается пработа по подсхеме ПРШа стандартными средствами СУВД КОМПАС.

Содержание диссертации докладывалось на:

1. Всесоюзном Симпозиуме «Автоматизация производства пакетов прикладных программ (Автоматизация производства трансляторов) м, Таллин, 1980.

2. Семинаре «Диалог в автоматизированных системах», ВДНТП, Москва, 1981.

3. Семинаре-совещании Мф’Ш с СЭИ АН СССР «По разработке методов и моделей текущего планирования и оперативного управления топливно-энергетическим комплексом», Москва, 1982.

4. Второй Всесоюзной конференции «Банки данных». Ташкент, 1983.