Современные информационные технологии/1. Компьютерная инженерия

О.В. Новоселова

Московский государственный технологический университет «СТАНКИН», Россия

Моделирование традиционных процессов решения предметных задач на начальном этапе автоматизации

В современных условиях для сокращения времени выполнения процедур и работ во многих отраслях используется разбиение процесса на отдельные работы/действия и определение возможности их одновременного и независимого выполнения.

В МГТУ «СТАНКИН» разработана Методология автоматизации интеллектуального труда (МАИТ), которая предлагает промышленный способ создания прикладных автоматизированных систем различного назначения [1].

На этапе анализа традиционного процесса решения предметных задач исходная информация поступает из документальных источников и от специалистов – экспертов предметной области. На данном этапе автоматизации предметной задачи [1] определяется место выделенной задачи в общей структуре задач, выполняется декомпозиция задачи на простые и сложные действия (формируется система предметных действий), проводится классификация и систематизация информации, выполняется описание информационного содержания простых действий и формируются описания функциональной и информационной компонент задачи и их взаимосвязи в виде диаграмм и спецификаций.

Сформированное описание предметных задач фиксирует традиционный процесс их решения в виде структуры задач и содержательных характеристик простых предметных действий. Аналитическая обработка полученных моделей позволяет определить информационную связность для сложных предметных действий разного уровня и возможность реструктуризации системы предметных действий. Для проведения реструктуризации необходимо определить требования, которым должно соответствовать алгоритмическое описание предметной задачи. Поэтому необходимо алгоритмическое представление привести к другому виду, в котором будут увязаны в единое целое пространственные и временные ресурсы. Для данной задачи было применено структурное описание, основанное на аппарате блочных матриц.

В работе [1] приведено формальное описание и методика формирования начального модельного представления предметной задачи, в работе [2] выполнено формальное обоснование получения информационного содержания сложных действий в зависимости от типа базовой алгоритмической конструкции. В работе [3] выполнено формальное обоснование формирования структурного описания предметной задачи, к которому приводится алгоритмическое представление предметной задачи.

Структурное описание предметной задачи включает: временную шкалу (такты), пространственную шкалу (конвейеры); идентификацию предметных действий на данном такте и данном конвейере; возможность учета потоков информации между действиями. Дополнительно при формировании структурного описания учитывается: описание базовых (последовательность, итерация, альтернатива) и типовых (переключатель, цикл) алгоритмических конструкций, описывающих декомпозицию предметных задач на простые и сложные действия, при этом типовые конструкции строятся на основе базовых; описание их суперпозиций; информационное содержание предметных действий (ПД); информационную взаимосвязь простых предметных действий в рамках сложного предметного действия.

Для описания системы предметных действий в виде структурного представления был выбран аппарат блочных матриц [2, 3], где элементами матрицы могут быть как коды ПД, так и метки информационных связей между действиями - каждому сложному предметному действию y_ps (или s-му предметному действию на p-м уровне декомпозиции) можно поставить в соответствие матрицу A_ps. Структурное описание сложного предметного действия y_ps можно представить в виде блочной матрицы A_ps:

,

где блок A¹_ps – описывает внешние входные информационные связи сложного предметного действия, размерность блока n¹_ps=n×1; блок A²_ps – описывает структуру простых предметных действий в рамках сложного предметного действия, их внутренние информационные связи, размерность блока n²_ps=n×n; блок A³_ps – описывает внешние выходные информационные связи сложного предметного действия, размерность блока n³_ps=1×n; блок A⁴_ps – описывает конструкцию сложного предметного действия, размерность блока n⁴_ps=1×1. При этом n – количество действий на p+1 уровне, составляющих сложное предметное действие y_ps. Размерность матрицы A_ps складывается из размеров входящих в нее блочных матриц A¹_ps , A²_ps , A³_ps , A⁴_ps и равна n_ps=(n+1)×(n+1).

Для проведения реструктуризации системы предметных действий необходимо выполнить: группирование сложных предметных действий; формирование структурных описаний всех сложных предметных действий для предметной задачи; формирование полного и расширенного структурного описания для предметной задачи в целом; реструктуризация (формирование оптимального) структурного описания в соответствии с критериями пространственно-временных характеристик.

Формирование полного структурного описания для предметной задачи в целом осуществляется путем рекурсивного раскрытия структурного описания максимально сложного предметного действия по определенным правилам. В соответствии с этими правилами на каждом шаге в исходное структурное представление A_ps, отражающее максимально сложное предметное действие y_ps, вкладывается структурное представление A_(p+1)h встраиваемого действия y_(p+1)h, пока все сложные предметные действия не будут раскрыты и представлены структурой из простых предметных действий. При встраивании матрицы следующей группы уточняются элементы матрицы, отражающие информационную связность предметных действий на данном уровне разложения. Матрица полного структурного описания позволяет получить целостное представление предметной задачи, которое учитывает ее разложение по тактам (столбцам) и конвейерам (строкам). В работе [4] приведено формальное описание правил формирования блоков для полного структурного описания для задачи в целом.

Итеративный процесс раскрытия структурного описания позволяет получить структурное описание задачи в целом, при этом размерность результирующей матрицы A^*_ps на каждом шаге раскрытия будет складываться из размерностей базовой A_ps и встраиваемой матриц A_(p+1)h, представляющие структурные описания соответствующих предметных действий.

,

,

.

Выделенное предметное действие y_(p+1)h позволяет разбить все блоки исходной матрицы на подблоки следующим образом:

.

Результирующая матрица будет иметь такое же количество подблоков, что и исходная:

.

В развернутом виде матрицы A^*_ps , A_ps и A_(p+1)h имеют вид:

.

Элементы результирующей матрицы A^*_ps формируются следующим образом:

1) для матрицы- столбца, описывающей внешние входные информационные связи сложного предметного действия:

- значения элементов подблока A^1-1*_ps :

, где q= r = 1, …, d-1 и d = t.

- значения элементов подблока A^1-2*_ps :

, где q = t, …, t+k-1; f = 1, …, m и k = m.

- значения элементов подблока A^1-3*_ps :

, где q = t+k, …, n; r = d+1, …, z и n-(t+k-1) = z-d.

2) для квадратной матрицы, описывающей структуру простых предметных действий в рамках сложного предметного действия и их внутренние информационные связи:

- значения элементов подблока A^2-1*_ps :

, где q = l = r = g =1, … , d-1 и d = t.

- значения элементов подблока A^2-2*_ps :

,

где q = r = 1, … , d-1; l = t, … , t+k-1; b = 1, … , m и t = d; k = m.

- значения элементов подблока A^2-3*_ps :

,

где q = r = 1, … , d-1; l = t+k, … , n; g = d+1, … , z и t = d; n-(t+k-1) = z-d.

- значения элементов подблока A^2-4*_ps :

,

где q = t, … , t+k-1; l = g = 1, … , d-1; f = 1, … , m и t = d; k = m.

- значения элементов подблока A^2-5*_ps :

, где q = l = t, … , t+k-1; f = b = 1, … , m и k = m.

- значения элементов подблока A^2-6*_ps :

,

где q = t, … , t+k-1;l = t+k, … , n;f = 1, … , m;g =d+1, … , z и k=m;n-(t+k-1)=z-d.

- значения элементов подблока A^2-7*_ps :

,

где q = t+k, … , n; l = g = 1, … , d-1; r = d+1, … , z; и t = d; n-(t+k-1) = z-d.

- значения элементов подблока A^2-8*_ps :

,

где q=t+k, … , n; l=t, … , t+k-1; r=d+1, … , z; b=1, … , m и k=m; n-(t+k-1)=z-d.

- значения элементов подблока A^2-9*_ps :

,

где q = l = t+k, … , n; r = g = d+1, … , z и k = m; n-(t+k-1) = z-d.

3) для матрицы- строки, описывающей внешние выходные информационные связи сложного предметного действия:

- значения элементов подблока A^3-1*_ps :

, где l = g = 1, … , d-1 и t = d.

- значения элементов подблока A^3-2*_ps :

,

где l = t, … , t+k-1; b = 1, … , m и k = m.

- значения элементов подблока A^3-3*_ps :

, где l = t+k, … , n; g = d+1, … , z и n-(t+k-1) = z-d.

4) для матрицы-элемента A⁴_ps, описывающей конструкцию сложного предметного действия:

- значение элемента блока A^4*_ps :

, где q = n+1; r = z+1 и n = z+m-1.

Сформированное полное структурное описание показывает информационную связность между предметными действиями задачи, что позволяет в дальнейшем проводить реструктуризацию системы предметных действий, то есть формировать оптимальное структурное описание – сокращать количество тактов (столбцов) и конвейеров (строк) в описании предметной задачи, что дает возможность сокращать пространственно-временные затраты в вычислительной среде.

Литература:

1. Г.Д. Волкова. Методология автоматизации интеллектуального труда. – М.: Янус-К, 2013. – 104 с.

2. Волкова Г.Д. Методология автоматизации интеллектуального труда. Часть 2. // Межотраслевая информационная служба - М.: ФГУП «ВИМИ». 2009.-Вып.3 (148), стр.10-23.

3. Волкова Г.Д., Курышев С.М. Анализ и моделирование традиционных процессов решения предметных задач // Автоматизация и управление в машиностроении, 1999. №7. [Электронный ресурс]. URL: http://magazine.stankin.ru/art/index.html.

4. Волкова Г.Д., Ефромеев Н.М. Моделирование предметных задач на ранних этапах автоматизации // Тезисы докладов Международной научной конференции, посвященной памяти профессора А.М. Богомолова «Компьютерные науки и технологии». – Саратов: СГУ им. Н.Г. Чернышевского, 2012.