Поэтому задачи разработки новых подходов, формализованных моделей и методов, алгоритмов и программных средств проектирования систем обработки данных являются актуальными.
Цель исследований. Целью диссертационной работы является разработка и исследование блочно-симметричных моделей, методов и алгоритмов проектирования эффективных систем обработки данных, обеспечивающих создание систем на этапе технического и рабочего проектирования.
Методы исследования. В процессе постановки и решения задач исследования использованы методы системного анализа, теории графов, теории матриц, дискретного программирования.
Научная новизна результатов исследования заключается:
- разработан комплекс взаимосвязанных моделей и методов проектирования систем обработки данных, сформулированных, в отличие от известных, как задачи нового класса - блочно-симметричные задачи;
- сформулирована общая блочно-симметричная дискретная задача проектирования систем обработки данных;
- впервые поставлена и решена задача декомпозиции функциональных задач и информационных ресурсов, которая решается на этапе технического проектирования систем обработки данных.
- построена модель синтеза модульных блок-схем обработки данных, реализуемая на этапе рабочего проектирования систем;
- впервые сформулирована и решена многокритериальная блочно-симметричная задача проектирования модульных блок-схем обработки данных.
- разработан эффективный алгоритм итеративных отображений решения блочно-симметричных задач.
Достоверность полученных результатов. Научные положения, выводы и рекомендации обоснованы строгими математическими методами, результатами вычислительных экспериментов и внедрены на предприятиях и в организациях.
Практическая ценность. Разработанные в диссертации комплекс моделей и методов, алгоритмов и программных средств использованы при проектировании систем обработки данных на Усть-Каменогорском свинцово-цинковом комбинате, в комитете по информатизации и связи, а также внедрены в учебный процесс.
Положения, выносимые на защиту.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Новый подход и общая постановка блочно-симметричной дискретной задачи проектирования систем обработки данных.
2. Постановка задачи декомпозиции систем обработки данных на кластеры функциональных задач и информационных ресурсов.
3. Постановка задачи синтеза модульных блок-схем обработки данных, а также постановки частных задач проектирования модульных блок-схем.
4. Постановка многокритериальной блочно-симметричной задачи разработки модульной блок-схемы обработки данных.
5. Новые эффективные алгоритмы решения дискретных блочно-симметричных задач проектирования систем обработки данных.
Внедрение результатов диссертационного исследования. Исследования, выполненные в работе, проводились в соответствии с планом госбюджетных работ кафедры «Вычислительная техника» КазНТУ им. К.И.Сатпаева, г. Алматы, – грантом программы фундаментальных исследований МОН РК: по теме 0100РК00633 - «Разработка и исследование блочно-симметричных моделей и методов проектирования модульных систем обработки» и по теме 0101РК00696 - «Разработка технического задания информационной системы «Введение государственного регистра информационно- телекоммуникационных систем» в части определения функциональных требований, состава сведений и их классификаций необходимые для ведения регистра».
Результаты работы внедрены в процессе проектирвания систем обработки данных в подразделениях Усть-Каменогорского свинцово-цинкового комбината и в Комитете связи и информатизации, а так же использованы при разработке лабораторных работ и лекционных занятий в КазНТУ имени К.И.Сатпаева.
Акты внедрения приведены в приложении.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на международных конференциях и конференциях Республики Казахстан: научная конференция магистрантов и аспирантов «Наука и творчество молодых: опыт, проблемы, перспективы» (Усть-Каменогорск, 2001г), международная конференция «Вычислительные и информационные технологии в науке, технике и образовании» (Алматы, 2003, часть II, IV), международная научно-практическая конференция «Состояние, проблемы и задачи информатизации в Казахстане» (Алматы, 2004), республиканская научно-практическая конференция «Молодежь и информационные технологии» (Актау, 2009), международная научно-методическая конференция «Актуальные проблемы естественно-научных дисциплин» (Алматы, 2010), а также научных семинарах кафедр «Техническая кибернетика» и «Вычислительная техника».
Публикации. Научные результаты исследований опубликованы в 12 печатных работах, в том числе в изданиях, рекомендованных для публикации положений диссертации – 4 работы. В научных журналах опубликовано 4 работы, в материалах научных конференций – 8 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников 147 наименований, 13 рисунков, 2 таблиц и двух приложений.
1. МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МОДУЛЬНЫХ СИСТЕМ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
В данном разделе проведен анализ формализованных моделей и методов проектирования модульных систем обработки данных (МСОД). Рассмотрены задачи предпроектного анализа предметной области, формирования исходных данных для проектирования систем обработки данных. Как правило, поставленные задачи сведены к задачам дискретного программирования, которые сложны и не часто позволяют решать задачи большой размерности. В разделе приведен краткий обзор методов решение задач дискретного программирования (ДП) [146].
На основе проведенного анализа моделей и методов проектирования СОД сформулированы задачи исследования.
1.1 Обзор моделей анализа и синтеза модульных систем обработки данных
Системы обработки данных (СОД) различного класса и назначения представляет собой совокупность прикладного программного обеспечения, базы данных, общесистемного программного обеспечения, реализуемые на основе вычислительной системы, с целью решения некоторого прикладного приложения по обработке данных или управлению. Основными задачами проектирования системы обработки данных является синтез прикладного программного обеспечения и базы данных, при этом последние, до настоящего времени, разрабатываются часто используя опыт и знания конкретных разработчиков.
В настоящее время разработаны формализованные методы проектирования прикладных программ и базы данных, системы автоматизации их проектирования, системы автоматизации процессов разработки программ.
Исследования показали, что при разработке формализованные моделей и методов проектирования систем обработки данных, задачи, как правило, формулируются в виде задач дискретного программирования трудоемкость и сложность решения которых общеизвестна.
В связи с этим возникает необходимость разработки принципиально новых подходов, постановок и методов решения, обеспечивающие эффективное решение задач проектирования информационного и прикладного программного обеспечения.
Вместе с тем при разработке сложных информационных систем эти инструментарии не всегда обеспечивают качество и сокращение длительности разработки проектов.
Поэтому возникает необходимость разработки формализованных моделей и методов проектирования прикладного программного обеспечения и базы данных систем обработки данных. Одним из направлений такого подхода является разработка моделей и методов анализа и синтеза модульных и типовых модульных систем обработки данных.
В рамках этого направления рассмотрим известные подходы анализа и проектирование систем обработки данных.
Для разработки формализованных методов необходимо провести анализ предметной области, для которой разрабатываются системы обработки данных.
В результате анализа систем обработки данных выделяются множество функциональных задач и процедур обработки данных, множество информационных элементов, необходимых и достаточных для решения множества задач системы, а так же взаимосвязи между информационными элементами и процедурами обработки данных в процессе решения задач по обработке данных. В ряде случаев в процессе анализа оцениваются и выделяются такие количественные характеристики, как размеры информационных элементов и процедур, частоты функционирования программных модулей и функциональных задач, средние времена обращения к массивам базы данных и другие [14, 16, 18, 21, 24].
Уточним некоторые понятия.
Под функциональной задачей понимается последовательность процедур обработки данных и используемых ими входной информации (информации элементов) для решения приложения, необходимого для управления или принятие решения.
Под процедурой обработки данных понимается любая математическая или логическая операция, либо сложная комбинация указанных операций, приводящая к формированию результата на основе заданных исходных данных.
Информационным элементом (атрибут) называется наименование минимальной неделимой информации, значения которой используется в качестве исходных данных процедурами обработки либо являются результатом их обработки.
Рассмотрим методы анализа систем обработки данных реального времени (СОД РВ), которые могут быть использованы при анализе систем других классов.