Пакеты прикладных программ моделирования систем

Метод машинного моделирования все глубже входит в практику решения конкретных задач исследования и проектирования систем, находит свое применение для широкого круга проблем в различных сферах (автоматизированные системы управления, системы автоматизации научных исследований и экспериментов, информационно — вычислительные системы и сети коллективного пользования, системы автоматизированного проектирования и т. д.). В решение этих задач вовлекается все большее количество специалистов разных квалификаций, часто далеких от использования средств вычислительной техники. Поэтому для таких пользователей должны быть разработаны специальные средства подготовки и общения с ЭВМ, позволяющие автоматизировать этот трудоемкий процесс [17, 37].

Таким образом, возникает вопрос о создании автоматизированной системы моделирования (АСМ), которая должна повысить эффективность выполнения пользователем следующей совокупности процедур: преобразование к типовым математическим схемам элементов моделируемой системы 5 и построение схем сопряжения; обработка и анализ результатов моделирования системы 5; реализация интерактивного режима с пользователем в процессе моделирования системы 5.

Понятие пакета прикладных программ.

Создание проблемно-ориентированных комплексов, в том числе и АСМ, называемых пакетами прикладных программ, является важным направлением работ в современной вычислительной математике. При создании пакетов прикладных программ моделирования (ППМ) помимо разработки и отбора моделирующих алгоритмов и программ существенное место занимают работы по соответствующему системному обеспечению. Быстрота и удобство решения задач моделирования конкретных классов систем 5 при использовании ППМ достигаются сочетанием в единой архитектуре функционального наполнения, состоящего из модулей и покрывающего предметную область моделирования, и специализированных средств системного обеспечения, позволяющих сравнительно легко реализовать различные задания и обеспечивающих пользователя разнообразным сервисом при подготовке задач моделирования и проведении машинных экспериментов с моделью Л/_м.

Характерно, что в ходе разработки и машинного эксперимента модель объекта претерпевает многочисленные изменения, которые неизбежно влекут за собой изменения соответствующих рабочих программ. В настоящее время ППМ является практически единственной приемлемой формой организации программ моделирования, позволяющей «удержаться на плаву» в безбрежном море версий и вариантов исходной концептуальной модели. Кроме того, пакетная организация программ машинного эксперимента с моделью М_м дает возможность систематизировать выполнение исследований, используя теорию планирования экспериментов и способствуя тем самым повышению достоверности получаемых результатов моделирования конкретной системы Одной из важных проблем в области использования вычислительной техники для моделирования систем является проблема общения человека с ЭВМ при разработке модели и ее эксплуатации. Для повышения эффективности такого общения требуются соответствующие алгоритмы и программные средства. Здесь можно выделить три направления работ: 1) создание программных средств, обеспечивающих пользователя различными инструментами для автоматизации разработки программ; 2) создание программных средств, упрощающих процесс эксплуатации сетей ЭВМ инженерно-диспетчерским персоналом, а также обеспечивающих эффективное использование всех вычислительных ресурсов; 3) создание программных средств, предоставляющих пользователям разнообразные услуги при решении прикладных задач. Эти три направления сводятся соответственно к повышению уровня инструментальной, исполнительной и тематической квалификации вычислительной машины.

Таким образом, пакеты прикладных программ являются одной из основных форм специализированного программного обеспечения. ППМ — это комплекс взаимосвязанных программ моделирования и средств системного обеспечения (программных и языковых), предназначенных для автоматизации решения задач моделирования. Весь круг работ, связанных с разработкой алгоритмов и программ моделирования, а также с подготовкой и проведением машинных экспериментов, называется автоматизацией моделирования и реализуется в виде конкретных АСМ.

В структуре ППМ можно выделить три основных компонента: функциональное наполнение, язык заданий и системное наполнение.

Функциональное наполнение пакета. Функциональное наполнение ППМ отражает специфику предметной области применительно к конкретному объекту моделирования, т. е. системе Я, и представляет собой совокупность модулей. Под модулем здесь понимается конструктивный элемент, используемый на различных стадиях функционирования пакета. Язык (языки), на котором записываются модули функционального наполнения, будем называть базовым языком ППМ. Состав функционального наполнения пакета, его мощность или полнота охвата им предметной области отражают объем прикладных знаний, заложенных в ППМ, т. е. потенциальный уровень тематической квалификации пакета.

Одной из ключевых проблем разработки ППМ является модуляризация, т. е. разбиение функционального наполнения пакета на модули. Тщательно выполненный анализ объекта моделирования и, проведенная на его основе модуляризация позволяют сократить объем работ по реализации ППМ, повышают его надежность и облегчают дальнейшую эволюцию пакета.

Число разнообразных форм модулей, используемых в пакетах, весьма велико. Прежде всего следует выделить программные модули, модули данных и модули документации. Для программных модулей известны, например, такие формы, как подпрограмма; конструкция алгоритмического языка, допускающая автономную трансляцию; макроопределение; файл, содержащий такой текст фрагмента программы, который рассматривется как самостоятельный объект для изучения или редактирования; набор указаний, задающих способ построения конкретной версии программы; реализация абстрактного типа данных и др.

Уточним, что понимается под конструктивностью модуля. Прежде всего имеется в виду алгоритмическая конструктивность, так как модуль представляет собой элемент полученного в результате модульного анализа предметной области алгоритмического базиса, служащего основой для построения программ моделирования. Кроме того, на алгоритмическую конструктивность модулей влияют структуры типичных вычислительных алгоритмов, связи между элементами алгоритмического базиса, используемые в этих структурах, информационные потоки.

Помимо алгоритмической следует выделить и технологическую конструктивность модулей, определяемую дисциплиной работы в конкретной машинной модели М_м и системной средой, на базе которой разрабатывается и эксплуатируется ППМ. На технологическую конструктивность воздействуют такие факторы:

• — формы представления программных модулей М_и
• — виды управляющих связей между отдельными частями программных комплексов (открытые и закрытые подпрограммы);
• — методы разработки (сверху-вниз, снизу-вверх и др.) программных комплексов, применяемые при работе с моделирующим алгоритмом системы 5;
• — базовый язык или языки программирования, используемые при подготовке программ моделирования;
• — ограничения на размеры программ моделирования;
• — возможности штатных системных средств, обеспечивающих редактирование связей, загрузку и сегментацию программных комплексов, редактирование текстов.

Требования, вытекающие из алгоритмической и технологической конструктивности, составляют в совокупности регламент модуляризации, т. е. принятую разработчиками пакета форму представления материала в функциональном наполнении, а также способы его создания и эволюции. Если описание языка заданий рассматривать как спецификацию сопряжения пользователя с пакетом, то посредством регламента модуляризации определяется сопряжение с пакетом (точнее, с функциональным наполнением пакета) его разработчиков.