Автоматизированные информационные системы с мультипроцессорной технологией решения задач на водном транспорте

Актуальность проблемы. Основная цель автоматизации информационных процессов на водном транспорте состоит в обеспечении информацией и информационными технологиями всех производственных процессов и иерархической сети управления деятельностью подразделений, для достижения максимальной эффективности перевозочных процессов. При этом для всех заинтересованных пользователей, объединенных информационной сетью, необходимо создать единое информационное пространство. Иными словами, целесообразно объединить процессы и объекты на водном транспорте централизованной сетевой системой.

Как известно, современная концепция информатизации на водном транспорте направлена на централизацию вычислительных процессов и управления. Но при этом подходе повышаются требования к развитию средств связи между информационно-вычислительными центрами (ИВЦ) разных уровней и разных подразделений.

Задачи, решаемые на местах в ИВЦ линейных подразделений, имеют высокую степень детализации информации, которая требует оперативной обработки. Возможность обработки основного объема информации на месте, без передачи ее на АСУ высшего уровня, позволяет снизить требования к развитию средств связи между ИВЦ разных уровней управления. Для надежного функционирования АСУ при решении оперативных задач, как правило, число ЭВМ удваивается. Применение персональных компьютеров (ПК) в данной ситуации может осуществляться только за счет загрубления вычислений (исключения из рассмотрения большого количества возможных вариантов решения) и увеличения времени обработки. Поэтому требуется установка высокопроизводительных информационно-вычислительных систем

ИВС) (mainframe), архитектура которых поддерживает параллельные вычислительные процессы (под вычислительным процессом в работе понимаются любые операции по обработке информации). Воплощением таких архитектур являются мультипроцессорные информационно-вычислительные системы.

В мире интенсивно идет разработка мультипроцессорных ИВС для решения сложных задач управления в реальном времени, планирования, моделирования и др. Мультипроцессорные ИВС открывают широкие возможности в достижении более высоких показателей производительности и надежности, по сравнению с однопроцессорными ЭВМ, за счет параллелизма в архитектуре и программном обеспечении. Как правило, такие разработки уникальны, дороги, недоступны для широкого использования. Они быстро стареют как физически, так и морально.

Все существующие проекты содержат, ставшие традиционными, недостатки основными из которых являются:

— сложность динамического распределения работ между многими процессорами (что традиционно возлагается на операционную систему (ОС) и приводит к значительным, возрастающим с числом процессоров накладным расходам);

— сложность создания соответствующего программного обеспечения. Это объясняется тем, что традиционно, при создании ИВС сначала создаются аппаратные средства, а потом под них подгоняются задачи, которые необходимо решить. Практически никто не создает вычислительные системы исходя из задач.

Указанные недостатки приводят к тому, что при комплексировании ВС методами, ставшими, традиционными, не достигается пропорциональный рост производительности ИВС.

Насыщение, т. е. прекращение дальнейшего роста, наступает при числе процессоров, не превышающем двух десятков.

Для оптимального использования ресурсов создаваемой ИБС необходимо выработать общую стратегию (технологию) решения задач, а затем реализовать аппаратную поддержку этой технологии. При этом нельзя конкретизироваться на одной или нескольких задачах. Задача — это частный пример и при ее решении нельзя получить полную информацию о необходимой аппаратной и программной поддержке.

В последнее десятилетие появился ряд работ, в которых теоретически обосновываются требования к архитектуре мультипроцессорных ИВ С на основе анализа массовых типовых задач и эффективного способа их распараллеливания. При этом для транспортных задач целесообразно применять локальные информационные системы, объединенные в сети. Информационные сетевые системы (ИСС) максимально приспособлены к обработке больших массивов данных, с наибольшей эффективностью решают именно те задачи повышенной сложности, которые предъявляют высокие требования к производительности вычислительных средств ИСС. Такая ИСС должна «уметь» обрабатывать разные элементы массива по одной и той же программе, запущенной на разных процессорах. Такая технология обработки получила название ОПМД (одна программа — много данных) — технологии (монопрограммная ИСС).

Класс мультипроцессорных ИСС (МИСС), применяемый для комплексной автоматизации деятельности предприятий водного транспорта, должен удовлетворять общим критериям, которые можно сформировать следующим образом:

1. групповая разработка. При разработке ИСС выделенного класса необходимым является возможность поддержки групповой разработки, т. е. поддержки разработки ИСС группой или группами программистов;

2. легкость применения (дружественность к пользователю). ИСС должна обеспечивать удобный для пользователя интерфейс. Это позволит пользователю быстрее изучить возможности ИСС и пользоваться ими;

3. простота модификации. Предполагается, что в процессе разработки и эксплуатации в ИСС неизбежно будут вноситься изменения и доработки. Необходимо обеспечить гибкость при изменении некоторых уже имеющихся и добавлении новых функций ИСС при неизменных остальных функциональных частях ИСС. Это позволит удовлетворить постоянно меняющимся требованиям пользователей;

4. мобильность. Предполагается, что ИСС может быть перенесена из одно окружения в другое, в частности, на другую платформу или операционную систему (ОС) (назовем этот критерий переносимостью). Может возникнуть необходимость, чтобы отдельные части ИСС могли исполняться на разных компьютерах, работающих на платформах различной архитектуры, под управлением различных ОС (назовем критерий распределяемостью);

5. интероперабельность. Предполагается, что ИСС должна взаимодействовать с другим программным обеспечением, работающим, возможно, на платформах различной архитектуры, под управлением различных ОС.

Отметим, что выделенный этими критериями класс информационных сетевых систем достаточно широк.

Разработка подходов, позволяющих упростить построение ИСС выделенного класса, а также методов реализации этих подходов, является важной задачей современного программирования.

За последнее время программисты получили в свое распоряжение мощные средства для автоматизации создания ИС. Однако даже новейшие технологии объектно-ориентированного программирования (ООП), архитектура «клиент-сервер», среды быстрой разработки программ большое количество готовых компонентов, из которых можно «конструировать» программу, не позволяют достаточно эффективно удовлетворить перечисленным выше критериям, предъявляемым к большим ИС.

В связи с этим целью диссертационной работы является оценка реализуемости структурных принципов мультипроцессорной ИСС с ОПМД-технологией и обоснование многокомпонентного подхода для создания выделенного класса ИСС (в рамках объектно-ориентированного метода — ООМ), а также разработка принципов построения библиотеки классов для поддержки данного подхода.

Исходя из поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

— формулирования общих критериев, предъявляемых к МИСС и обоснования организации МИСС с ОПМД-технологией;

— применяемости компонентной технологии к разработке МИСС;

— выбора типа коммутатора для организации эффективной работы процессоров МИСС;

— разработка алгоритма функционирования и структуры схем коммутатора;

— разработка принципа построения библиотеки классов, поддерживающего эту методику при создании МИСС.

Методы исследования. Методологической основой и общетеоретической базой исследования являются принципы системного анализа информационных комплексов и мультипроцессорных образований, теории алгоритмов, теории баз данных и программирования вычислительных процессов, теории системотехники и построения вычислительных структур.

Научная новизна диссертационной работы состоит в построении и исследовании реализуемости мультипроцессорной ИСС на базе ОПМД-технологии (не вычислительный процесс реализуется на предлагаемой архитектуре, а архитектура поддерживает требования вычислительного процесса), как средства расширения возможностей персональных компьютеров. Разработан и обоснован комплекс структурных и алгоритмических принципов, реализующих данную концепцию на существующей базе средств вычислительной техники. При этом предлагается новый подход для разработки определенного класса ИСС, основанный на выделении в каждом объекте предметной области трех составляющих компонент: прикладная логика, визуальное представление, представление для хранения. За счет такого разрешения этот подход позволил ускорить разработку представленного класса ИСС и обеспечить удобный пользовательский интерфейс.

Практическая ценность. Предлагаемый подход может быть успешно применен при промышленной разработке мультипроцессорных ИСС, комплексов автоматизации деятельности предприятий и организаций водного транспорта. Выигрыш при применении трехкомпонентного подхода достигается за счет легкой настраиваемости интерфейса под требования пользователя, сокращения времени разработки, а также масштабируемости предложенного подхода.

Разработанный комплекс структурных средств доведен до конкретных схемотехнических решений. Рассматриваемая разработка обеспечивает аппаратную и идеологическую базу для последующего усовершенствования и развития МИСС, поддерживающей требования вычислительного процесса, а также проведения исследований в этой перспективной области.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Международных и Всероссийских научно-технических конференциях и семинарах: на Международной научно-технической конференции «ТРАНСКОМ-99» (Санкт-Петербург, октябрь 1999 г.), научно-методической конференции (СПбГУВК, Санкт-Петербург, 1999 г.), на общекафедральном семинаре «Диагностика и контроль транспортных систем» (СПбГУВК, Санкт-Петербург, 19 972 000 гг.).

Основные результаты

1. Предложен модифицированный многокомпонентный подход к построению мультипроцессорных информационных сетевых систем, позволяющий упростить разработку МИСС, а также соответствующая программная поддержка.

2. Разработано, в рамках объектно-ориентированного метода, методика построения информационных сетевых систем, основанная на трехкомпанентном принципе. Он использует выделение в каждом объекте предметной области трех составляющих компанент: прикладной логики, визуального представления и представления для хранения. За счет такого разделения данный подход позводляет увеличить производительность труда программистов при разработке МИСС и обеспечить удобный пользовательский интерфейс.

5 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведенных исследований в диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1) Сформулированы и раскрыты содержания общих критериев, которым должны удовлетворять автоматизированные мультипроцессорные информационные системы, применяемые при автоматизации деятельности предприятий водного транспорта (пароходств, судовладельческих фирм, портов, шлюзованных каналов и т. д.) и, которые важны для повышения эффективности их функционирования:

— групповая разработка;

— легкость применения;

— простота модификации;

— мобильность (модифицируемость, распределяемость);

— интероперабельность.

При этом обоснована организация МИСС типа ЗПУГО, как наиболее приспособленной к параллельной обработке данных, поддерживающая работу ПЭ как по одинаковым, так и по разным программам. Такая структура получила название ОПМД (Одна Программа — Множественный поток Данных).

2) Рассмотрены средства, используемые для разработки современных информационных сетевых систем с точки зрения обеспечения их качества. Установлено, что компонентная технология разработки МИСС, использующих БД для хранения информации, предлагает три базовых компоненты (три интерфейсных визуальных компоненты), с помощью которых рекомендуется строить свои приложения: Т-форму, Ф-форму и подчиненную форму. Эти три компоненты (визуальные): a) обеспечивают загрузку данных из БД и сохранение данных в БД без дополнительно программирования данных операцийb) обеспечивают редактирование данных в формахc) обеспечивают прозрачные механизмы разработки прикладной логики для работы с этими данными.

3) Показано, что одним из основных вопросов при разработке мультипроцессорных ИСС является процесс коммутации процессов. Проведен сравнительный анализ трех возможных топологий коммутаторов (многомашинная, многоуровневая, матричная) по четырем основным параметрам: производительность, быстродействие, надежность и стоимость.

4) Доказано, что матричный коммутатор является оптимальным с точки зрения надежности, быстродействия и объема одновременно передаваемой информации. Это подтверждено аналитическим и имитационным моделированием систем на GPSS. Причем единственный недостаток — высокая стоимость, устраняется при использовании более мощных процессорных элементов и их объединением в небольшие системы, что при таком подходе позволяет успешно использовать на практике матричный коммутатор.

5) Обоснованы алгоритмы работы и разработаны функциональные схемы коммутатора и его узлов: арбитра, работающего по принципу ситуационного управленияблока автоматического определения номеров ПЭблока дешифрации номеров моделей ОПячейки коммутатора.

Предложены в рамках построения МИСС способы аппаратной поддержки кэш-памятиструктура памятифункциональная схема модуля ОП и ПЗА.

6) Предложена методика, названная трехкомпонентной, разработки мультипроцессорных информационных сетевых систем, в рамках объектно-ориентированного метода. Трехкомпонентный принцип проектирования основан на выделении в каждом объекте предметной области трех составляющих компонент: прикладной логики, визуального представления и представления для хранения. За счет такого разделения данный подход позволяет увеличивать производительность труда программистов при разработке МИСС и обеспечить удобный пользовательский интерфейс.

Предложен принцип построения библиотеки классов, поддерживающий данный подход, суть которого состоит в использовании иерархического представления внутренних объектов, что позволяет создавать и хранить в библиотеке базовый набор объектовпригодных для их непосредственного использования при разработке мультипроцессорных ИСС.