Системный анализ и синтез моделей данных и методы обработки информации в самоорганизующихся комплексах оперативной диагностики

Одной из основных проблем, решаемых при создании автоматизированных систем обработки информации (АСОИ), в целом, и программно-аппаратных комплексов (ПАК) оперативной диагностики (ОД) в частности, является обеспечение, в условиях их непрерывного функционирования, адаптации программно-аппаратных средств для эффективного решения сложных задач. Анализ актуальных научных проблем создания АСОИ (ПАК ОД) показал, что необходимо, прежде всего, решить следующие две взаимосвязанные актуальные научные проблемы.

Первая проблема — это создание интерактивных самоорганизующихся баз данных (БД) и знаний, на основе которых возможно создание программного обеспечения АСОИ. Отметим, что, так как фактически в «базах знаний» хранятся только правила, процедуры и другие отношения объектов, то вместо термина «базы знаний», в этом же смысле, целесообразно применять термин «базы правил», т. е. эти термины являются синонимами, но второй термин все же является более адекватным. Подчеркнем, что особую актуальность решению первой проблемы придает то, что в последнее время теория баз данных оказывает определяющее воздействие на многие смежные области. Например, базы данных и правил используются при создании перспективных ЭВМ, что определяет место и роль другой научной проблемы.

Вторая проблема — это создание теоретических основ адаптивного синтеза информационно-вычислительных конфигураций (ИВК) АСОИ на базе известных методов синтеза ЭВМ. Основное направление решения данной проблемы, это создание системы адаптивного синтеза (САС) самоорганизующихся конфигураций АСОИ на основе применения известных методов синтеза ЭВМ. Две эти проблемы решают на разных уровнях: на уровне программного обеспечения (первая) и на уровне аппаратных средств (вторая), фактически одну и ту же проблему — создание самоорганизующихся (эволюционных) АСОИ (ПАК ОД). Анализ задач, которые необходимо решить как для создания самоорганизующихся баз данных и правил (СБДП), так и для построения САС ИВК, показал их взаимозависимость, поэтому обе эти проблемы в совокупности образуют одну крупную научную проблему. Следовательно, разработка теоретических и реализационных основ создания СБДП и САС ИВК для построения программно-аппаратных комплексов оперативной диагностики, предназначенных для решения сложных задач, является актуальной крупной научной проблемой.

Решение этой новой проблемы вносит значительный вклад в развитие экономики страны, способствует повышению обороноспособности России и имеет важное хозяйственное значение и практическую ценность для целого ряда областей (медицины, экономики, юриспруденции, анализа чрезвычайных ситуаций, метеорологии и других). Отдельные наиболее сложные задачи этих областей могут быть отнесены к классу ресурсоемких научно-практических задач оперативной диагностики. Как правило, это уникальные диагностические задачи (УДЗ), решение которых носит эмпирический характер и требует научно-обоснованного оперативного синтеза специализированных ИВК. Известные технологии баз данных и знаний, а также систем автоматизированного проектирования (САПР) не применимы в этом случае, так как основное противоречие состоит в том, что в условиях дефицита времени требуется оперативно синтезировать уникальный эволюционный самоорганизующийся программно-аппаратный комплекс оперативной диагностики (СПАКОД) с использованием всех доступных ресурсов, включая Интернет, для обеспечения экспресс-диагностики сложных, уникальных задач. Как правило, это NP-полные задачи, которые в зависимости от конкретной ситуации, могут быть сведены к набору полиномиальных задач, решаемых за обозримое допустимое время с учетом конкретных ограничений. На программном уровне эволюционность такого комплекса обеспечивается СБДП, а на аппаратном уровне — САС ИВК.

Адаптивность синтеза ИВК обусловлена уникальностью каждой диагностической задачи, необходимостью учета ранее разработанных вариантов конфигураций, быстротой создания, развития и старения программных и аппаратных средств. Для синтеза требуемых конфигураций фактически необходимо разработать некоторую новую САПР на основе распределенных СБДП. Исходные данные могут быть в различных форматах представления данных и знаний, но их необходимо хранить в едином структурированном пространстве унифицированного представления данных и правил с целью научно-обоснованного всеобъемлющего синтеза уникальных конфигураций ЭВМ и последующего оперативного решения задачи. Подчеркнем, что САС ИВК сама по себе может являться ядром формируемого уникального программно-аппаратного комплекса оперативной диагностики.

Таким образом, актуальность крупной научной проблемы разработки самоорганизующихся баз данных и правил для создания систем адаптивного синтеза информационно-вычислительных конфигураций обусловлена тем, что необходимо в минимальное время достижение максимального быстродействия для решения уникальной диагностической задачи в ситуации, когда нахождение правильного решения имеет жизненно-важное значение, цена которого априори во много раз превышает стоимость затрат на синтез любой АСОИ. Следовательно, известные методы синтеза ЭВМ, основанные на коммерческой эффективности, в таких ситуациях не применимы.

Научная проблема, решаемая в диссертации, формулируется следующим образом: разработка теоретических основ построения самоорганизующихся программно-аппаратных комплексов оперативной диагностики за счет использования известных технологий автоматизированного проектирования и создания интерактивных самоорганизующихся баз данных и правил, изыскания принципов построения и применения систем адаптивного синтеза информационно-вычислительных конфигураций, разработки быстродействующих методов обработки информации, что позволит уменьшить время решения уникальных диагностических задач, снизить материально-финансовые затраты и повысить эффективность разработки и эксплуатации компьютерных систем.

Целью работы является решение крупной научной проблемы разработки теоретических основ построения самоорганизующихся программно-аппаратных комплексов оперативной диагностики для повышения, по заданным критериям, эффективности решения сложных оперативных диагностических задач в условиях дефицита времени, неопределенности и непрерывности функционирования, что имеет важное значение для развития экономики страны и повышения ее обороноспособности.

В соответствии с поставленной целью определены задачи диссертации:

1) изыскать принципы построения и применения систем адаптивного синтеза информационно-вычислительных конфигураций;

2) в теории баз данных провести системный анализ, сравнение и обобщение основных структур представления данных традиционных моделей данных;

3) разработать теоретические основы создания интерактивных самоорганизующихся баз данных и правил;

4) создать метод обработки данных на основе применения интерактивной самоорганизующейся логической сети правил, управляемой потоком данных;

5) разработать быстродействующий метод «графового» поиска маршрута логического вывода путем построения многополюсной сети теории графов и определения ее минимального разреза;

6) разработать метод распараллеливания потокового множественного доступа к общей БД в условиях недопущения взаимного искажения данных;

7) разработать метод алгоритмической минимизации необходимого количества устройств и вычислительных процедур сложения для единично-инкрементного суммирования чисел.

Диссертация состоит из семи разделов, первые три из которых содержат обзорный материал, а последние четыре, посвящены теоретическим и реализационным основам создания самоорганизующихся баз данных и правил для адаптивного синтеза комплексов оперативной диагностики.

В первом разделе диссертации рассмотрена проблема создания самоорганизующихся баз данных и правил для синтеза комплексов оперативной диагностики, сформулирована проблема адаптивного синтеза информационно-вычислительных конфигураций, а также определены цель, научная проблема и основные задачи исследования.

Во втором разделе исследованы принципы построения однородных вычислительных систем, проведен анализ основных путей создания самоорганизующихся эволюционных неоднородных компьютерных систем и предложены принципы построения и применения САС ИВК.

В третьем разделе проведено формализованное описание основных структур представления данных традиционных моделей данных, их анализ, сравнение и обобщение в виде нового формализма пятиуровневой одномерной таблицы представления данных.

Четвертый раздел диссертации посвящен разработке теоретических основ построения самоорганизующегося информационного (миварного) пространства. В этом разделе проанализированы основные возможности самоорганизующегося представления данных, показан переход от одномерных многоуровневых таблиц представления данных к многомерному самоорганизующемуся пространству представления данных, проведено сравнение трехуровневых таблиц и трехмерного миварного пространства представления данных, подробно описаны структуры представления данных о точках миварного пространства и об их отношениях, приведен подробный пример описания данных в миварном информационном пространстве.

В пятом разделе предложены методы обработки данных на основе адаптивной логической сети правиладаптивный механизм логического вывода на сети гиперправил с мультиактивизаторамиквадратичной сложности методы поиска маршрута логического вывода на основе определения минимального разреза многополюсных сетей и линейной сложности матричный метод поиска маршрута логического вывода.

В шестом разделе рассмотрен метод корректного распараллеливания доступа к общей базе данных в условиях недопущения взаимного искажения одновременно обрабатываемых данных, приведена конвейерная реализация алгоритма функционирования сервера базы данных с потоковым распараллеливанием, исследованы параметры предлагаемых виртуальных потоковых баз данных, а также проведена оценка быстродействия обработки потока данных различными методами, которая доказала максимальность распараллеливания доступа предлагаемого метода.

В седьмом разделе диссертации рассмотрен новый метод повышения быстродействия обработки данных на основе запатентованного линейного способа единично-инкрементного суммирования чисел, который при решении некоторых классов задач позволяет достичь существенного повышения оперативности обработки данных. Кроме того, предложены «табличная» модификация единично-инкрементного суммирования чисел и модификация метода суммирования чисел с уменьшением необходимого объема оперативной памяти ЭВМ. Там же проанализированы возможности и перспективы использования локальных корректировок вычислений и обработки данныхподведены итоги исследований и показаны перспективы применения самоорганизующихся баз данных и правил для адаптивного синтеза комплексов оперативной диагностики.

Таким образом, в диссертации сформулирована новая крупная научная проблема, которая является актуальной и имеет важное хозяйственное значение. Внедрение, полученных в диссертации научных результатов, позволит повысить эффективность решения сложных оперативных диагностических задач в условиях дефицита времени, неопределенности и непрерывности функционирования, что имеет важное значение для развития экономики страны и повышения ее обороноспособности.

выводы.

1) В данном разделе диссертации рассмотрен новый метод единично-инкрементного суммирования чисел, предложены две его модификации, проанализированы возможности и перспективы использования локальных корректировок вычислений и обработки данныхподведены итоги исследований и показаны перспективы применения самоорганизующихся баз данных и правил для адаптивного синтеза комплексов оперативной диагностики.

2) Представленные научные результаты могут использоваться как по отдельности, так и вместе, позволяя в совокупности решить проблему создания самоорганизующихся баз данных и правил.

3) Решение предыдущей проблемы позволило также решить научную проблему построения систем адаптивного синтеза информационно-вычислительных конфигураций, которые способны изменять не только свои программные средства и их конфигурации, но, в перспективе, и наращивать, модернизировать и аппаратные средства информационно-вычислительных комплексов.

4) Системный анализ и синтез моделей данных и методов обработки информации позволили решить актуальную крупную научную проблему создания теоретических и реализационных основ адаптивного синтеза самоорганизующихся программно-аппаратных комплексов оперативной диагностики.

5) Цель диссертационной работы, имеющей теоретическое значение, достигнута, решена крупная научная проблема, имеющая важное хозяйственное значение, и приведены рекомендации по использованию научных выводов, которые способствуют развитию экономики и повышению обороноспособности России.

заключение

.

К концу 20 века были разработаны: либо одномерные многоуровневые, либо многомерные, либо динамические базы данных и знаний. Возрастание потребностей науки и практики сделало актуальным решение новых сложных задач оперативной диагностики в условиях многомерного, динамического и непрерывного функционирования комплексов оперативной диагностики. Известные технологии баз данных и САПР не применимы для синтеза таких комплексов. Противоречие в том, что в условиях дефицита времени требуется оперативно синтезировать («под задачу») уникальный программно-аппаратный комплекс с использованием всех доступных ресурсов, включая Интернет, для обеспечения экспресс-диагностики сложной (уникальной) задачи. После решения одной задачи комплекс переформировывается, самоорганизуется для решения другой уникальной задачи.

Совокупность взаимосвязанных проблем разработки самоорганизующихся баз данных и правил, систем адаптивного синтеза информационно-вычислительных конфигураций и быстродействующих методов обработки информации образует общую единую крупную научную проблему создания теоретических основ построения самоорганизующихся программно-аппаратных комплексов оперативной диагностики — СПАКОД, от успеха решения которой зависит оперативность диагностики и распознавания в таких важных областях, как: медицина, обработка законодательных актов, метеорологическое прогнозирование, ликвидация чрезвычайных ситуаций, прогнозирование финансово-экономического состояния и других.

Адаптивность синтеза информационно-вычислительных конфигураций обусловлена уникальностью каждой диагностической задачи, необходимостью учета ранее разработанных вариантов конфигураций и методов решения сложных задач, быстротой создания, развития и старения программных и аппаратных средств. Для синтеза требуемых конфигураций фактически необходимо разработать некоторую новую САПР на основе распределенных самоорганизующихся баз данных и правил. Исходные данные для синтеза информационно-вычислительных конфигураций и последующего решения задач, могут существовать в различных форматах представления данных и знаний, но их необходимо хранить в едином структурированном пространстве унифицированного представления данных и правил (знаний) с целью научно-обоснованного всеобъемлющего синтеза уникальных информационно-вычислительных конфигураций и последующего оперативного решения сложных (уникальных) диагностических задач.

Для решения новой актуальной крупной научной проблемы разработки теоретических основ построения самоорганизующихся программно-аппаратных комплексов оперативной диагностики в диссертации предложено ввести самоорганизующуюся информационную систему, которая на основе накопления и обработки информации в условиях непрерывности функционирования и дефицита времени способна к самоконфигурации (самоорганизации), развитию и оптимизации по заданным критериям.

Для обеспечения эволюционного развития самоорганизующихся программно-аппаратных комплексов оперативной диагностики в диссертации предложено на программном уровне ввести самоорганизующиеся базы данных и правил, а на аппаратном уровне — системы адаптивного синтеза информационно-вычислительных конфигураций.

Для создания систем адаптивного синтеза информационно-вычислительных конфигураций в диссертации предложены теоретические принципы их построения и применения.

Для создания самоорганизующихся баз данных и правил в диссертации проведено: формализованное описание, анализ, сравнение и обобщение основных структур представления данных традиционных моделей данных путем применения пятиуровневых одномерных таблиц представления данных, а также предложены теоретические основы построения динамического многомерного объектно-системного дискретного информационного пространства унифицированного представления данных и правил (знаний).

Для повышения динамичности (эволюционности) и быстродействия логической обработки информации в диссертации создан метод обработки данных на основе применения интерактивной самоорганизующейся адаптивной многоярусной многотиповой динамической логической сети правил, управляемой потоком данных.

Для повышения оперативности обработки информации в самоорганизующихся программно-аппаратных комплексах оперативной диагностики в диссертации предложены принципы «графового» поиска маршрута логического вывода и разработаны: метод поиска маршрута вывода на логической сети правил (путем определения минимального разреза многополюсной сети теории графов) и адаптивный механизм логического вывода на эволюционной самоорганизующейся интерактивной сети гиперправил с мультиактивизаторами, управляемой потоком данных.

Для повышения быстродействия логической обработки информации в самоорганизующихся программно-аппаратных комплексах оперативной диагностики в диссертации разработан линейной сложности матричный метод поиска маршрута логического вывода на сети правил.

Для повышения быстродействия обработки информации в самоорганизующихся программно-аппаратных комплексах оперативной диагностики в диссертации разработаны квадратичной сложности методы поиска минимального разреза (максимального потока) двухполюсных и многополюсных сетей теории графов.

Для увеличения степени параллельности и повышения оперативности обработки информации в самоорганизующихся программно-аппаратных комплексах оперативной диагностики в диссертации разработан метод распараллеливания потокового множественного доступа к общей базе данных в условиях недопущения взаимного искажения данных.

Для повышения быстродействия единично-инкрементного суммирования чисел в различных программно-аппаратных комплексах в диссертации разработан линейный метод единично-инкрементного суммирования чисел путем алгоритмической минимизации количества процедур и устройств сложения.

Научная новизна диссертации заключается в том, что в ней впервые:

1) предложены принципы построения и применения систем адаптивного синтеза информационно-вычислительных конфигураций;

2) на основе применения пятиуровневых одномерных таблиц представления данных осуществлено описание, системный анализ, сравнение и обобщение основных структур представления данных графо-табличных моделей данных;

3) разработаны теоретические основы создания интерактивных самоорганизующихся баз данных и правил путем построения многомерного информационного динамического («миварного») пространства унифицированного представления данных и правил;

4) предложен метод обработки данных на основе применения интерактивной самоорганизующейся логической сети правил, управляемой потоком данных;

5) разработаны быстродействующий метод «графового» поиска маршрута логического вывода, матричный метод поиска маршрута логического вывода и квадратичные методы поиска минимального разреза многополюсных сетей;

6) разработан метод распараллеливания потокового множественного доступа к общей БД в условиях недопущения взаимного искажения данных;

7) разработан метод алгоритмической минимизации количества процедур и устройств сложения для единично-инкрементного суммирования чисел.

Практическое использование научных результатов позволило:

1) разработать теоретические основы построения самоорганизующихся программно-аппаратных комплексов оперативной диагностики;

2) повысить эволюционные и интеллектуальные способности компьютерных систем путем интерактивного формирования запросов и ресурсов для развития в изменяющейся внешней среде;

3) повысить оперативность и эффективность решения сложных задач;

4) уменьшить время решения задач за счет повышения производительности адаптивных ЭВМ относительно традиционных, в среднем за период эксплуатации, на половину разности производительности следующих и современных поколений ЭВМ (не менее чем в 50 раз);

5) повысить эффективность разработки, эксплуатации и модернизации компьютерных систем (АСОИ) за счет оптимизации синтеза конфигураций по критерию отношения реальной производительности к стоимости;

6) повысить реальную производительность адаптивных самоорганизующихся ЭВМ относительно пиковой мощности обычных ЭВМ с 10−30% до 50−70%;

7) снизить материально-финансовые затраты разработки и эксплуатации компьютерных систем (АСОИ).

В диссертации изложены основные результаты по системному анализу моделей данных, синтезу самоорганизующихся баз данных и правил, разработке быстродействующих методов обработки информации и изысканию принципов построения и применения систем адаптивного синтеза информационно-вычислительных конфигураций для создания самоорганизующихся комплексов оперативной диагностики. Основные научные результаты диссертации опубликованы /25,164,318 -349/. Предложенные в диссертации новые решения строго аргументированы и критически оценены по сравнению с другими известными результатами. В диссертации приведены рекомендации по использованию полученных научных выводов. Кроме того, полученные научные результаты практически используются, что подтверждается соответствующими актами о реализации.

Таким образом, в диссертации решена новая крупная научная проблема, которая является актуальной и имеет важное хозяйственное значение. Реализация, внедрение и использование полученных в диссертации результатов вносит значительный вклад в развитие экономики страны и повышение ее обороноспособности.