Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова

УДК 681.322

ПРОБЛЕМНА ОРІЄНТАЦІЯ АРХІТЕКТУРИ КОМПЮТЕРНИХ СИСТЕМ обрОбки данИх І знанЬ

05.13.13 - обчислювальні машини, системи та мережі

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Кургаєв Олександр Пилипович

Київ - 2006

АнотаціЇ

Кургаєв О.П. Проблемна орієнтація архітектури компютерних систем обробки данихі знань. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.13.13 - обчислювальні машини, системи та мережі. - Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України, Київ, 2006.

У дисертації поставлено й вирішено фундаментальну проблему розвитку компютерних засобів і систем. Її суть визначається суперечністю між універсальними можливостями сучасних КС і цільовою вимогою отримати від КС максимальну допомогу в розвязанні кожної з не-скінченної множини проблем суспільства, тобто вимогою максимальної ефективності процесів створення, розвитку і використання всякої прикладної системи. Вирішення проблеми полягає в розробці та реалізації архітектури КС, що адекватно відображає структуру наукової теорії. Для цього вперше запропоновано за зразок архітектури КС взяти структуру СОЗ, а за її взірець - ідеал структури наукової теорії, оскільки саме вона явно і найбільш концентровано відображає форму мислення людей при розвязанні проблем.

На основі аналізу недоліків архітектури сучасних КС, СОЗ і результатів синтезу ідеалу структури наукової теорії запропоновано і досліджено найбільш суттєві ознаки ідеальної архітектури КС: структура моделюючої КС як КС з розподіленими функціями; апаратна реа-лізація метамови з універсальними виразними можливостями; метамовна реалізація транслятора метапрограм, прикладних систем та операційної системи з моделями усіх функцій наукових теорій, у тому числі накопичення знань.

Ключові слова: компютерна система, система обробки знань, процесор бази знань, архітектура, структура, проблемна орієнтація, наукова теорія, метамова.

Кургаев А.Ф. Проблемная ориентация архитектуры компьютерных систем обработки данных и знаний. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.13.13 - вычислительные машины, системы и сети. - Институт кибернетики им. В.М. Глушкова НАН Украины, Киев, 2006.

В диссертации поставлена и решена фундаментальная проблема развития компьютерных средств и систем. Ее суть определяется противоречием между универсальными возможностями современных КС и целевым требованием получить от КС максимальную помощь в решении каждой из бесконечного множества конкретной проблемы общества, т.е. требованием максимальной эффективности процессов создания, развития и использования всякой прикладной системы. Решение проблемы состоит в разработке и реализации архитектуры КС, адекватно отображающей структуру научной теории. Для этого впервые предложено за образец архитектуры КС взять структуру СОЗ, а в качестве ее образца - структуру научной теории, поскольку именно она явно и наиболее концентрированно выражает форму мышления людей при решении проблем.

В процессе решения проблемы синтезирован и обоснован результатами логики, лингви-стики и теории познания идеал структуры научной теории:

в развернутой в пространстве или во времени форме - в составе четырех блоков (знаков языков, синтаксиса языков, семантик и функций научных теорий, связанных между собой, с ис-точниками-приемниками знаковых образов и с реальным миром), каждый из которых представ-ляется иерархической сетью идентичных модулей, чья структура составлена из словаря и интер-претаторов концептуальных и эмпирических моделей синтаксиса, семантики и прагматики некоторой подтеории;

в свернутой в пространстве (но способной к развертыванию во времени) форме структура научных теорий представима структурой половины модуля, содержащей память словаря, интерпретатор концептуальных моделей с памятями, содержащими концептуальные модели разных подтеорий, и интерпретатор разных эмпирических моделей.

На основе анализа недостатков архитектуры современных КС, СОЗ и результатов синтеза идеала структуры научной теории предложены и исследованы существенные признаки идеальной архитектуры КС: структура моделирующей КС по типу КС с распределенными функциями; аппаратная реализация метаязыка с универсальными выразительными возможностями; мета-языковая реализация транслятора метапрограмм, прикладных систем и операционной системы с моделями всех функций научной теории, в том числе накопления знаний. Решен ряд задач проектирования и исследования интерпретаторов концептуальных моделей - процессоров баз знаний, а также методов и средств обработки данных - интерпретаторов эмпирических моделей.

Ключевые слова: компьютерная система, система обработки знаний, процессор базы знаний, архитектура, структура, проблемная ориентация, научная теория, метаязык.

Kurgaev A.F. Problematic orientation of the architecture of the computer data processing systems and knowledge. - Manuskript.

Thesis on fulfilment of the requirements for the degree of Doctor of engineering sciences on speciality 05.13.13 - computers, systems and networks. - V.M. Glushkov Institute of Cybernetics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kiyv, 2006.

In the thesis the fundamental problem of the development of computer means and systems is set and solved. Its essence is determined by the contradiction of the universal possibilities of contemporary computer systems to the purposeful requirements to obtain maximum aid in the solution of each of the infinite set of the concrete problems of society, which means the requirements of the maximum effectiveness of the processes of creation, development and using any applied system. The solution of problem consists of development and realization of the architecture of the computer systems, adequate to the structure of the scientific theory. For this purposes it is for the first time proposed as the model of ideal computer system to take the structure of the system of knowledge processing, and as its model - structure of scientific theory, since really it expresses in the most concentrated the way of thinking people in process of the problems solution.

The most essential signs of the ideal architecture of the computer system are proposed and investigated on the basis of the analysis of deficiencies in the architecture of contemporary computer means, systems of knowledge processing and results of the synthesis of the ideal of the structure of scientific theory: the structure of the simulating computer system according to the type of computer system with the distributed functions; the apparatus realization of meta-language with the universal expressive possibilities; the meta-language realization of applied systems and operating system with models of all functions of the scientific theory, including the accumulation of knowledge.

Key words: computer system, the system of knowledge processing, the processor of the knowledge base, architecture, structure, problematic orientation, scientific theory, meta-language.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України.

Науковий консультант: академік НАН України, доктор технічних наук, професор Палагін Олександр Васильович, Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України, заступник директора

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Кривий Сергій Лукянович, Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України, провідний науковий співробітник,

доктор технічних наук, професор Погорілий Сергій Демянович, Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, професор, заступник завідувача кафедри напівпровідникової електроніки,

академік НАН України, доктор технічних наук, професор Скуріхін Володимир Ілліч, Міжнародний науково-навчальний центр інформаційних технологій і систем НАН України та Міністерства освіти і науки України, заступник директора

Провідна установа:Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", кафедра обчислювальної техніки.

Захист відбудеться “27” вересня 2006 р. о 14⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.194.03 при Інституті кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України за адресою: 03680, МСП, Київ-187, проспект Академіка Глушкова, 40.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Інституту кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України.

Автореферат розісланий “26” липня 2006 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради РОМАНОВ В.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Дисертація присвячена дослідженню теорії, методів і засобів проблемної орієнтації архітектури компютерних систем (КС), спрямованих на підвищення ефективності процесів створення систем автоматизації (або інформатизації) обєктів народного господарства, постановки й вирішення задач прикладних царин.

Україна є співучасником глобальної інформаційної революції, котра перетворила інфор-мацію в ресурс, який вже переважає економічний і військовий ресурси за своїм впливом на захист національних інтересів та інтенсивність розвитку суспільства. Інформація сама стала товаром і зайняла місце найважливішого вихідного ресурсу сучасного виробництва товарів та послуг, сприяє створенню нових їх видів, зменшує витрати сировини, енергії, праці й капіталу. Роль України в цих процесах, на жаль, обмежена переважно споживанням чужої продукції. Необхідні рішучі й невідкладні зусилля суспільства для відродження в Україні повноцінної компютерної індустрії, прибутковою не за рахунок паразитування на наукових і технологічних досягненнях провідних фірм світу, а завдяки посильній участі в міжнародному розподілі праці. Створення й тиражування проблемно-орієнтованих КС (ПОКС) і є тією нішою, де Україна за мінімальних інвестицій може зайняти гідне місце. За своєю природою ця ніша необмежена (включає всі обєкти економіки, розширюється з її розвитком) і невичерпна, оскільки прогрес суспільства є нескінченним: від вирішення одних проблем до постановки нових. Саме тут найлегше витримати конкуренцію в дуже насиченому і складно структурованому середовищі виробників КС, накопичити ринковий досвід та ресурси для поновлення й розвитку компютерної галузі України.

Особливість цієї області досліджень полягає у великій різноманітності теорій, рішень і засобів досягнення бажаного ефекту шляхом орієнтації на застосування різних рівнів архітектури компютерів та її взаємозвязку з обробкою знань - найдосконалішою з сучасних інформаційних технологій. При цьому універсального рішення проблеми проблемної орієнтації КС, однаково придатного й ефективного для багатьох застосувань, поки немає.

Звідси випливає актуальність і важливість проблеми ефективного поєднання алгоритмічної універсальності КС з їхньою спеціалізацією у процесах створення, розвитку і використання прикладних систем. Розвязання цієї проблеми є суттю проблемної орієнтації архітектури КС.

Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація вміщує результати досліджень і розробок, виконаних автором за останні 30 років роботи за такими програмами, темами, проектами і господарчими договорами:

Господарчий договір від 01.07.1976 р. № 609/910 між Інститутом кібернетики (далі - ІК) АН УРСР і підприємством "П/я № Г-4783" на виконання НДР "Исследование методов программной совместимости микроЭВМ на однокристальном микропроцессоре и областей применения" (виконавець).

НДР "Совместный анализ сфер применения разрабатываемых в СССР и в рамках СЭВ программно-технических комплексов для АСУТП химической промышленности и существующих и разрабатываемых микроЭВМ для определения возможности их использования в создаваемых для химической промышленности АСУТП, АСИ и аналитических приборов" на підставі наказу Мінхімпрому СРСР і АН УРСР від 27 травня 1975 р. № 350/286 (відповідальний виконавець).

Програма робіт на 1978-1985 рр. Секції спеціалістів (СС-1) по проблемно-орієнтованих комплексах (голова - чл.-кор. НАНУ і чл.-кор. РАН А.О. Стогній) Ради Головних конструкторів СМ ЕОМ Міжурядової комісії з обчислювальної техніки країн-членів РЕВ (відповідальний виконавець від ІК АН УРСР).

Господарчі договори від 01.07.1982 р. № 1/289-82 і від 22.07.1984 р. № 868 між ІК АН УРСР та НДІ ім. Д.З. Мануїльського згідно із завданням 0.80.14.33.16, затвердженим постановою ДКНТ СРСР від 12.12.1980 р. № 475/251/133 (відповідальний виконавець).

Завдання "0.80.01.24.03.И. Создать базовый комплекс программно-аппаратных средств, предназначенных для проектирования банков знаний", затверджене постановою ДКНТ СРСРвід 30.10.85 р. № 555 (науковий керівник).

Господарчий договір від 01.11.85 р. № 568-85 між ІК АН УРСР і "П/я № А-7358" на НДР "Разработка функционального процессора с изменяемой архитектурой" (науковий керівник).

Додаткова тема "Создать опытный образец процессора базы знаний, обеспечивающий производительность 0,1-1,0 млн. логических выводов в секунду и предназначенный для использования в составе 16-разрядной персональной ЭВМ", затверджена постановою ДКНТ СРСР від 03.08.87 р. № 274 і розпорядженням Президії АН УРСР від 20.09.87 р. № 1921 (науковий керівник).

Господарчий договір від 13.04.88 р. № 809-88 між ІК АН УРСР і КВО "Електронмаш" на виконання НДР "Создать экспериментальный образец машины базы знаний массового применения" (науковий керівник).

Завдання "0.80.01.06.01.И. Создать и освоить в производстве интеллектуальную рабочую станцию на базе микроЭВМ с гибкой архитектурой с функциями ведения базы знаний", затверджене постановою ДКОТІ СРСР від 10.09.88 р. № 20 (заступник наукового керівника).

Господарчий договір від 05.10.90 р. № 54-9/590 між ІК АН УРСР і НВО "Славутич" на виконання НДР "Разработка и поставка комплекса программно-аппаратных средств для проектирования и использования баз знаний на основе ПЭВМ типа РС/АТ" (науковий керівник).

Господарчий договір від 28.11.90 р. № 622 між ІК АН УРСР і СКБ ММС ІК АН УРСР на виконання ДКР "Машина базы знаний на основе РС/ХТ для моделирующего комплекса по теме И-216-СОС" (науковий керівник).

Господарчий договір від 01.08.91 р. № 1062 між ІК АН УРСР і Ленінградським інститутом інформатики та автоматизації АН СРСР на виконання (відповідно до рішення ДКВПК при РМ СРСР від 24.04.1991 р. № 58) складової частини НДР "Исследование и разработка теоретических основ аппаратного обеспечения систем с элементами искусственного интеллекта" (шифр "Кипарис-АН") (науковий керівник складової частини НДР).

НДР "Исследование и разработка теоретических основ методики представления на основе формальных грамматик и использования знаний для решения задач распознавания сложных сообщений, ситуаций и оперативного управления на основе знаний прикладных областей" (шифр "ВИФОР-УА") у рамках Програми фундаментальних і пошукових досліджень, затвердженої 07.08.92 р. (науковий керівник).

Проект 6.03.01/009-92 "Разработка аппаратно-программных интеллектуальных средств, обеспечивающих работу непосредственно со знаниями на IBM PC-совместимых компьютерах для решения информационно сложных задач и создания интегрированных программных систем" у рамках Програми 6.03.01 "Высокопроизводительные профессиональные и проблемно-ориентированные комплексы широкого назначения", затвердженої постановою ДКНТ України від 01.05.92 р. № 12 (науковий керівник).

Проект 6.02.01/003-92 "Разработать инструментальные средства для создания систем принятия решений на основе машин баз знаний в среде IBM PC-совместимых компьютеров" у рамках Програми 6.02.01 "Интеллектуализация процессов принятия решений", затвердженої постановою ДКНТ України від 01.05.92 р. № 12 (науковий керівник).

НДР "Разработка портативной ЭВМ с интеллектуальным интерфейсом для массовых и специальных применений" за договором від 20.08.97 р. № 8/1557-97 між ІК НАНУ та Міннауки України згідно з Державним замовленням на науково-технічну продукцію за пріоритетними напрямками розвитку науки і техніки на 1997 рік. Шифр: 7.97.270; Держреєстр. № 0198U000314; Держоблік. № 0200U004380, Київ, 1999 (виконавець другого розділу звіту).

НДР "Теоретичні основи розвитку архітектури ЕОМ нових поколінь". Шифр В.Ф.205.01. Держреєстр. № 0197U015914, Київ, 2000 (відповідальний виконавець).

НДР "Теоретичні аспекти розвитку високопродуктивних ЕОМ з високим рівнем машинного інтелекту" по проблемі "Перспективні засоби обчислювальної техніки" згідно з Постановами: від 10.02.2000 р., протокол № 6-А Бюро відділення інформатики Президії НАНУ; від 21.12.2000 р., протокол № 1-А Бюро відділення інформатики Президії НАНУ; від 12.01.2002 р. Президії НАН України № 8. Шифр ВФ.205.13 (відповідальний виконавець).

НДР "Розробка теоретичних та технологічних засад знання-орієнтованих компю-терних систем для широкого призначення" по проблемі "Перспективні засоби обчислювальної техніки" згідно з Постановами: від 10.02.2000 р., протокол № 6-А Бюро відділення інформатики Президії НАНУ; від 21.12.2000 р., протокол № 1-А Бюро відділення інформатики Президії НАНУ; від 12.01.2002 р. Президії НАН України № 8. Шифр ВФК.205.15 (виконавець).

Мета і задачі дослідження.

Обєктом дослідження є процеси розробки й використання ПОКС.

Предмет дослідження - архітектура та структура КС, задачі проектування КС та їхніх компонентів, постановка й вирішення прикладних проблем і задач.

Мета дослідження - розробка теорії, архітектури і структури КС, що забезпечують ефективне поєднання алгоритмічної універсальності КС з їхньою спеціалізацією у процесах створення, розвитку й використання прикладних систем.

Основні задачі дисертаційної роботи, вирішення яких забезпечує досягнення поставленої мети:

1. Розробка загальної теорії проектування ПОКС - прогнозування основних показників виробництва ПОКС та обрунтування оптимальної стратегії розробки прикладних систем на основі ПОКС.

2. Розробка мікропрограмовних процесорів, засобів обробки даних - обчислення функцій та засобів виводу сигналів з КС.

3. Розробка системи операцій компютерів.

4. Обрунтування необхідності конструктивної концепції побудови КС, всі функції обробки знань яких повязані єдиними механізмами.

5. Розробка методологічних засад побудови структури наукової теорії та архітектури КС. мікропрограмовний обчислення комп'ютер архітектура

6. Дослідження та розробка машини баз знань.

Методи дослідження. Загальними методами дослідження дисертації є методи теорії пізнання, теорії автоматів, теорії графів тощо. Окремі задачі відрізняються деякими особливостями використання цих методів.

Задачі загальної теорії проектування ПОКС - прогнозування основних показників виробництва ПОКС та обрунтування оптимальної стратегії розробки прикладних систем на основі ПОКС вирішено методом зведення вихідної задачі до підзадач з подальшим агрегуванням результатів та засобами матаналізу.

Задачі розробки мікропрограмовних процесорів вирішено методами структурної теорії автоматів, а засобів обробки даних та виводу з КС сигналів - методами матаналізу з вико-ристанням теорії інтерполяції, обробки сигналів та аналогового моделювання.

Задачі розробки системи операцій компютерів вирішено використанням операційного принципу класифікації задач, математичної моделі пошуку умовного екстремуму функції багатьох змінних методом множників Лагранжа, елементів теорії надійності, теорії ймовірності, графів, а також вибору оптимальних проектних рішень дискретних систем.

Задачі обрунтування необхідності конструктивної концепції побудови КС, розробки методологічних засад побудови структури наукової теорії та архітектури КС, дослідження й роз-робки машини баз знань та її найбільш суттєвих ознак (архітектури, структури, метамови, реалізації) вирішено методами теорії пізнання, логіки, теоретичної лінгвістики, теорії множин, теорії проектування апаратних засобів, а також виготовленням дослідних зразків.

Наукова новизна отриманих результатів.

Загальну теорію проектування ПОКС розвинуто такими науковими результатами, отриманими вперше.

Задачу прогнозування основних показників виробництва ПОКС поставлено й вирішено на основі принципу проблемної орієнтації, що задає однозначне визначення необхідного числа ПОКС числом господарських обєктів - економічних обєктів і засобів праці, що є потенційними обєктами автоматизації (ОА). Задачі стратегії розробки прикладних систем на основі ПОКС поставлено й вирішено шляхом обрунтування існування оптимуму витрат на розробку і засто-сування ПОКС, виведення умов максимуму економічного ефекту та оптимального розподілу витрат на розробку ПОКС і створення прикладних систем.

Теорію проблемної орієнтації КС методами і засобами обробки даних розвинуто такими науковими результатами, отриманими вперше.

Задачу розробки мікропрограмовних процесорів обробки даних вирішено шляхом впро-вадження ефективної системи мікропрограмного управління на підставі методологічно значущої пропозиції, розробленої спільно з академіком НАНУ О.В. Палагіним для вирішення проблеми однокристального виконання 16-розрядного універсального мікропроцесора. Суть рішення - в перетворенні монітора мікропрограмного управління КС у дворівневий. Запропоновано ефективність структурних рішень емулюючих процесорів оцінювати відносними показниками продуктивності.

Задачу розробки засобів ефективного обчислення функцій з плаваючою точкою постав-лено як задачу обчислення (з фіксованою точкою) апроксимації таблично заданих функцій і вирі-шено шляхом дослідження спадкової похибки від похибки завдання аргументу у формі з плава-ючою точкою. Задачу розробки засобів поновлення і виводу з КС сигналів (інтерполяторів) вирішено шляхом дослідження похибок інтерполювання та впровадженням керованого відємного зворотного звязку у структурах інтерполяторів довільного порядку. Дослідженням похибок обрунтовано, що частоти дискретизації сигналів при інтерполяції та екстраполяції для нескінченного порядку апроксимуючого полінома збігаються та в 2 разів перевищують граничну частоту спектра сигналу. Виведено функцію визначення числа відліків на період Sint залежно від порядку полінома, заданої похибки і спектра сигналу.

У новій постановці вирішено три групи задач розробки систем операцій: оцінювання ефективності системи команд КС на класі задач, оцінювання вимог до компонентів, виходячи з вимог застосування до КС в цілому, синтезу структури визначення системи операцій деякого рівня управління КС. Вирішення першої з цих груп задач базується на двох умовах про максимум ефективності використання будь-якого компютера. Вирішення другої зведено до побудови загальної математичної моделі пошуку умовного екстремуму функції багатьох змінних з по-дальшим уточненням розвязку на дискретній множині характеристик реалізації. Вирішення третьої групи задач дано як виділення з вихідного орграфа, який задає множину альтернативних варіантів визначення системи операцій, орграфа, що задовольняє умови повноти, виконуваності та оптимальності в заданій системі критеріїв.

Теорію систем обробки знань (СОЗ) і архітектури КС розвинуто такими науковими результатами, отриманими вперше.

Необхідність розробки конструктивної концепції архітектури КС, всі функції обробки знань яких повязані єдиними механізмами, обрунтовано результатами аналізу проблем використання сучасних компютерів і недоліків відомих моделей представлення знань. Запропоновано архітектуру СОЗ синтезувати відповідно до структури наукових теорій.

Розроблено методологічні засади побудови структури наукової теорії та архітектури КС: на підставі аналізу розвитку ідеалу структури наукової теорії виявлено загальну спрямованість досліджень на поєднання формальності із змістовністю у структурі всякої наукової теорії; синтезовано деяке наближення до моделі ідеалу структури наукової теорії, що безперечно поєднує змістовність із формальністю та узгоджений з відомими результатами; на підставі аналізу недоліків архітектур сучасних КС і результатів синтезу моделі ідеалу структури наукової теорії запропоновано архітектуру КС, наближену до ідеальної, та її найбільш суттєві ознаки.

При дослідженні та розробці машини баз знань вперше отримано такі наукові результати.

На підставі відомих результатів теорії поняття, силогістики і математичної логіки сформовано набір логічних форм визначення понять (що є розширенням форм визначення понять у силогістиці) та покладено в основу метамови, яка дозволяє висловити довільну пропозиційну функцію понять, що входять у визначальну частину визначення. Висловлювальні можливості метамови досліджено відповідно до опису формальних мов різного рівня та до формалізації основних процедур роботи зі знаннями: вводу і накопичення знань, редагування, ретрансляції машинного представлення знань та С-маркера.

Множину засобів широкого застосування для проблемної орієнтації КС розширено такими прикладними результатами, отриманими вперше.

У рамках класу мікропрограмовних процесорів запропоновано і реалізовано зовнішнє мі-кропрограмування як засіб проблемної орієнтації універсального мікропроцесора. Запропоновано апаратно-мікропрограмні реалізації інтерпретатора метамови, що склали основу декількох дослід-них зразків машини баз знань, які надають користувачам метамову та технологію вирішення задач.

Множину засобів обробки даних та виводу сигналів з КС розширено отриманими вперше прикладними результатами, які являють собою пристрої обчислення функцій та цифро-аналогові інтерполятори.

Практичне значення отриманих результатів дисертаційної роботи полягає в їхній спрямованості на врахування вимог застосувань при розробці ПОКС та на створення аппаратно-програмних інструментальних засобів постановки і вирішення задач (машини баз знань).

Результати теоретичних досліджень здобувача частково використано в кандидатських дисертаціях Г.М. Дашкієва (науковий керівник - Кургаєв О.П.), М.Г. Петренка (наукові керівники - О.В. Палагін і О.П Кургаєв), К.Ж. Цатряна, С.І. Юсифова та В.М. Опанасенко (науковий керівник - О.В. Палагін), а також:

- результати розвитку загальної теорії проблемної орієнтації КС використано в робочих матеріалах і рішеннях СС-1 РГК СМ ЕОМ, в розробці прогнозу динаміки обсягів випуску МПК для народного господарства СРСР та інвестицій, що забезпечують цей випуск;

- результати розвитку теорії СОЗ використано в НДР "Кипарис-АН" згідно з договором від 01.08.91 р. № 1062 між ІК АН УРСР і ЛІІАН; в проектах 6.03.01/009-92 Програми 6.03.01 та 6.02.01/003-92 Програми 6.02.01, затверджених постановою ДКНТ України від 01.05.92 р. № 12; в НДР згідно з договором від 20.08.97 р. № 8/1557-97 між ІК НАНУ та Міннауки України; в НДР "Теоретические основы развития архитектуры ЭВМ новых поколений" (шифр В.Ф.205.01.) і "Теоретические аспекты развития высокопродуктивных ЭВМ с высоким уровнем машинного интеллекта" (шифр ВФ.205.13).

Результати наукових і прикладних досліджень, поданих у дисертації, впроваджено в ряді розробок компютерних засобів і систем, виконаних за безпосередньою участю здобувача:

- розробка спільно з ЛКТБ ЛОЕП "Светлана" першого вітчизняного 16-розрядного однокристального мікропроцесора мікроЕОМ "Электроника С5-21" (договір від 01.07.76 р.№ 609/910 між ІК АН УРСР і "П/я Г-4783"), що серійно випускався на підприємствах Мінелектронпрому СРСР;

- розробка ІК АН УРСР спільно з СКБ ММС аналого-цифрових інтерполяторів, виконана згідно із завданням 0.80.14.33.16 та договорами від 01.07.82 р. № 1/289-82 і від 22.07.84 р. № 868 між ІК АН УРСР та НДІ ім. Д.З. Мануїльського;

- розробка апаратно-програмного комплексу, що включає ДВК-3 і макет двоплатного процесора баз знань (ПБЗ), виконана згідно з договором від 01.11.85 р. № 568-85 між ІК АН УРСР та "П/я А-7358";

- розробка двох варіантів машини баз знань із системним програмним забезпеченням (вводу, накопичення та редагування баз знань) на основі ІНТЕК "Поиск" з 16-розряднимі 8-розрядним ПБЗ, виконаної згідно з договором № 809-88 між ІК АН УРСР та КВО "Електронмаш";

- розробка двох варіантів машини баз знань на основі ЕОМ ДВК-3 та ПЕОМ ЕС-1840, виконана згідно із завданням "0.80.01.24.03.И. Создать базовый комплекс программно-аппа-ратных средств, предназначенных для проектирования банков знаний", затвердженим Постановою ДКНТ СРСР від 30.10.85 р. № 555;

- розробка комплексу апаратно-програмних засобів на основі ПЕОМ замовника (одноплатний ПБЗ, системне і сервісне програмне забезпечення), виконана згідно із договором від 05.10.90 р. № 54-9/590 між ІК АН УРСР та НВО "Славутич";

- розробка комплексу апаратно-програмних засобів на основі ПЕОМ замовника (одно-платний ПБЗ, системне і сервісне програмне забезпечення), виконана згідно із договором від 28.11.90 р. № 622 між ІК АН УРСР та СКБ ММС ІК АН УРСР.

Відповідні акти й інші документи впровадження наведено в додатках.

Особистий внесок здобувача в основні роботи, виконані у співавторстві. Усі наукові результати дисертації отримано здобувачем самостійно.

Підрозділ 3.1.1 дисертації містить результати здобувача, опубліковані в [1] у співавторстві. Підрозділ 3.1.3 містить відредаговану частину з [6, 27], а підрозділ 3.2 - відредаговану частину з [4] результатів, що належать здобувачу. Підрозділ 3.2.2 містить власне трактування здобувачем основних досягнень, отриманих в творчій співпраці з О.В. Палагіним у процесі дослідження проблеми однокристального виготовлення універсального мікропроцесора, результатом якого стала сукупність структур [38-41, 43] апаратної реалізації емулюючого процесора. У роботах[44, 45] здобувачу належить спосіб і основні структурні компоненти пристроїв. У роботах [2, 36, 37, 42, 46] здобувачу належить ідея використання керованого відємного зворотного звязку (запропонованого В.М. Коробейніковим для лінійних інтерполяторів) у структурах інтерполяторів довільного порядку, розроблених на основі результатів власних досліджень здобувача щодо інтерполяційного полінома Ньютона, а також розробка окремих структурних компонентів пристроїв. У роботах [7-9] здобувачу належить вирішення задачі визначення частоти дискретизації при поновленні сигналів, постановка цієї задачі та її застосування до створення АЦМЗ виконані спільно із співавторами. У підрозділі 5.1 дисертації містяться відредаговані результати з [22], що належать здобувачу. У роботі [26] здобувачу належить визначення поняття проблемно-орієнтованого комплексу і класифікація застосувань КС. У роботах [10, 29, 30] здобувачу належить обрунтування ефективності спільних пропозицій. Формалізація, наведена в Додатку З, розвиває метамову, запропоновану в роботах [10, 29, 30] спільно із співавторами та формалізовану в свій час Г.М. Дашкієвим. У патентах [47-54] здобувачу належить розробка управляючої частини структур і мікропрограми пристроїв.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що становлять основний зміст роботи, доповідались і обговорювались на

- семінарах Наукової ради АН УРСР з проблеми "Кібернетика";

- II Всесоюзній нараді "Мікропроцесори", Рига, 1977 р.;

- VII Всесоюзній нараді по проблемам управління, Москва-Мінськ, 1977 р.;

- засіданнях СС-1 РГК СМ ЕОМ (Москва, Київ, Суздаль, Калінін, Рига, Казань, Тбілісі, Душанбе, Таллінн, Софія, Будапешт, Дрезден та ін., 1978-1985 рр.);

- IV Всесоюзному симпозіумі "Проблемы создания преобразователей формы информации", Київ, 1980 р.;

- Республіканській науково-технічній конференції "Применение вычислительной техники

и математических методов в научных исследованиях", Київ, 1985 р.;

- V Всесоюзній школі-семінарі "Распараллеливание обработки информации", Львів, 1985 р.;

- III Республіканській конференції "Автоматизация научных исследований", Київ, 1986 р.;

- нараді "Бортовая вычислительная техника и математическое обеспечение бортовых управляющих систем" Наукової ради АН СРСР стосовно комплексної проблеми "Кібернетика", Звенигород, 1986 р.;

- нараді спеціалістів фірми MERASTER, Катовіце, ПНР, 1989 р.;

- Міжнародному симпозіумі "Диагностика, надежность и менеджмент неисправностей", Будапешт: МТА SZTAKI, 1990 р.;

- нараді "Бортовая вычислительная техника и математическое обеспечение бортовых управляющих систем" Наукової ради АН СРСР стосовно комплексної проблеми "Кібернетика", Рибачє, Крим, 1990 р.;

- Міжнародній конференції "Сучасні проблеми інформатики і наукова спадщина академіка Глушкова В.М.", Київ, 11-12 вересня 2003 р.

Інформаційні машини (машини баз знань), розроблені й виготовлені під науковим керівництвом і за безпосередньою участю здобувача, неодноразово демонструвались, зокрема, на

- нараді фахівців Обчислювального центру управління державою, Будапешт, Угорщина, 1989 р.;

- виставці робіт ІК АН УРСР, Софія, НРБ, 1990 р.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 54 публікаціях, що включають 25 статей в спеціалізованих журналах, 8 статей - у збірниках, 2 препринти, 11 авторських свідоцтв СРСР і 8 патентів Росії.

Структура та обсяг роботи. Дисертація, подана в 2 книгах, складається із вступу, пяти розділів, висновків, списку використаних джерел (477 найменувань), додатків. Книга 1 - основ-ний текст дисертації (292 сторінки машинописного тексту, у тому числі 35 рисунків і одна таблиця), а також список використаних джерел (41 сторінка); книга 2 - додатки (189 сторінок).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі на основі аналізу стану досліджуваної проблеми обрунтовано актуальність теми, сформульовано мету і задачі досліджень, коротко характеризуються зміст і значущість дисертації.

У першому розділі розглянуто основні напрямки робіт стосовно проблемної орієнтації КС, при цьому виділено методи та засоби проблемної орієнтації обробки даних і методи та засоби проблемної орієнтації СОЗ.

Найбільш загальний смисл у термін проблемної орієнтації вкладав академік В.М. Глушков, трактуючи її як розумну спеціалізацію за умови збереження алгоритмічної універсальності КС та наполягаючи на необхідності поєднання проблемної орієнтації з автоматизацією проектування.

Серед множини методів і засобів проблемної орієнтації обробки даних розглянуто задачу комплектації та різновиди проблемної орієнтації технічними засобами і засобами програмування. З розглянутих варіантів найбільш прогресивною є система обробки даних, яка включає в себе систему автоматизації програмування, що управляє САПР структури із модулів гнучкої архітектури.

Кількісні значення фізичних показників обробки даних сучасних КС вже досягли величезних значень і постійно покращуються, стрімко розширюється номенклатура і знижується вартість засобів обробки даних. Темпи покращення якості обробки інформації суттєво відстають від темпів зросту кількісних показників. Кардинальну зміну такої ситуації повязують з розвитком СОЗ. Сформульовано узагальнене визначення смислу терміна СОЗ, яке дозволяє виділити підмножину систем такого типу з усієї множини КС.

Визначення 1.1. СОЗ містить базу знань (в загальному випадку - кінцеву множину баз знань), машину виведення (інтерпретатор), систему управління знаннями, систему спілкування і взаємодії, а також інтерфейс з користувачами та/або зовнішнім середовищем. Компоненти СОЗ характеризуються сукупністю таких найбільш суттєвих ознак:

- база знань є машинною формою представлення моделей предметних царин скінченного обсягу та довільної складності, ізоморфних звязкам і відношенням між предметами і явищами деякого фрагмента дійсності, нейтральних до вирішуваних задач, відкритих для аналізу, доповнення та змін і готових для ефективної цілеспрямованої активізації та застосування до даних у процесі розвязання задач;

- машина виведення здійснює процес вирішення задач, застосовуючи знання до данних, і фор-мує результати, що є наслідком цього процесу, підтримує функції систем управління знаннями,а також спілкування і взаємодії та інтерфейсу;

- система управління знаннями керує процесом вирішення задач, формуючи завдання машині виведення шляхом цілеспрямованої активізації знань, виконує завдання системи спілкування і взаємодії та повертає отримані результати;

- система спілкування і взаємодії здійснює в діалозі з користувачами та/або зовнішнім середовищем: налагодження, контроль і діагностику машини виведення; редагування, ввод і на-копичення знань, верифікацію баз знань мовою представлення знань, постановку і розвязання задач, пояснення результатів; навчання користувачів можливостям та технології використання СОЗ для вирішення проблем, знанням в предметній царині;

- інтерфейс здійснює двонаправлений переклад між мовою представлення знань та мовою (мовами) користувачів вхідних і вихідних повідомлень системи спілкування і взаємодії.

Аналіз компютерних моделей представлення знань засвідчив, що сучасні СОЗ далекі від досконалості, необхідної для досягнення загальновизнаних цілей, продовжують інтенсивно розвиватись в усіх наукових центрах світу. На думку здобувача, перспективним є використання в цих системах і подальший розвиток семантичної теорії Г. Фреге, оскільки вона належить логіці і базується на результатах Дж.С. Мілля, який використав попередні логічні вчення, зокрема, взаємозвязок змісту понять з їх обємом, розкритий ще в "Логіці Пор-Рояля", побудованій на методологічних принципах Р. Декарта і Б. Паскаля. Тобто вирішення проблем доступу масових користувачів до інформаційного ресурсу компютерів потребує розвитку логічної моделі представлення знань та її реалізації як внутрішньої мови компютерів.

Нової якості проблемної орієнтації КС можна досягти завдяки поєднанню обробки даних з обробкою знань в усіх інформаційних системах так, щоб інформація представлялась композицією знань і даних, які взаємодіють між собою, переходять одна в іншу та обробляються різними засобами. Оскільки при цьому в кожен момент єдиного інформаційного процесу знання визначають семантику обробки даних, то для суттєвого підвищення продуктивності, якості обробки інформації та доступності для розуміння цих процесів людьми важливо надати КС властивість оперувати зі знаннями методами, наближеними до природних здібностей людей.

Вочевидь, що ці системи можна реалізувати програмуванням на сучасних КС. Однак, зважаючи на суттєву різницю між знаннями і даними та операцій над ними, така реалізація не буде ефективною, оскільки вимагатиме левової долі накопиченого фізичного ресурсу компютерів. Тобто, структура КС має поєднувати два середовища - обробки даних і обробки знань, які в процесі взаємодії вирішують єдину задачу обробки інформації. Слушність цього підтверджується і висновком В.М. Глушкова про необхідність "ориентации отдельных процессоров на те или иные специальные функции" [19] обробки інформації.

Головний напрямок розвитку СОЗ - створення інструментальних засобів і систем, що суміщують суперечливі вимоги: універсальність можливостей з максимальною ефективністю процесів створення, розвитку і використання прикладних систем, з мінімізацією витрат і мак-симальною комфортністю для інформаційної праці користувачів. З цього випливає, що КС нової архітектури має бути СОЗ розробницького типу з побудуванням моделей постановки й вирішення проблем відповідно до визначення 1.1.

Таким чином, йдеться про надання користувачам засобів автоматизації проектування, використання і розвитку прикладних систем на основі баз знань - це та межа можливостей, котра загально визнана досяжною. За рахунок цього КС набувають жаданої властивості - адаптивність до умов застосування і змінам знань про процеси пізнання, постановки та вирішення проблем.

Другий розділ містить результати загальної теорії проектування ПОКС.

В розвиток визначення поняття ОА, неявно використаного В.М. Глушковим в його визначенні поняття ПОКС, в додатках подано класифікацію ОА, що відображає основні напрямки робіт зі створення систем автоматизації (СА). Її верхній рівень визначений структурою узагальненого ОА: узагальнений ОА - це організовані в економічний обєкт люди, котрі, вирі-шуючи задачі, за допомогою засобів праці виконують виробничі процеси.

На основі принципу проблемної орієнтації та класифікації ОА запропоновано вирішувати задачі передпланового прогнозування показників виробництва ПОКС у такій постановці.

Задача 2.1. Дані прогнозу на тривалий період обсягів виробництва ПОКС та інвестицій, що його забезпечують, вивести з даних про попередній развиток господарства.

Задачу вирішено шляхом зведення вихідної задачі до підзадач з подальшим агрегуванням. Перш за все із задачі 2.1 в окремі підзадачі виділено дві - А та Б.

2.1.А. Визначити інвестиції R(t), що забезпечують випуск ПОКС, якщо відомий прогноз динаміки обсягів m(t) цього виробництва.

2.1.Б. Дані прогнозу на тривалий період обсягів m(t) виробництва ПОКС вивести з даних про попередній развиток народного господарства.

Динаміка інвестицій R(t) визначається добутком:

R(t) = m(t) C(t),

де C(t) - динаміка собівартості одиниці продукції; C(t) = С₀ Z^t , якщо С₀ - собівартість одиниці продукції на початок прогнозного періоду; Z = (С₀ - С) / С₀ ; С - річне зниження собівартості (за статистикою собівартість мікропроцесорних систем свого часу щорічно знижувалася на 28%).

Таким чином, підзадача 2.1.А зводиться до 2.1.Б, розвязок якої запропоновано шукати на гіпотетичній моделі у формі логісти

m(t) = N / (1 + e ⁽ - ^t) ),

де t (незалежна змінна) - час (роки); N - прогноз граничної річної потенційної потреби в ПОКС; - початковий темп (розмірність 1/рік) зростання щорічного випуску ПОКС; - момент полунасичення потреби, тобто m(t=) = N / 2.

Якщо на початок (t=0) прогнозного періоду відомі початковий обсяг N₀ і темп зростання річного випуску ПОКС, то, оскількі = (1/) ln((N / N₀) - 1), отримаємо загальну модель динаміки випуску ПОКС:

m(t) = N / (1 + ((N / N ₀) - 1) e - ^t ).

Значення параметра N запропоновано шукати окремо для персональних компютерів (ПК) та для програмованих контролерів (ПрК) відповідно до суттєвої різниці їх виконання та умов застосування, використовуючи дані про розвиток різних секторів господарства:

для ПК - N_Р* = _j=1 ^J (0.15 _j Р_j ); для ПрК - N_П = _{k = 1} ^K (_k Пk ),

де _j і _k - цільові нормативи забезпечення комплексами (ПК і ПрК) різних класів ОА; Р_j - прогноз потенційної потреби в ПОКС як ПК типу j = 1J; Пk - прогноз потенційної потреби в ПОКС як ПрК типу k = 1K.

Аналогічно розвязанню вихідної задачі для двох підмножин ПОКС (ПК і ПрК) можна вирішити незалежні задачі прогнозування для більшої кількості підмножин ПОКС.

Задачу економічного обрунтування доцільності розробки ПОКС вирішено обрунту-ванням існування оптимуму витрат на розробку і застосування ПОКС і такого розподілу витрат, що його забезпечує. Задачу економічного обрунтування ПОКС сформульовано в такій формі.

Для кожної потужності N множини обєктів одного класу існує оптимум витрат S на розробку ПОКС, що забезпечує максимум економічного ефекту Э(n, S) від застосування ПОКС для автоматизації обєктів цього класу за таких умов: а) прикладні системи створюють незалежно різні колективи; б) все більш повне врахування специфіки застосувань ПОКС для множини обєктів одного класу досягається випереджаючим збільшенням витрат на розробку ПОКС.

Умова а) є ідеалізацією стану справ, оскільки припускає повну відсутність взаємодії колективів розробників, іншою крайністю якого є покладання обовязків щодо розробки прикладних систем на один колектив - розробників ПОКС.

Умова б) базується на виправданій практикою наукового пошуку гіпотезі: складність і, зрештою, вартість процесу пізнання постійно зростають, оскільки для виявлення нових закономірностей дійсності необхідно активно володіти неперервно зростаючим вже добутим знанням і мати все більш досконалі (отже, більш вартісні) засоби дослідження реального світу.

Існування оптимуму обрунтовано побудовою і дослідженням математичної моделі економічного ефекту Э(n, S) від використання ПОКС, частинна похідна для якої

Э/ S = (n - n_j) / n_j

дорівнює нулю при n = N = n_j та змінює знак із позитивного на відємний при переході через цю точку, з чого випливає існування максимуму Э(n), де n - незалежна змінна; N - необхідна кількість СА; n_j - точка перетину графіків функцій С_j (n, S) та С_j-1 (n, S) витрат на СА при витратах S_j і S_j-1 на розробку ПОКС.

Задачу розподілу витрат на розробку ПОКС та прикладних систем на його основі вирішено шляхом дослідження моделі максимуму економічного ефекту від витрат S на розробку ПОКС для двох апроксимацій питомих витрат k(S) на привязку ПОКС до обєктів заданого класу - степеневої (рис. 1) та експоненційної (рис. 2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Якщо k₀ - початкова питома вартість СА, для степеневої апроксимації k₁(S) = k₀ (1+ S)- функція витрат на створення СА має вигляд

С₁*( n, S) = S + n k₀ (1+ S)- .

Починаючи з n = n₁ = 1 / k₀ (див. рис. 1) розробка на основі ПОКС стає ефективнішою, ніж індивідуальна: при =1 витрати на розробку ПОКС приблизно дорівнюють витратам на СА для n обєктів; при = 2 - вдвічі більше витрат на СА, тобто розподіл складає 2/3 до 1/3 і т.д.

Для експоненційної апроксимації k₂(S) = k₀ е - ^S маємо

С₂*(n, S) = S + k₀ n е - ^S .

Починаючи з n₂ = 1 / k₀ (див. рис. 2) розробка на основі ПОКС стає економічно ефективнішою, ніж індивідуальна. Співвідношення витрат на розробку ПОКС і СА зростає із збільшенням потужності N множини СА:

S / (С₂*- S) = 1 для N = n₃ = е / k₀ ; S / (С₂*- S) = 2 для N = n₄ = е² / k₀ і т.д.

Третій розділ містить результати теорії проблемної орієнтації КС методами та засобами обробки даних. Ці результати є рішенням сукупності задач: розробки мікропрограмовних процесорів, синтезу системи операцій компютерів та розробки засобів обробки даних - обчислення функцій та інтерполяторів.

Суть вирішення задачі розробки мікропрограмовних процесорів - у впровадженні ефективної системи мікропрограмного управління за рахунок розвитку стандартного монітора шляхом розподілу мікропрограмного управління на два взаємодіючих - внутрішнє і зовнішнє (рис. 3). Перше містить фіксовані мікропрограми 2 обробки даних і монітор 38 зовнішніх мікропрограм, що виконує процедури власної взаємодії з зовнішніми мікропрограмами, друге - довільні мікропрограми у межах узгоджень внутрішнього рівня та доступне до змін вищими рівнями управління КС.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Результатом застосування цього методологічно значущого рішення стала розробка оригінальних структур апаратної реалізації емулюючого процесора і, зокрема, першого вітчизняного однокристального 16-розрядного мікропроцесора мікроЕОМ "Электроника С5-21", яку серійно випускав Мінелектронпром СРСР. Це рішення може скласти основу процесорів обробки даних в складі СОЗ.

Запропоновано технічні рішення структур емулюючих процесорів оцінювати відносними показниками, нечутливими до показників якості структурних елементів:

порівняно з одним із компютерів, що емулюються,

_{t k} = (Т_k / Т₀)( t₀ / t_k);

порівняно з множиною К компютерів, що емулюються,

_{ср t} = (1/ K)_k=1^K _{t k} ,

де T_k , Т₀ - середня тривалість вирішення задач класу Н на k-му і емулюючому компютерах відповідно; а t_k і t₀ - часові характеристики їх елементів відповідно.

Перша група задач розробки системи операцій компютерів включає в себе дві задачі.

Задача 3.1. На заданому еталонному частотному векторі А = {_i / i = 1r} системи команд D = {d_i / i = 1r; r - потужність множини} знайти оптимальне співвідношення інтенсивності відмови _i та часу t_i виконання команд.

Задача 3.2. На множині заданих характеристик (_i та t_i) реалізації системи команд D знайти вектор А, оптимальний для системи команд.