Глава 4 обработка информации при автоматизированном управлении

§ 4.1. Организация вычислительного процесса при автоматизированном управлении

Физический уровень проектирования АИС включает большой комплекс работ по выбору и построению обеспечивающих под­систем АИС, на основе которых организуется вычислительный процесс по решению функциональных задач. Чтобы решение бы­ло оптимальным и требовало минимальных ресурсов» функцио­нальные задачи преобразовывают в вычислительные, которые, в свою очередь, упорядочивают по требуемой информации, иными словами—необходимо провести интеграцию информации. Для вычислительных задач выбираются оптимальные алгоритмы» ко­торые бы позволяли решать комплекс однотипных задач по оди­наковым правилам. При этом необходимо учесть ограничения по объемам памяти, производительности системы и т. д. На этапе физического проектирования качество проекта во многом опреде­ляется применяемыми техническими и программными средства­ми. В связи с непрерывным их совершенствованием физическая реализация подвергается быстрому моральному старению, и по­этому уже на стадии проектирования необходимо заложить такие инженерные решения, которые бы способствовали эффективности эксплуатации АИС. На физическом уровне разработка АИС означает разработку системы обработки информации, которая включает в себя средства и процессы организации обработки, Если считать, что средства выбираются на уровне концептуаль­ного и логического проектирования и в дальнейшем могут под­вергаться только уточнению на стадии физического проектирова­ния, то наиболее трудно здесь будет решаться задача построения процедур организации обработки информации. Процесс обработ­ки данных складывается из внемашинной и внутримашинной ча­стей. Внемашинная часть определяется действующими на предприятии документооборотом, системой кодирования инфор­мации и принятыми ранее процедурами обработки. Внутрима-ш и и и а я часть характеризует процесс обработки данных на ЭВМ. Эта часть является основной, определяющей эффективность организации вычислительного процесса. Для внутримашинной части прежде всего надо определить некоторую стратегию обра­ботки информации, создать специальное алгоритмическое и программное обеспечение, найти план организации процесса обра­ботки.

Стратегия обработки информации должна исходить из того, что для каждой задачи существует наиболее благоприятное вре­мя ее решения и может быть создан гипотетический идеальный план организации вычислительного процесса» при котором каж­дая задача решается в наиболее благоприятный для нее интервал времени, образуемый от момента запуска задачи до момента ее выпуска. При идеальном плане организации вычислительного процесса должен существовать и некоторый идеальный план по­требностей вычислительных ресурсов. Здесь могут быть различ­ные подходы к расчету ресурса. Можно считать суммарный ре­сурс на каком-то интервале времени (например, на интервале времени оптимизации для функциональных задач) или некото­рый критический ресурс более напряженных участков времени.

Задачи в АИС обычно носят такой характер, что последую­щая задача может быть решена после получения результатов решения предыдущей. В этом смысле получается совокупность задач, распределяемых последовательно-параллельно во време­ни, которая определяет вычислительный процесс.

Каждая задача по мере необходимости ее решения обраща­ется с запросом в вычислительную систему. Совокупность всех запросов может быть представлена ориентированным графом, где вершина соответствует запросу, а дуга восстанавливает отно­шение предшествования между запросами. Такой граф запросов по существу определяет и граф взаимной связи между исходны­ми данными задачи. Каждая задача для своего решения должна иметь вычислительный алгоритм, т. е. необходимо организовать специальное алгоритмическое и в соответствии с ним програм­мное обеспечение системы. В итоге образуется определенный сос­тав алгоритмов и соответствующих им наборов данных, которые необходимо реализовать по мере возникновения задач. Совокуп­ность наборов данных, хранимых во внешней памяти машины, отображается в виде информационной базы, а множество алго­ритмов по решению задач реализуется в виде специального прог­раммного комплекса.

Вычислительный алгоритм, как и обычный, может быть пред­ставлен в виде вычислительных модулей, выполняющих отдель­ные функции в алгоритме. Совокупность вычислительных моду­лей, взятых с учетом подчиненности, называют вычислительной схемой алгоритма. Вычислительные схемы алгоритма, объединен­ные в едином графе, называют вычислительным графом системы обработки информации. Имея стратегию обработки информации, а также зная алгоритмы обработки для каждой задачи, можно перейти к планированию вычислительного процесса в АИС.

Вычислительный процесс в АИС по своему характеру явля­ется технологическим процессом, где в качестве элементов техно­логии выступают определенные вычислительные схемы алгоритмов в виде последовательности решения задачи. Вычислительный процесс—это некоторая последовательность совокупности от­дельных задач с учетом принятых ограничений на ресурсы. Все задачи, решаемые в АИС, можно разделить по моментам запуска на следующие группы: периодические с фиксированным момен­том запуска—выпуска, периодические с произвольным момен­том решения и задачи со случайным периодом.

У читывая, что обычно функции АИС являются заранее извест­ными, интервалы планирования и оптимизации по большинству задач — заданными и повторяемыми в течение длительных перио­дов времени, сталкиваются с процессом, который в среднем мож­но считать детерминированным, а поэтому правомерно планиро­вать его заранее, исходя из некоторых общих критериев. Одним из таких критериев является экономический. Для любого алго­ритма существует некоторый оптимальный интервал времени, на котором он должен быть реализован в вычислительной системе. Ранее этого интервала от­сутствует требуемая ис­ходная информация, поз­же его управляющее ре­шение окажется запоздав­шим, и решать задачу бесполезно. Поэтому мож­но считать, что существу­ет некоторая область во времени, которая являет­ся допустимым интерва­лом принятия решения,

и именно за этот интервал должна быть решена задача по дан­ному алгоритму. Значит не позже чем в течение этого интерва­ла должен быть осуществлен запуск данного алгоритма, а отсю­да момент запуска алгоритма является исключительно акту­альным.

На рис. 4.1 представлена функция эффективности в зависи­мости от момента запуска. Видно, что из-за наличия периода (Г) поступления данных с производства эффективность запуска (Эз) становится убывающей ступенчатой функцией. Не менее акту­альным является и момент выпуска алгоритмов, задержка кото­рого относительно срока принятия решения приводит к резкому снижению ценности. На рис. 4.1 представлена зависимость эф­фективности выпуска (Эд) алгоритма от времени. Видно, что эф­фективность есть возрастающая ступенчатая функция на интер­вале решения задач. Объединение этих функций позволяет найти суммарную эффективность алгоритма по времени его запуска— выпуска (рис. 4.2). Суммарная эффективность (Э) имеет экстре­мальный участок, соответствующий минимуму потерь. Он назы­вается зоной наибольшего благоприятствования алгоритма. Учи­тывая наличие таких благоприятных зон, необходимо решить

задачу планирования и управления вычислительным процессом, т. е. определить вычислительные характеристики функциональ­ных задач, найти оптимальное распределение вычислительных ресурсов и назначить, как выше указывалось, оптимальные мо­менты запуска — выпуска задач АИС. Первичным в решении является определение моментов запуска—выпуска задач. Опти­мальному плану будет соответствовать такой, при котором мини­мизируются основные виды ресурсов: фонд времени центрально­го процессора, фонд времени каналов ввода и вывода, объемы оперативной и внешней памяти вычислительной системы. Для получения такого плана обычно должна быть принята некоторая операционная система и определен режим. Чаще всего выбира­ется режим мультипрограммирования, а в этих условиях необ­ходимо задавать не только моменты начала решения задач, но и моменты окончания, т. е. необходимо найти план оптимально­го управления как по запуску, так и по выпуску задачи. Учиты­вая наличие дискрета по управлению различными функциональ­ными задачами АИС, надо в оптимальном плане добиваться то­го, чтобы момент окончания задачи совпадал с началом требуе­мого дискрета времени по управлению. В общем ви­де решение задачи синте­за множества оптималь­ных управлений является сложной научной пробле­мой, поэтому при конкрет­ных решениях проводят декомпозицию общей мо­дели управления вычис­лительным процессом и на базе частных моделей получают рекомендации по планированию вычислительного про­цесса в целом как результату последовательности реализации отдельных частных задач. Оптимизация вычислительного про­цесса может быть достигнута путем некоторой детализации вы­числительных задач и разбиения их на составные части—за­дания.

Если составить общий список всех заданий и по графам вза­имосвязи задач с учетом необходимых исходных данных найти связь между ними, т. е. составить граф упорядочения заданий, то можно найти последовательность заданий, вытекающую из необходимости наличия определенных исходных данных. При на­личии функции эффективности методом перебора можно найти рациональную последовательность запуска заданий, которая бу­дет соответствовать наилучшим показателям эффективности. Тог­да задача управления вычислительным процессом переходит в задачу управления отдельными заданиями как составными ча­стями задач АИС. К ним можно применить теорию расписания.

Отдельные задачи не требуют оперативности решения, по­этому рационально использовать режим пакетной обработки информации, когда совокупность заданий собирается в пакет. Де­терминированный пакет заданий со случайно воз и икающими за­просами задач является наиболее употребимым в настоящее вре­мя для построения вычислительного процесса в АИС. В делом модель вычислительного процесса должна учитывать особенно­сти объекта управления и обеспечить четкую событийно-времен­ную связь между ходом процесса производства и реализацией вы­числительного процесса в АИС.