Ступина А.А. Моделирование управляемых процессов. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 4.12. Панель результатов

Таким образом, в пакете «NVS Designer» можно реализовывать одно-

критериальные модели и алгоритмы формирования технологического цикла

управления (ТЦУ) и мультиверсионного ПО исполнения задач управления с

использованием подхода объектно-ориентированного программирования.

Практическая часть

Выбор алгоритма планирования

Виды требований РВ, поддерживаемые планировщиком. Во многих

системах можно заранее установить множество задач, которые будут исполь-

зоваться, и предположить их характеристики работы в худшем случае. При

этом можно либо провести фиксированное планирование, которое будет

удовлетворять требованиям системы, либо определить предварительные при-

оритеты задач.

Следующие ограничения будет возможно задавать с помощью создавае-

мого планировщика. Они основаны на временном поведении задач.

Абсолютные ограничения

Интервал выполнения. Устанавливает интервал, предоставляемый за-

даче для выполнения. Задаётся в микросекундах или как часть интервала вы-

полнения всех задач. Определяет приоритетность определённой задачи на

данном этапе вычислений. Может динамически изменяться.

Время реакции. Характеризует время, за которое должен быть получен

отклик на внешнее воздействие. При превышении данного времени задаче

выделяется больше ресурсов при помощи приостановки менее приоритетных

задач.

Время выполнения. Выражает время выполнения задач в худшем слу-

чае. При превышении времени выполнения задача останавливается. В специ-

альный стек «неуложившихся в срок» записывается её идентификатор. Для

мягких задач данный параметр не фиксирован. Этот показатель также важен

для распределённых (многопроцессорных) систем, где время выполнения за-

дачи может зависеть от узла, на котором она выполняется.

Периоды. Период показывает, как часто задача должна выполняться.

Период может ограничивать время реакции задачи, поэтому время реакции

предполагается меньшим периода.

Относительные ограничения

Ограничения данного класса также называют локальными. Они выража-

ют взаимосвязь между собой двух задач.

Приоритетные ограничения. Приоритетные ограничения определяют

задачи, которые предполагается блокировать при угрозе невыполнения срока

данной задачи. В первую очередь происходит блокировка мягких задач.

Ограничения расстояния. Данные ограничения определяют мини-

мальное расстояние во времени между выполнением двух задач.

Обновление. Этот тип ограничений противоположен предыдущему.

Ограничения обновления влияют на порядок выполнения задач. Для взаимо-

связанных задач можно задать выделение интервала выполнения первой

перед второй. Эти ограничения также зависят от архитектуры системы, так

как поведение системы моделируется как последовательность действий. Это

может быть необходимо, например, в случае, когда одна задача использует

результаты работы другой, и если между ними пройдёт относительно

большой промежуток времени, то результаты могут оказаться устаревшими.

Гармонические ограничения. Эти ограничения связаны с периодами

двух взаимодействующих задач. Они имеют место, например, когда период

одной задачи - например, получателя зависит от периода другой - отправите-

ля.

Неподдерживаемые ограничения

Отношения. Данные ограничения выражают максимальный интервал

времени между временами завершения двух задач.

Разделительные ограничения. Ограничения выражают интервал, ко-

торому должен принадлежать период задачи. Период может быть ограничен

минимальными и/или максимальными значениями, которые гарантируют, что

необходимые действия будут выполнены в полученный интервал.

Выбор алгоритмов, подходящих для решения поставленной задачи

Выбор того или иного метода планирования зависит от назначения си-

стемы. В системах контроля, на которые ориентирован планировщик, все дан-

ные должны быть чётко определены заранее. В этом случае статический алго-

ритм более уместен. Однако, статические методы планирования не являются

достаточно гибкими, так как для обеспечения корректной работы системы за-

ранее необходимо предусмотреть все возможные ситуации.

Немного более гибким является подход, в котором расписание генери-

руется оперативно. В этом случае для каждой задачи заранее определяются:

время реакции и время выполнения. Рассмотрим планирование, основанное

на времени. Время реакции задаёт интервал, в течение которого предполага-

ется ответ системы и после которого возникает угроза пропуска срока, требу-

ющая выделения дополнительных ресурсов для задачи. Время выполнения за-

даёт интервал, после выхода за границы которого, задача считается невыпол-

ненной и требуется уже приостановка выполнения задачи для сохранения ста-

бильности всей системы в целом.

Для динамического перераспределения ресурсов системы можно ис-

пользовать политику управления – round-robin. В этом случае процесс выпол-

няется либо пока выделенный ему квант времени не истечёт, либо пока не бу-

дет приостановлен другим процессом с более высоким приоритетом. После

того, как время, выделенное для данного процесса, истечёт, активируется сле-

дующий готовый к запуску процесс.

Когда процесс получает более высокий приоритет и приостанавливает

выполнение текущего, планировщик сохраняет контекст, приостановленного

процесса для того, чтобы далее продолжить его выполнение с места приоста-

новки. Приостановленный процесс остаётся готовым к запуску.

Процессы в списке готовых к запуску задач должны быть упорядочены,

согласно методу EDF, в порядке возрастания времени реакции. При наличии

блокировки запускаются только задачи с приоритетом выше или равным при-

оритету инициировавшей блокировку задачи.

Подготовка к запуску планировщика

Главная программа запускает функцию инициализации планировщика,

в которую передается массив структур, состоящий из указателей на планируе-

мые процедуры и из параметров выполнения. В число параметров входят:

идентификатор (задается главной программой), приоритет, интервал/квант

выполнения, время реакции, время выполнения (для мягких задач может не

определяться), период (для периодических функций), количество запусков

или время работы (для спорадических задач), порядок, относительно других

задач. Также возможна передача указателя на входные параметры процедуры.

В планировщике создается список задач, процесс-таймер, для формиро-

вания последовательности сообщений для планировщика.

Во время работы планировщика главная программа выполняет вызовы

функции, отсылающей сообщения о начале работы определённой задачи.

Планировщик создаёт отдельные процессы для каждого задания. Запущенные

задачи сами могут вызывать функции планирования для себя или других за-

дач.

Таймер получает от планировщика сообщения и создаёт соответствую-

щие метки отсылки сообщений для планировщика. В дальнейшем по дости-

жении метки таймер посылает планировщику сообщение инициировать рабо-

ту определённой задачи. Если это метка периодической или спорадической

задачи, то таймер создаёт через «период» следующую. Планировщик посыла-

ет процессам-заданиям сигналы начала кванта времени для выполнения.

При выходе определённой задачи за пределы времени реакции, таймер

посылает сообщения о блокировании тех задач, у которых приоритет меньше.

Если одновременно происходит выход за пределы у двух одинаково приори-

тетных задач, то они продолжат выполняться вместе.

Управление задачами

Во многих системах можно заранее установить множество задач, кото-

рые будут использоваться, и предположить их характеристики работы в худ-

шем случае. При этом можно либо провести фиксированное планирование,

которое будет удовлетворять требованиям системы, либо определить предва-

рительные приоритеты задач. Однако неизбежно возникает необходимость

изменения текущего режима/состояния системы. Выделяются следующие

типы операций по изменению режима.

Добавление задачи. Планировщик принимает сообщение об активации

задачи, и помещает в число готовых к запуску с учётом абсолютных и отно-

сительных ограничений. Добавляется запись в процесс-таймер.

Изменение интервала выполнения задачи. Принимается сообщение

об изменении интервала. Если задача, для которой он должен быть измен, ак-

тивна, то она приостанавливается. Интервал изменяется. Затем цикл вычисле-

ний продолжается, начиная с этой задачи.

Изменение периода выполнения периодической задачи. Планиров-

щик принимает сообщение и посылает к процессу-таймеру сигнал на измене-

ние метки времени, соответствующей данной задаче.

Изменение времени реакции, времени выполнения или приоритета.

Принимается сообщение о необходимости изменения параметра. Если задача,

для которой он должен быть измен, активна, то она приостанавливается. Уда-

ляется соответствующая метка в таймере. Параметр изменяется. Устанавлива-

ется новая метка в таймере. Если время реакции равно 0, то блокируются за-

дачи с приоритетом меньшим, по сравнению с данной задачей.

Удаление задачи. Задача завершает своё выполнение и посылает пла-

нировщику сообщение на удаление её из списка готовых к выполнению задач.

Планировщик так же удаляет задачу, вышедшую за пределы выделенного ей

времени выполнения.

Формирование входной информации

Диалоговая система формирования ТЦУ функционирует на техниче-

ских средствах автоматизированных рабочих мест проектировщика и предна-

значена также для автоматизации процесса подготовки исходных данных для

создания ПО ТЦУ в определенной области. В рамках этой системы решаются

задачи формирования, анализа и коррекции ТЦУ, а также формирования си-

стемы исходных данных для этапа выбора оптимального состава мультивер-

сий ПО.

Рассмотрим формирование входной информации, необходимой для ра-

боты диалоговой системы формирования технологического цикла управления

в среде проектирования систем управления «NVS Designer».

В режиме описания задач ТЦУ информация имеет следующий вид:

– «Имя задачи»;

– «Количество входных параметров»;

– «Входные параметры»;

– «Количество входных параметров»;

– «Выходные параметры»;

– «Время реализации задачи».

Описание ТЦУ на этапе формирования представляется в виде:

– «Имя ТЦУ»;

– «Количество этапов»;

– «Номер этапа»;

– «Количество задач на этапе»;

– «Имена задач».

Данное представление соответствует виду ТЦУ, рассматриваемом при

условии, что граф ТЦУ распадается на ряд этапов. На каждом этапе выполня-

ется множество задач обработки информации и управления. На этом же этапе

формируется вектор временной развертки ТЦУ.

При подготовке спецификаций компонент пользователь определяет

проектную информацию, которая зависит от уровня детализации и формируе-

мых на этапе выбора оптимального состава ПО критериев.

В процессе функционирования диалоговая система формирования ТЦУ

выдает пользователям следующие виды информации: сообщения о ходе

функционирования диалоговой системы формирования ТЦУ; диагностиче-

ские сообщения; выходная рабочая информация, которая используется при

формировании оптимального состава ПО.

Пример. Предприятие производит продукцию на технологической ли-

нии. Поставщик доставляет сырье. Сборка первых двух деталей производится

на станке на первом сборочном узле. Длительность процесса составляет 20

минут. Другие два шага сборки определяются аналогичным образом. Конеч-

ный продукт получается после трех шагов сборки. Опись сырьевых материа-

лов и компонентов, из которых изготовляется продукт, приведена на рис.

4.13.

Описание задач процесса сборки можно представить в табличном виде

(табл. 2).

Таблица 2

Задачи ТЦУ процесса сборки

Имя

задачи

Время реа-

лизации

Номер

устройства

Количество

входных па-

раметров

Входные

параметры

Количество

выходных

параметров

Выходные

параметры

20 мин. 1 2

1 СУ

20 мин. 2 2

СУ

1 СУ

40 мин. 3 2

СУ

1 СУ

Пример описания ТЦУ в виде многоэтапного процесса выполнения за-

дач обработки информации и управления представлено в табл. 3.

Таблица 3

Описание этапа сборки

Номер этапа Количество задач на этапе Имена задач

2 3

Задача С

Сборочный узел 3

Сборочный узел 1

Деталь K

Деталь M

Деталь L

Сборочный узел 2

Деталь K

= 20 минут

3 =

40 минут

3 4

5 6

общ =

80 минут

Рис. 4.13. Ведомость материалов этапа сборки

Описание информационного графа взаимосвязи задач ТЦУ осуще-

ствляется посредством входных и выходных параметров. Описание представ-

ляет собой множество кортежей, где кортеж – это структура данных, описы-

вающих задачу, и представляющая собой запись в следующем формате:

– номер задачи (вершины графа);

– мощность множества соседства (количество вершин, с которыми свя-

зана данная).

Форма представления информационного графа дана в табл. 4.

Таблица 4

Информационный граф

№ п.п.

Номер

вершины

Мощность

множества соседства

Множество

соседства

1 1 1 2

2 3 1 4

3 5 1 6

4 7 - -

Указанные формы представления информации в составе типовых диа-

логовых процедур формирования ТЦУ для технологической линии использу-

ются в среде проектирования систем управления «NVS Designer».

Варианты заданий

На технологической линии предприятия производится некая продукция.

Производство включает несколько этапов и осуществляется из различных

компонентов. Количество этапов, сборочных узлов и компонентов, а также

общие затраты времени представлены в табл. 5.

Таблица 5

Исходные данные

№ варианта

Количество эта-

пов

Количество

узлов

Количество за-

дач

Общее время,

мин.

1 2 4 11 120

2 2 5 13 160

3 1 4 10 120

4 3 5 13 150

5 2 4 11 130

6 2 5 12 180

7 2 6 13 180

8 3 6 14 170

9 1 4 9 110

10 2 5 14 130

Спроектировать планировщик задач, представленный системой управ-

ления, построенной на принципах методологии мультиверсионного програм-

мирования.

1) Построить ведомость материалов. Распределить узлы и задачи по

этапам, а также общие затраты времени между узлами, с учетом того, что на

одном этапе должно быть не менее 2 задач и максимальное время на узле не

может превышать 40 мин.

2) Описать задачи процесса в табличном виде.

3) Описать ТЦУ в виде многоэтапного процесса выполнения задач об-

работки информации и управления.

4) Описать информационный граф.

5) Выбрать алгоритм решения задачи.

6) Задать число задач и число классов в системе.

7) Варьируя параметрами в системе проектирования и изменяя условия,

предъявляемые к системе управления, рассмотреть разные проекты.

8) Выбрать один или несколько проектов, исходя из минимальной стои-

мости и высокой надежности. Обосновать свой выбор.

9) Установить необходимые ограничения и выбрать метод оптимизации

для построения оптимальной структуры системы управления.

10) Рассмотреть отображенную информацию о параметрах алгоритма и

информацию, описывающую работу алгоритма в реальном времени.

11) Задать параметры алгоритма (метод пересчета вектора вероятностей

и значения параметров R и r) и запустить оптимизационную процедуру.

После выполнения работы составить отчет, написать выводы.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Зиндер Е.3. Новое системное проектирование: информационные

технологии и бизнес-реинжиниринг // СУБД. 2005. N.4. 2006. N.I.

2. Ивлев В.А., Попова Т.В., Павлов Л.Н. Реорганизация АСУ про-

мышленных предприятий // Компьютер ПРЕСС. 2007. Июль.

3. Юдицкий С.А., Кутанов А.Т. Технология проектирования архи-

тектуры информационно-управляющих систем. М.: ИПУ, 2003.

4. Ежеманская С.Н. Эконометрика: Серия «Учебники, учебные посо-

бия».– Ростов н/Д: Феникс, 2003.– 160 с.

5. Гома Х. UML. Проектирование систем реального времени, рас-

пределенных и параллельных приложений.// ДМК, 2005. – 704 с.

6. Саймон Хайкин Нейронные сети: полный курс // 2-е издание, Диа-

лектика–Вильямс, 2005. – 1104 с.

7. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. – М.: Наука,

2007.- 400 с.

8. Вендров А.М. CASE-технологии. Современные методы и сред-

ства проектирования информационных систем. – М.: Финансы и статистика,

2006. – 176 с.

9. Гейн К., Сарсон Т. Системный структурный анализ: средства и

методы. М.: "Эйтекс", 1992.

10. Армстронг Дж. Р. Моделирование цифровых систем. – М.: Мир,

1992. – 174 с.

11. Бендат Дж., Пирсол А. Прикладной анализ случайных данных. –

М.: Мир, 1989. – 540 с.

12. Бычков С.П., Храмов А.А. Разработка моделей в системе модели-

рования GPSS. Учебное пособие. М.: МИФИ, 1997. – 32с.

13. Калянов Г.Н. CASE структурный системный анализ (автоматиза-

ция и применение). М.: Издательство "ЛОРИ", 1996. – 242 с.

14. Киндлер Е. Языки моделирования. – М.: Энергия, 1985. – 288 с.

15. Марков А.А. Моделирование информационно–вычислительных

процессов. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. – 360 с.

16. Математическая теория планирования эксперимента / Под ред.

С.М. Ермакова. – М.: Наука, 1983. – 392 с.

17. Математическое моделирование: Методы, описания и исследова-

ния сложных систем / Под ред. А.А. Самарского. – М.: Наука, 1989. – 128 с.

18. Питерсон Дж. Теория сетей Петри и моделирование систем. – М.:

Мир, 1984. – 264 с.

19. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. Учебник для

ВУЗов. – М.: Высшая школа, 1985. – 320 с.

20. Системный анализ в исследованиях и управлении: Метод. указа-

ния к лабораторным занятиям/ Масич И.С., Ступина А.А.: СибГАУ. – Красно-

ярск, 2004 г.

21. Организация взаимодействия человека с техническими средства-

ми АСУ. В 7 кн. Кн.2. Языковые средства диалога человека с ЭВМ. Практиче-

ское пособие / Филиппович Ю.Н., Родионов Е.В., Черкасова Г.А. Под ред.

В.Н.Четверикова. М.,1990.

22. Аверкин А.Н., Блишун А.Ф., Гаврилова Т.А., Осипов Г.С. Приоб-

ретение и формализация знаний // Искусственный интеллект. Кн 2. Под ред.

Поспелова Д.А., 1990.

23. Воробьев С. Н., Лазарев И. В. Алгоритм распознавания конфигу-

раций звезд// Журнал «Информационно-управляющие системы, вып. 2, 2008.

24. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. Практикум. -

М.: Высшая школа, 1999. – 224 с.

25. Нейроинформатика: Учеб. пособие для студентов / Е.М. Миркес.

Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2002, 347 с.