Software & Systems

Создание высокоэффективного комплекса корабля как сложной системы "корабль - вооружение - средства обеспечения базирования" немыслимо без широкого внедрения электронно-вычислительной техники (ЭВТ) в научные исследования. Однако практика внедрения ЭВМ при создании вооружения (В) и военной техники (ВТ) показала, что использование ее для решения отдельных, не связанных в единую систему задач малоэффективно. Лишь создание системы автоматизированного исследовательского проектирования (САИПР) позволяет в едином комплексе решать и оценивать во всем своем многообразии характеристики корабля, касающиеся его создания, эксплуатации и функционирования как сложной системы с целью выделения оптимальных соотношений оперативно-тактических, технических и экономических характеристик корабля в целом. Решение этих вопросов при обосновании перспективных планов военного кораблестроения (В К) и тактико-технических заданий (ТТЗ) на новые корабли и суда ВМФ, в том числе и на В и ВТ, происходит на этапе исследовательского проектирования (ИП).

Рассмотрим современную САИПР как человеко-машинную систему, состоящую из четырех основных подсистем:

-     техническое обеспечение, понимаемое как совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих технических средств;

-     программное обеспечение, расцениваемое как совокупность машинных программ, необходимых для выполнения автоматизированного проектирования;

-     математическое обеспечение, рассматриваемое как совокупность математических методов, моделей и алгоритмов проектирования;

-     человек-пользователь, осуществляющий в диалоге с ЭВМ процесс проектирования.

Влияние САИПР на обеспечение высокого качества создаваемого корабля и его боевой эффективности идет через повышение эффективности научных исследований, повышения качества обоснования ТТЗ на новые корабли и суда ВМФ и повышения качества работ непосредственно при научно-техническом сопровождении вновь проектируемых кораблей в промышленности, включая их приемку в состав ВМФ и эксплуатацию.

Комплексное рассмотрение влияния САИПР на качество кораблей является не только большой научной проблемой, но и требует определенных организационных начал при совместной работе всех специализированных институтов МО РФ, т.е. обеспечение системной организации их взаимоотношении при создании новых проектов кораблей как единой системы. В обеспечение вышеизложенного в конце 1977 г. в 1-м ЦНИИ МО была принята в эксплуатацию первая в нашей стране САИПР "Чертеж" на отечественной технике с уникальным оборудованием, изготовленным в СКБ ИК АН УССР.

Данная система представляла собой единый программно-технический комплекс, построенный на базе ЭВМ БЭСМ-6, состоящий из специальных периферийных устройств, системного программного и математического обеспечения (рис. 1).

Рис 1. Структура МВК САИПР "Чертеж-1"

Чтобы выявить направленность дальнейшего развития САИПР в интересах системного подхода в проектировании кораблей и судов ВМФ, проведем анализ ее эволюционного развития по всем четырем подсистемам.

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА САИПР "ЧЕРТЕЖ"

Первоначально планировалось иметь единую централизованную структуру САИПР "Чертеж-1", включающую три выносных терминала (экраны: устройства оперативного отображения графической и алфавитно-цифровой информации - УОГИ), обеспечивающих отображение трех проекций корабля с единым пультом управления проектанта (пульт главного конструктора). Фактически по проекту "Чертеж-1" имел одно рабочее место. В дальнейшем после приемки системы в эксплуатацию была проведена ее модернизация, которая обеспечила работу трех проектантов за каждым экраном автономно (три рабочих места). С появлением в конце 70-х годов отечественных и венгерских видеотерминалов число рабочих мест в начале 80-х годов было увеличено до 14 при сохранении той же конфигурации системы. Однако при этом одновременно в мультитайпном режиме могло работать лишь 8 пользователей. Дальнейшее их увеличение перегружало БЭСМ-6 и делало работу неэффективной.

Таким образом, система стала приобретать децентрализованную модульную структуру: модуль - центральный процессор; модуль - алфавитно-цифровые дисплеи; модуль - графические дисплеи; модуль - стол - графопостроитель и т.п.

Дальнейшее эволюционное развитие САИПР "Чертеж-1", удовлетворяя требованию массового ее использования, привело к созданию многомашинного вычислительного комплекса (МВК) - "Чертеж-2", включающего в себя разнородные ЭВМ.

При исследовании различных вариантов распределения функций между ЭВМ МВК системы "Чертеж-2" была признана наиболее эффективной и отвечающей задачам автоматизированного ИП двухуровневая структура, приведенная на рисунке 2.

Рис 2. Структура МВК САИПР "Чертеж-2п

На верхнем уровне иерархии находится главная, центральная ЭВМ (ЦЭВМ) БЭСМ-6, которая связана с тремя мини-ЭВМ (две СМ-4 и СМ-1420), составляющими второй уровень иерархии. По отношению к ЦЭВМ эти машины выполняют роль периферийных ЭВМ (ПЭВМ).

Связь ЦЭВМ с каждой из ПЭВМ осуществляется по отдельному каналу с высоким быстродействием (скорость передачи данных 300000 байт/с). В качестве прототипа межмашинной связи взят вариант сетевого соединения БЭСМ-6 с другими типами ЭВМ, разработанный в ОИЯИ (г.Дубна).

Все ПЭВМ попарно связаны между собой и образуют кольцевую структуру. Связь между ПЭВМ осуществляется по терминальному интерфейсу.

Важной особенностью созданного МВК является применение в нем мини-машин типа СМ-1420. В соответствии с выбранной концепцией построения МВК САИПР "Чертеж-2" на них перенесены функции по управлению линиями связи и устройствами ввода-вывода, буферизации данных, обработки сообщений, а в некоторых случаях - функции редактирования текстовой информации. Это позволило при проведении проектных исследований высвободить от непроизводительной работы дефицитные ресурсы ЦЭВМ БЭСМ-6.

Разработанная структура построения МВК САИПР "Чертеж-2" позволила:

-    реализовать параллелизм процесса исследований и проектирования в САИПР "Чертеж-2";

-    разгрузить ЦЭВМ от части работ, перенеся их на ПЭВМ типа СМ-4;

-    увеличить число рабочих мест проектантов (за счет терминалов, подключенных к ПЭВМ);

-    обеспечить автономную (во время профилактики ЦЭВМ) работу на ПЭВМ по вводу, подготовке и анализу данных для пакетов прикладных программ (ППП) автоматизированного ИП (АИП).

Дальнейшее развитие системы "Чертеж" шло по линии внедрения в практику отечественного кораблестроения новых информационных технологий, повышения обоснованности и качества выполняемых исследований на базе современной вычислительной техники.

Опыт использования САИПР показал, что только полная комплексная кибернетизация по всем направлениям деятельности Института может привести к увеличению эффективности его научных исследований, к массовому использованию ЭВТ всеми категориями служащих. Исходя из функционального назначения, на основе исследования информационных потоков в процессе деятельности Института было принято решение, что наиболее целесообразно строить новую САИПР "Чертеж-3" на основе локальной вычислительной сети (ЛВС) с шинной конфигурацией типа Ethernet. В качестве главной ЭВМ сети использовался компьютер VAX-3200, который объединяет в единый программно-технический кластер еще одну ЭВМ -VAX-3200 — и 2 АРМа на базе рабочих станций VAX-3500. Кроме того, в состав ЛВС входят АРМы на базе ПЭВМ (IBM PC AT/XT) и различное периферийное оборудование (графопостроители, дигитайзеры, сканеры, принтеры, графические дисплеи с большой разрешающей способностью и др.).

В качестве передающей среды используется коаксиальный кабель Ethernet типа EO-BNE2A-МЕ. Для расширения топологии сети за пределы указанного сегмента используются сегменты тонкого кабеля. С целью увеличения абонентов сети к моноканалу может быть подключен DECSERVER 200, который позволяет включить

в сеть дополнительно 8 абонентов по интерфейсу RS-232. Скорость передачи обеспечивается 10 Мбит/с. Учитывая функциональную структуру Института, АРМы на базе ПЭВМ отдельных подразделений были объединены между собою, используя модемную связь или RS-232 с помощью специализированных устройств сопряжения - мультиплексоров ORLAN (фирма "Солярис" г. С.-Петербург).

Вариант структурной схемы ЛВС приведен на рисунке 3.

Объединение средств ЭВТ Института в интегрируемую ЛВС позволило на порядок увеличить эффективность научных исследований, получить дальнейшее развитие и совершенствование графического интерфейса, тем самым обеспечив качество графо-аналитических методов проектирования.

ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Уникальность системы "Чертеж", обусловленная уникальностью технических средств, подключаемых к БЭСМ-6, потребовала разработки специального программного обеспечения как на уровне операционной системы, так и на всех других уровнях, которое постоянно совершенствуется в части развития системного сервисного обеспечения, а также ППП из опыта проектирования корабля как системы.

На ЭВМ БЭСМ-6 в рамках САИПР "Чер-теж-2" функционировала операционная система "Дубна", на ЭВМ СМ-4 - ОС РВ. Базовое программное обеспечение БЭСМ-6 и СМ-4 было дополнено специальными блоками, обеспечивающими связь между ЭВМ на физическом уровне, на уровне операционных систем, на прикладном уровне. Для обеспечения нижнего уровня взаимодействия прикладных процессов, протекающих на разных ЭВМ, на СМ-4 разработан набор программ в виде CALL-интерфейсов. Эти программы оформлены как законченные модули и ориентированы на непосредственное использование их проектантами. Созданы дополнительные системные программные модули, поддерживающие режим диалога, обмен данными и т.д.

Итак, разработанное в процессе создания САИПР "Чертеж-2" базовое программное обеспечение поддерживает как прохождение прикладных процессов на каждой ЭВМ сети, так и взаимосвязь между прикладными процессами на ЦЭВМ и любой ПЭВМ.

При разработке общесистемного программного обеспечения (ОПО) САИПР "Чертеж-3" были использованы стандартные ОС и ПО существующих ЛВС.

В состав разработанного ОПО вошли следующие основные компоненты:

-     сетевое программное обеспечение (интерфейс программиста и конечного пользователя, средства организации сеанса и управления вВС, средства обеспечения синхронизации доступа к данным в узлах ВС);

-     средства авторизации и доступа к узлам ВС;

-  ОС узла ВС (системы программирования прикладных задач, интерфейс программиста и конечного пользователя и ОС);

—   средства обеспечения надежности функционирования ПО (тестирование ПО и технических средств, архивирование и резервное копирование данных, распознавание вирусов и защита).

Укрупненная схема ОПО рассмотрена на рисунке 3.

Дальнейшее развитие общепрограммного обеспечения должно идти по линии создания комплекса специальных программных средств, интегрируемых в единую систему с использованием ЛВС с общей информационной базой, реализованной на принципах распределенной обработки информации. Данная интегрированная среда программно-информационных средств порождения САИПР не должна зависеть от функциональной ориентации отдельных САИПР и должна обладать свойствами адаптации и интеграции в обобщенной информационной среде ЛВС.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Совершенствование и развитие математического обеспечения в наибольшей степени зависит от глубины проводимых исследований, их современности и получения необходимых, принципиально новых научных результатов, ведущих к повышению боевой эффективности, создаваемой В и ВТ.

Развитие математического обеспечения, как правило, происходит в рамках НИР подразделений по кругу решаемых ими задач. При этом основные результаты, полученные в НИР, должны представляться как конечный продукт в виде ППП, включенного в комплексную методику САИПР. Тогда действительно решенная научная проблема найдет практическое применение в ИП корабля, что, с одной стороны, позволит объективно оценить вклад проведенных исследований в практическую деятельность, с другой - будет влиять на повышение качества продукции, т.е. корабля в целом.

Начиная с 70-х годов, параллельно с созданием САИПР "Чертеж" в 1-м ЦНИИ МО начался комплекс научно-исследовательских работ по созданию методологических основ автоматизированного исследовательского проектирования (АИП) кораблей и судов ВМФ, в результате которых к моменту приемки системы "Чертеж" в эксплуатацию было разработано системное наполнение комплексом ППП по проектным исследованиям различных классов кораблей. Некоторая их характеристика дается в последующих статьях.

За 20 с лишним лет в 1-м ЦНИИ МО накопился большой объем ППП, комплексных методик АИП. Одна из первостепенных задач Института - вести все разработки, связанные с развитием автоматизации научных исследований, с учетом преемственности ранее выполненных работ в этой области. На практике это реализуется разработкой ОПО и специального программного обеспечения (СПО) и созданием новой информационной технологии проектирования.

ЧЕЛОВЕК-ПОЛЬЗОВАТЕЛЬ

САИПР, как уже говорилось, является человеко-машинной системой. В связи с этим проблема повышения эффективности САИПР как системы коллективного пользования, обеспечивающей работу в режиме разделения времени и в мультипрограммном режиме, непосредственно связана с организацией информационного взаимодействия пользователя с ЭВМ.

В целом эта проблема включает в себя технические и организационные аспекты.

Технические аспекты зависят от качества периферийного оборудования, средств отображения и приема информации, стремления разработчиков ЭВМ обеспечить увеличение объема памяти и скорости вычислений. Однако эффективность САИПР для пользователя определяется прежде всего скоростью получения им окончательного результата в контуре решения задачи.

Организационные аспекты включают в себя разнородный характер информационных потребностей пользователя, различный уровень подготовленности пользователя к общению с ЭВТ, профессиональные особенности постановки задачи и интерпретации результатов.

Процесс АИП не исключает управляющей деятельности человека, он лишь приводит ее к трансформации, к перемещению основных операций на новый уровень - уровень все более сложных и тонких интеллектуальных процессов, связанных с приемом и переработкой большого количества информации, с принятием решений и передачей команд на исполнение действий и операций.

Разделяя функции как бы между человеком и машиной, можно сказать, что САИПР, ее информационное и математическое обеспечение представляют собой тактический инструмент решения задачи, пользователь же всегда остается носителем стратегического мышления. Надо еще иметь в виду, что, используя САИПР, научный сотрудник приобретает способность решать такие задачи, которые без машины оставались бы для него недоступными, а в ряде случаев и не могли бы быть точно сформулированы. Анализ основных направлений человеческого фактора в автоматизированных системах показывает, что чем более автоматизируется в машинных процессах деятельность человека, тем более повышается ее психический уровень, тем более человек может проявить в ней свою субъективность, свои творческие силы, инициативу и способности - а ведь это самое необходимое условие повышения эффективности научных исследований, а следовательно, и качества вновь создаваемых проектов кораблей.

Таким образом, критерий эффективности автоматизированной системы должен отражать не только технико-экономическую сторону, но и человеческий аспект автоматизации во всей сложности его социальных, идеологических, психологических, нравственных и иных моментов, сплетенных в единое целое.

Массовое вовлечение сотрудников института в АИП повышает не только качество принимаемых технических решений, но и их научный уровень. Для выхода на ЭВМ и для обеспечения возможности работы с ней в диалоговом режиме пользователь должен владеть современными математическими методами, уметь формализовать в виде моделирования изучаемый объект, характер его функционирования. Должен расти его кругозор; многие данные, которые хранились в его сознании при ручном счете, он должен уметь объяснить и вложить в машинные программы. При этом необходимо менять и стиль своей работы: она должна быть более целенаправленна, информативна, подготовлена. ЭВМ "не терпит" неорганизованных, неподготовленных пользователей.

Все вышеизложенные идеи легли в основу дальнейшего усовершенствования САИПР "Чертеж-4", которое базируется на новых информационных технологиях комплексной АИП и научных исследований с учетом современных методов логического анализа и искусственного интеллекта.