Модели и методы параллельной асинхронной переработки информации в графодинамической ассоциативной памяти

Актуальность темы

В настоящее время отчетливо обозначился ряд тенденций эволюции интеллектуальных систем обработки информации (ИСОИ), требующих перехода к параллельным технологиям на всех этапах их разработки и применения. Особенно подчеркнем следующее:

1) практически исчерпаны физические резервы повышения производительности вычислительных систем традиционной однопроцессорной архитектуры. Достижение быстродействия, превышающего Ю10 опер/с, при существующих физических технологиях возможно только при переходе к многопроцессорным вычислительным системам, использующим параллельные принципы обработки информации [10−12];

2) параллельный недетерминизм часто являются единственно возможным механизмом достижения адекватного уровня абстракции при проектировании систем организованной сложности [13−15], позволяя не принимать во внимание несущественные аспекты поведения системы;

3) параллелизм является необходимым условием работы моделей коллективного взаимодействия в глобальных вычислительных сетях [16];

4) эффективная масштабируемость переработки информационных потоков при увеличении загрузки ИСОИ возможна только при параллельной организации вычислительного процесса.

5) традиционный, последовательный подход к разработке новых изделий стал уступать место «параллельному проектированию» (concurrent engineering, simultaneous engineering) [17,18]. В его основе лежит идея совмещенного проектирования изделия, а также процессов его изготовления и сопровождения, координируемая с помощью специальной распределенной информационной среды, что позволяет использовать проектные данные одновременно различными группами специалистов.

Сложные системы неоднородны и распределены: а) в пространстве (например, Internet или система космической связи) — б) в функциональном плане, поскольку современную сложную систему невозможно создать в одиночку. Вообще, системы организованной сложности возникают и развиваются в ходе технической эволюции (а системы, возникшие эволюционным путем, не связаны с централизованным управлением).

Характерной чертой развития современных информационных технологий является переход к нелинейным формам организации хранения и ассоциативным методам доступа как к перерабатываемой системой информации, так и к метаинформации, используемой информационной системой для самоописания, настройки и модификации:

1) семантический анализ и практика использования СУБД в 70−80-х годах выявили сложность удовлетворительного решения в рамках классических моделей (иерархическая, сетевая, реляционная) таких задач, как идентификация и классификация объектов, автоматическая проверка объемных соотношений между понятиями и других семантических ограничений, задач интеллектуализации интерфейса с банками данных, хранения и манипулирования нетрадиционными элементами данных (тексты, пространственные данные) [19,20];

2) интенсивно развивается обширный класс информационно-поисковых систем, основанных на гипертексте и мультимедиа. Многие обучающие программы, справочные системы и электронная документация организуются на основе этой технологии. В WWW понятие гипертекстовой ссылки было расширено на глобальную сеть Internet. В последнее время пассивный характер подобных систем изменился, в них появились средства организации интерактивного обмена информацией и контекстно-настраиваемого диалога [21];

3) появляется необходимость в поддержке взаимодействия интеллектуальной системы (в ходе решения задачи) с целым коллективом пользователей. Интеллектуальная система становится равноправным членом коллектива, обеспечивающим координацию в процессе распределенного решения общей задачи [16,22−24].

Для современных систем, ориентированных на нечисловую переработку больших объемов сложноструктурированной информации, широкое использование технологий multimedia, полиэкранных адаптивных интерфейсов и многоагентного взаимодействия в глобальных сетях фон-неймановская архитектура не обеспечивает достаточной технологической гибкости, согласованности данных и реакции в реальном масштабе времени [24−27]. Основными принципами организации современных архитектур вычислительных систем являются: открытость, параллельность, аеинхронность, ассоциативность доступа (что обеспечивает поддержку асинхронизма), структурная перестраиваемость памяти [28−31].

Однако, несмотря на интенсивность проводимых исследований и разнообразие подходов к реализации аппаратной поддержки решения информационно-логических задач [31−34], большинство существующих вычислительных систем с нетрадиционной архитектурой весьма далеки от практического применения. Среди основных причин такого положения можно указать:

1) Отсутствие математически строгих моделей вычислений, лежащих в основе их архитектуры [35]. Определенным прорывом в этом плане стала концепция транспьютера [36], однако некоторые свойства транспьютера и той модели, которую он поддерживает (примитивизм межкомпонентных коммуникаций, ориентация на статическое планирование загрузки и разделения функций и т. д.), смещают мультитранспьютерные системы в область специализированных ЭВМ [31, 36].

2) Отсутствие комплексного подхода и адекватных решаемому классу задач инструментально-технологических средств при разработке системного (и, как следствие, прикладного) программного обеспечения [37]. Программное обеспечение часто либо разрабатывается в отрыве от аппаратуры (так, первые практически пригодные операционные системы для транспьютеров появились лишь спустя 4−5 лет после их создания!), либо наоборот, жестко ориентировано на ее конкретную реализацию (многие Lispи Prolog-машины, машины баз данных). Инструментальные средства не поддерживают современные методологии разработки, что делает невозможным создание больших прикладных систем [38, 39].

3) Ориентация на узкий класс моделей представления/переработки информации и организации вычислительного процесса (Пролог, реляционные СУБД и т. д.). По настоящее время в параллельных интеллектуальных системах коллективное поведение и использование знаний и ресурсов (вычислительных, коммуникационных и др.) не поддерживается на уровне базовых механизмов модели. Это приводит к неэффективности при разделении функций в динамически изменяемых коллективных структурах, при использовании различных по характеристикам коммуникаций, при реакции на отказы и т. п.

Целостный анализ совокупности вышеописанных тенденций показывает, что использование параллельных технологий коллективной переработки и развитых форм ассоциативного доступа к информации является необходимым условием решения проблем проектирования и разработки ИСОИ, чем и объясняется актуальность работы.

Цель и задачи исследований.

Цель работы заключается в разработке методов и алгоритмов организации параллельной асинхронной переработки информации в графодинамической ассоциативной памяти и реализации на их основе инструментальных средств разработки параллельных интеллектуальных систем для графодинамического компьютера.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решаются следующие задачи: разработка формальных моделей, алгоритмов и структур данных, предназначенных для синхронизации элементарных актов переработки сложно структурированных данных в ассоциативной графодинамической памятисоздание и исследование комплекса средств межпроцессной коммуникации в ассоциативной графодинамической памяти, включающего языковые структуры, методы и алгоритмы динамического порождения, уничтожения, многоуровневого управления и планирования ансамбля взаимодействующих процессовразработка архитектуры и реализация ядра операционной среды, обеспечивающей проектирование, разработку и эксплуатацию интеллектуальных систем, ориентированных на параллельную асинхронную переработку иерархически организованной информации в ассоциативной структурно-перестраиваемой памяти.

В основе предлагаемого в данной работе подхода к решению поставленных задач лежат следующие положения:

1) использование графодинамической парадигмы переработки информации, в основе которой лежит понятие графодинамической (нелинейной структурно перестраиваемой) памяти, где поддерживается развитая форма ассоциативного доступа, а переработка информации сводится не только к изменению состояния элементов памяти, но и к изменению конфигурации связей между ними;

2) ориентация на асинхронный (децентрализованный) принцип управления процессом переработки информации, который по сравнению с синхронным принципом обеспечивает более высокую гибкость моделей переработки информации;

3) рассмотрение в рамках единой графодинамической парадигмы переработки информации задач управления проектами, архитектуры проектируемых систем и средств поддержки разработок, что позволяет обеспечить единый подход к целостному представлению всей информации в интерактивном графическом режиме и автоматический интерфейс между программными компонентами системы проектирования;

4) использование в качестве базового языка системного программного обеспечения графового языка параллельного процедурного программирования БСР [1,2,40];

5) стремление к Использованию метаязыковых средств в разрабатываемых моделях параллельной переработки информации, что должно обеспечить реализацию любой требуемой дисциплины взаимодействия параллельных процессов.

Предметом исследования являются модели параллельной переработки информации в ассоциативной памяти, а также соответствующие этим моделям структуры данных, алгоритмы, языковые и программные средства, обеспечивающие реализацию указанных параллельных моделей.

Методы исследований. Проведенные в работе исследования основываются на использовании теории множеств, теории графов, системного анализа, теории и методов инженерии знаний, теории параллельных вычислений.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Графодинамическая парадигма переработки информации впервые используется как формальная основа для создания операционной среды и системного программного обеспечения параллельного ассоциативного компьютера.

2. Впервые исследованы модели обработки транзакций в графодинамической памяти на основе графовых языковых средств, использующих развитые формы ассоциативного доступа к требуемым фрагментам анализируемой и перерабатываемой информации.

3. Впервые разработаны методы динамической межпроцессной коммуникации в логически общей ассоциативной графодинамической памяти.

4. Предлагаемый комплекс инструментальных средств поддержки программирования интеллектуальных систем специально ориентирован на использование методов визуального программирования в графодинамической ассоциативной памяти.

Основными научными результатами, выносимыми на защиту, являются:

1) базовая метамодель транзакций и разработанные на ее основе модели обработки транзакций в графодинамической ассоциативной памяти;

2) алгоритмы синхронизации процессов переработки сложноструктурированной информации в графодинамической ассоциативной памяти;

3) базовые методы организации межпроцессной коммуникации в логически общей графодинамической ассоциативной памяти;

4) технология визуального программирования интеллектуальных систем, предназначенных для переработки сложноструктурированной информации в графодинамической ассоциативной памяти.

Практическая ценность. Благодаря эффективной поддержке сложноструктурированных знаний, мощных механизмов кооперативного решения трудно формализуемых задач, гибких и открытых стратегий параллельной асинхронной переработки информации предложенный в данной работе инструментальный комплекс проектирования параллельных интеллектуальных систем позволяет, во-первых, существенно расширить области применения методов и средств искусственного интеллекта и, во-вторых, значительно повысить возможности проектируемых систем.

Перспективными направлениями применения предложенного в данной работе комплекса средств проектирования интеллектуальных систем являются все приложения, где приходится оперировать сложно структурированными знаниями, где требуется использование сложных моделей решения задач, необходим высокий уровень гибкости систем и имеют место серьезные ограничения во времени: интеллектуальные обучающие системы, в частности, использующие multimedia-технологииинтеллектуальные геоинформационные системыинтеллектуальные системы поддержки принятия решений в условиях дефицита времениинтеллектуальные системы поддержки проектирования сложных объектов.

Работа выполнялась в рамках:

1) Республиканской научно-технической программы «Информатика», задания.

02.02.09.02. «Разработать инструментальные средства построения интеллектуальных систем на основе графового языка логического программирования, ориентированного на распределенную переработку интегрированных баз данных и знаний» и.

02.02.09.03. «Разработать язык параллельного программирования на графовых структурах, ориентированный на распределенную реализацию механизмов переработки интегрированных баз данных и знаний» ;

2) программы фундаментальных исследований АНБ «Разработка научных основ новых информационных технологий» ;

3) программы «Белкосмос», проект № 10 «Разработать специализированный интеллектуальный интерфейс для задач комплексной обработки дистанционного зондирования земли (на основе параллельной графодинамической вычислительной системы)» .

К числу наиболее важных отдельных проектов, в рамках которых выполнялась данная работа, относится проект «Параллельная графодинамичеекая вычислительная система, ориентированная на решение задач искусственного интеллекта» (договор № 192−95 от 21.08.95 с Минпромом и Комитетом по науке и технологиям РБ).

Полученные результаты были использованы при разработке и внедрении ряда прикладных систем таких, как: интеллектуальная геоинформационная система поддержки принятия решений при выборе участков местности для строительства экологически опасных объектов (Институт проблем энергетики АНБ) — интеллектуальная онкологическая система для определения индивидуальной радиочувствительности организма-опухоленосителя (НИИ онкологии и медицинской радиологии МЗ РБ) — интеллектуальная система выбора тактики лечения больных с хронической почечной недостаточностью (БелНИИ кардиологии МЗ РБ) — система поддержки принятия решений о нефтеперспективности геологических объектов Припятского выступа (ПО «Западнефтегеофизика»).

Апробация результатов работы.

Материалы работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах:

Международном Симпозиуме по нейроинформатике и нейрокомпьютерам (Ростов-на-Дону, 1992) — II конференции Российской Транспьютерной Ассоциации (Домодедово, 1992) — международной конференции по искусственному интеллекту «East-West Conference on Artificial Intelligence. From Theory to Practice» (Москва, 1993) — симпозиуме «Методы искусственного интеллекта в компьютерах новых поколений» (Рязань, 1993) — V конференции Российской Транспьютерной Ассоциации (Домодедово, 1996) — международной выставке-семинаре «Высшее образование в Беларуси: международное сотрудничество и развитие» (Минск, 1996).

Результаты работы также демонстрировались на следующих выставках: «Белвузнаука» (Минск, 1995) — международной специализированной выставке BELARUSMEDICA (Минск, 1995) — первой Межгосударственной выставке инновационной продукции «ИНПРОМТЕХ-95» (Минск, 1995) — международной выставке-семинаре «Беларусь.Адукацыя-95» (Минск, 1995) — «Беларусь.Энергия-95, Беларусь. Экология-95, Беларусь. Автоматика-95» (Минск, 1995).

Публикации. По теме данных исследований опубликовано 9 научных работ. Все результаты, составляющие основное содержание диссертации, получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, личный вклад автора состоит в следующем: в работе [1] автором описаны принципы реализации интерпретатора графового процедурного языка параллельного программированияв работе [2] лично автором разработаны принципы организации блокировок элементов при выполнении параллельных процессов, а также семантика Callи Wait-операторов языка SCPв работе [3] лично автором разработаны концепция и номенклатура операторов синхронизации и порождения процессов графового процедурного языка параллельного программирования SCPв работе [5] автору принадлежит описание архитектуры и принципов реализации инструментально-технологических средств проектирования интеллектуальных обучающих систем на основе графодинамической парадигмы. в работе [9] лично автором разработаны основные теоретические модели и методы организации параллелизма в графодинамической памяти.

Структура и объем работы. Работа включает в себя введение, 4 главы, заключение, список использованных источников и 3 приложения. Общий объем основного текста — 95 стр., включая 8 рисунков.

Список использованных источников

содержит 118 наименований.

4.4. Выводы.

1. Разработана интегрированная инструментальная среда визуального программирования параллельных систем на базе графовых языков БС и 8СР. Ее основные отличительные особенности:

• представление как информации, так и метаинформации, а также вспомогательных (системных) информационных конструкций производится в рамках единой модели (языка БС). Это обеспечивает технологичность всех стадий жизненного цикла разработки за счет унификации и стандартизации (и, следовательно, возможности повторного использования) алгоритмов обработки и структур данных в системе;

• инструментарий разработки рассматривается как система (метасистема), архитектура которой основана на технологии переработки знаний в рамках графодинамической парадигмы;

• параллельный коллективный доступ к хранимой информации поддерживается на всех стадиях создания интеллектуальной системы. Используемые модели параллельной организации вычислительного процесса могут быть легко адаптированы с учетом задач, решаемых на данном этапе разработки и имеющейся конфигурации аппаратных ресурсов;

• поддержка моделей вложенных транзакций обеспечивает возможность легкого переноса приложений в распределенную среду.

Почти все современные методологии проектирования программного обеспечения [38,39,117,118] включают структурную визуализацию создаваемой системы на различных уровнях абстракции. Однако, хотя они и признают графику в качестве инструмента, ни одна из них не использует графику в качестве всеобъемлющего проектного механизма столь же формально, как это делается в предлагаемой среде (приблизительным аналогом могут служить САПР аппаратуры).

2. Практически реализованы и экспериментально апробированы модели и методы параллельной организации вычислительного процесса, описанные в гл.2−3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

К числу конкретных результатов данной работы относятся следующие.

1. Предложена метамодель транзакций и на ее основе исследованы модели обработки транзакций в графодинамической ассоциативной памяти. Показано, что использование графодинамической ассоциативной памяти позволяет параллельным субтранзакциям в предложенной модели вложенных транзакций одновременно изменять перерабатываемую информацию, не попадая в ситуацию взаимоблокировки.

2. Разработаны информационные конструкции и алгоритмы синхронизации параллельных процессов в графодинамической ассоциативной памяти (в рамках исследованных моделей транзакций).

3. Разработаны методы межпроцессного взаимодействия в графодинамической ассоциативной памяти, позволяющие решить проблему динамического создания и реконфигурации топологии информационных связей между параллельными процессами.

4. Разработана и реализована в среде MS Windows система параллельного визуального программирования на графовых языках и инструментальные средства визуального проектирования прикладных интеллектуальных систем на ее основе.

5. Разработаны и реализованы в среде INMOS ANSI С Toolset архитектура и алгоритмы функционирования базовых компонент операционной системы графодинамичеекого параллельного ассоциативного компьютера.

Итоговым результатом данной работы является создание базового системного программного обеспечения и инструментальных средств разработки многопользовательских прикладных систем для графодинамичеекого параллельного ассоциативного компьютера.