УСТРОЙСТВО МОДЕЛИРОВАНИЯ РЕЖИМА РАБОТЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ
AUTOMATED SYSTEM OPERATING MODE SIMULATOR

Область техники, к которой относится изобретение
Заявленное изобретение относится к специализированным средствам информатики и вычислительной техники и может быть использовано для управления потоками данных, определения режима работы автоматизированных систем.
Уровень техники
а) Описание аналогов
Известна система распределения ресурсов по патенту РФ № 2189073 (класс G06F 17/60, заявл. 13.10.2000). В известной системе происходит последовательный опрос избыточных ресурсов каждого локализованного центра, суммирование однородных ресурсов, распределение каждому локализованному центру недостаточного ресурса. Распределение ресурсов может осуществляться как в обычном режиме (без приоритетов), так и с установлением приоритетов.
Недостатком данной системы является:
отсутствие механизмов выбора режима работы системы, следовательно, возможна только оптимизация обработки ресурсов однотипными вычислителями;
при распределении ресурсов потоково, либо с помощью жестко заданной системы приоритетов, не учитываются свойства поступающих на обработку задач.
Известен способ назначения приоритетов запросам на проведение сеансов связи с космическими аппаратами научного и социально-экономического назначения по патенту РФ № 2659773 (класс B64G 9/00, заявл. 09.11.2017). В известном способе имеющимся запросам назначают приоритеты на основании заранее заданных качественных оценок и вычисленных по ним числовых значений весовых коэффициентов характеристик и параметров характеристик технических средств и предоставляют временные ресурсы для реализации запроса с наивысшим приоритетом.
Недостатком данного способа является:
специализированный и узконаправленный круг решаемых задач, выражающийся в задействовании технических средств в сфере управления и связи с космическими аппаратами;
отсутствие механизмов выбора режимов работы, которые могут быть использованы для управления потоками данных в рамках работы информационно–вычислительных комплексов различных вычислительных и автоматизированных систем.
Известно устройство для распределения заданий между ЭВМ по авторскому свидетельству СССР № 1777138 (класс G06F 09/46, заявл. 16.01.1991). В известном устройстве для распределения заданий осуществляется параллельный просмотр загрузки всех ЭВМ. Запросы попадают на счетчик импульсов, с помощью логической схемы и ряда триггеров распределяются на ЭВМ многомашинной вычислительной системы.
Недостатком данного устройства является:
отсутствие механизмов выбора режима работы системы, как следствие, данный способ подходит только для обработки заданий однотипными вычислителями;
при распределении не учитываются свойства поступающих на обработку задач.
б) Описание ближайшего аналога (прототипа)
Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному является способ функционирования устройства для моделирования работы вычислительной системы по авторскому свидетельству СССР № 1640708 (класс G06F 15/20, заявл. 03.04.1989, опубл. 07.04.1991 бюл. № 13). Технический результат достигается за счет того, что устройство содержит источник напряжения, ключи, элементы ИЛИ, элементы И, индикатор "Естественное разделение времени", индикатор "Искусственное разделение времени", индикатор "Естественная пакетная обработка", индикатор "Искусственная пакетная обработка", индикатор "Распараллеливание задачи" и индикатор "Параллельное решение задачи". Также введены в рассмотрение следующие, свойства–признаки поступающих задач: квантованность, масштаб времени, детерминированность, важность, восстанавливаемость информационных массивов и стационарность к информационным массивам. При этом каждому из признаков в зависимости от характера задач можно поставить в соответствие одну из трех характеристик. В результате, при поступлении на вход вычислительной системы некой совокупности качественных характеристик задач входящего потока, выбирается режим работы, позволяющий обеспечить эффективную реализацию этого потока задач.
Недостатками прототипа являются:
1. Отсутствие свойств–признаков входящего потока, описывающих структурный параллелизм задач.
2. Отсутствие режима, позволяющего распределить задачу для обработки на нескольких разнородных вычислителях с целью ускорения.
3. В рамках решаемой задач необходимо изменение влияния признаков M4 – «Степень важности» и M5 – «Восстанавливаемость информационных массивов» входящих задач на выбор режима V6 – «Режим параллельного решения задачи на n-ЭВМ (дублирование)».
В настоящем изобретении предложено устройство, функционирующее без выявленных недостатков.
Раскрытие изобретения (его сущность)
а) технический результат, на достижение которого направлено изобретение
Задачей заявленного изобретения является повышение эффективности функционирования автоматизированной системы за счет моделирования режима работы.
б) совокупность существенных признаков
Устройство моделирования режима работы автоматизированной системы, содержащей восемнадцать ключей, четырнадцать элементов ИЛИ, шесть элементов И, индикатор режима "Естественное разделение времени", индикатор режима "Искусственное разделение времени", индикатор режима "Естественная пакетная обработка", индикатор режима "Искусственная пакетная обработка".
Дополнительно, с целью повышения эффективности функционирования автоматизированной системы за счет моделирования режима работы, он дополнительно содержит три ключа 7.1, 7.2 и 7.3, три элемента ИЛИ обозначенные номерами 9, 16 и 17, седьмой элемент И, индикатор режима "Параллельное преобразование кода", индикатор режима "Параллельное решение задачи на n-ЭВМ (дублирование)" и индикатор режима "Параллельное вычисление задачи на n-ЭВМ (ускорение)",  выход ключа 1.1 соединен со вторым входом первого элемента И и первыми входами первого и второго элементов ИЛИ,
выход ключа 1.2 соединен со вторыми входами первого и второго элементов ИЛИ, выход первого элемента ИЛИ соединен с первым входом второго элемента И, выход ключа 1.3 соединен с третьим входом второго элемента ИЛИ, третьим входом третьего элемента И, первым входом четвертого элемента И, вторым входом пятого элемента И и вторым входом седьмого элемента И, выход второго элемента ИЛИ соединен с четвертым входом шестого элемента И, выход ключа 2.1 соединен с третьим входом третьего элемента ИЛИ и первым входом пятого элемента ИЛИ, выход ключа 2.2 соединен с первым входом третьего элемента ИЛИ, первым входом четвертого элемента ИЛИ и вторым входом пятого элемента ИЛИ, выход ключа 2.3 соединен со вторым входом третьего элемента ИЛИ, вторым входом четвертого элемента ИЛИ и вторым входом четвертого элемента И, третий элемент ИЛИ соединен с пятым входом первого элемента И, третьим входом второго элемента И и пятым входом шестого элемента И, выход четвертого элемента ИЛИ соединен со вторым входом третьего элемента И, выход пятого элемента ИЛИ соединен с третьими входами пятого и седьмого элементов И, выход ключа 3.1 соединен с первыми входами шестого и седьмого элементов ИЛИ, третьим входом четвертого элемента И и четвертым входом пятого элемента И, выход ключа 3.2 соединен со вторыми входами шестого и седьмого элементов ИЛИ, выход шестого элемента ИЛИ соединен с первыми входами первого и третьего элементов И, выход ключа 3.3 соединен с третьим входом седьмого элемента ИЛИ, выход седьмого элемента ИЛИ соединен с четвертым входом второго элемента И и с шестыми входами шестого и седьмого элементов И, выход ключа 4.1 соединен с первым входом девятого элемента ИЛИ и третьим входом десятого элемента ИЛИ, выход ключа 4.2 соединен с первым входом восьмого элемента ИЛИ и со вторыми входами девятого и десятого элементов ИЛИ, выход ключа 4.3 соединен со вторым входом восьмого элемента ИЛИ, первым входом десятого элемента ИЛИ, четвертыми входами третьего и четвертого элемента И и с пятым входом пятого элемента И, выход восьмого элемента ИЛИ соединен с третьим входом первого элемента И и четвертым входом седьмого элемента И, выход девятого элемента ИЛИ соединен с первым входом шестого элемента И, выход десятого элемента ИЛИ соединен с пятым входом второго элемента И, выход ключа 5.1 соединен с первыми входами одиннадцатого и двенадцатого элементов ИЛИ, выход ключа 5.2 соединен со вторыми входами одиннадцатого и двенадцатого элементов ИЛИ, выход одиннадцатого элемента ИЛИ соединен со вторым входом шестого элемента И, выход ключа 5.3 соединен с третьим входом двенадцатого элемента ИЛИ, пятыми входами третьего, четвертого и седьмого элементов И, выход двенадцатого элемента ИЛИ соединен с шестыми входами первого и второго элементов И, с седьмым входом пятого элемента И, выход ключа 6.1 соединен с первыми входами тринадцатого и четырнадцатого элементов ИЛИ, выход ключа 6.2 соединен со вторыми входами тринадцатого, четырнадцатого и пятнадцатого элементов ИЛИ, с четвертым входом первого элемента И, выход тринадцатого элемента ИЛИ соединен с шестым входом третьего элемента И, выход ключа 6.3 соединен с третьим входом четырнадцатого элемента ИЛИ и первым входом пятнадцатого элемента ИЛИ, четырнадцатый элемент ИЛИ соединен с седьмыми входами второго и седьмого элементов И, пятнадцатый элемент ИЛИ соединен с шестым входом четвертого элемента И, первым входом пятого элемента И и третьим входом шестого элемента И, выход ключа 7.1 соединен с первыми входами шестнадцатого и семнадцатого элементов ИЛИ, и с первым входом седьмого элемента И, выход ключа 7.2 соединен со вторыми входами шестнадцатого и семнадцатого элементов ИЛИ, выход шестнадцатого элемента ИЛИ соединен со вторым входом второго элемента И, седьмым входом четвертого элемента И и шестым входом пятого элемента И, выход ключа 7.3 соединен с третьим входом семнадцатого элемента ИЛИ и с седьмым входом третьего элемента И, выход семнадцатого элемента ИЛИ соединен с седьмыми входами первого и шестого элементов И.
Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что предлагаемый способ функционирования устройства отличается от известного:
- наличием дополнительного признака М7 входящих задач – «Структурный параллелизм», и трех ключей – характеристик этого признака: K7.1 – распределяемые задачи, K7.2 – ограниченно распределяемые задачи, K7.3 – нераспределяемые.
- изменением названия режима работы «Распараллеливание задачи» на «Параллельное преобразование кода», в целях устранения двоякого понимания режима.
- изменением названия режима работы «Режим параллельного решения задачи» на «Режим параллельного решения задачи на n-ЭВМ (дублирование)», в целях устранения двоякого понимания режима.
- наличием дополнительного режимы работы «Параллельное вычисление задачи на n-ЭВМ (ускорение)», которое может быть использовано для управления потоками данных в рамках определения режима работы информационно – вычислительных комплексов различных вычислительных и автоматизированных систем, комплекс средств автоматизации которых состоит из нескольких электронно–вычислительных машин или распределенных вычислителей.
4. - изменением влияния признаков M4 – «Степень важности» и M5 – «Восстанавливаемость информационных массивов» входящих задач на выбор режима V6 – «Режим параллельного решения задачи на n-ЭВМ (дублирование)».
в) причинно-следственная связь между признаками и техническим результатом
Новая совокупность существенных признаков в заявленном устройстве позволит распределять потоки поступающих задач в комплексах средств автоматизации на вычислитель, обеспечивающий максимальное временное и качественное соответствие конкретному кластеру задач, т.е. повысит эффективность функционирования автоматизированной системы за счет моделирования режима работы. Это также позволит снизить вычислительную нагрузку, путем использования параллельных вычислений и эффективного использования имеющихся ресурсов.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного изобретения условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность отличительных существенных признаков, обусловливающих тот же технический результат, который достигнут в заявляемом изобретении. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Краткое описание чертежей
Заявленный устройство поясняется чертежами, на которых изображены:
на фиг. 1 – таблица использования свойств задачи;
на фиг. 2 – схема устройства моделирования режима работы.
Устройство моделирования режима работы автоматизированной системы включает в себя семь групп ключей: М1 – Квантование, М2 – Масштаб времени, М3 – Детерминированность, М4 – Степень важности, М5 – Восстанавливаемость информационных массивов, М6 – Стационарность, М7 – Структурный параллелизм; двадцать один ключ: K1.1 – Задачи с естественным квантованием, K1.2 – Задачи смешанного квантования; K1.3 – Неквантованные задачи, K2.1 – Задачи реального масштаба времени, K2.2 – Задачи существенного ограниченного ожидания, K2.3 – Задачи слабо ограниченного ожидания, К3.1 – Детерминированные задачи, K3.2 – Ограниченно детерминированные задачи, K3.3 – Задачи случайного характера, K4.1 – Постоянная высокая важность, K4.2 – Переменная важность, K4.3 – Обычная неизменная важность, K5.1 – Невозможное восстановление, K5.2 – Трудное восстановление, K5.3 – Легкое восстановление, K6.1 – Задачи с переменной интенсивностью, K6.2 – Задачи с постоянной интенсивностью, K6.3 – Эпизодические задачи, K7.1 – Распределяемые задачи, K7.2 – Ограниченно распределяемые задачи, K7.3 – Нераспределяемые задачи; семнадцать элементов ИЛИ; семь элементов И; шесть индикаторов режима: V1 – Естественное разделение времени, V2 – Искусственное разделение времени, V3 – Естественная пакетная обработка, V4 – Искусственная пакетная обработка, V5 – Параллельное преобразование кода, V6 – Параллельное решение задачи на n-ЭВМ (дублирование) и V7 – Параллельное вычисление задачи на n-ЭВМ (ускорение).
Осуществление изобретения
Реализация заявленного способа функционирования устройства объясняется следующим образом.
Анализ эксплуатации информационно–вычислительных комплексов (далее – ИВК) вычислительных систем и АС позволяет ввести в рассмотрение следующие, свойства-признаки задач: квантованность, масштаб времени, детерминированность, важность, восстанавливаемость информационных массивов, стационарность к информационным массивам и структурный параллелизм массива. При этом каждому из признаков в зависимости от характера задач можно поставить в соответствие одну из трех ключей - характеристик. Например, по квантованности (М1): K1.1 – задачи с естественным квантованием, K1.2 – задачи смешанного квантования; K1.3 – неквантованные задачи.
Задачи естественного квантования связаны с такими физическими процессами, которые предусматривают поэтапное выполнение одинаковых по содержанию действий, причем соседние этапы могут разделяться временными промежутками. Таким задачам представляется объективная возможность организации решения нескольких задач на однопроцессорной ЭВМ и к ним относятся задачи диалога: ввод информации с дисплея. редактирование текста программы и т.д.
Неквантованные задачи характеризуются тем, что они могут быть решены в виде единого акта, не требуя по собственной инициативе прерывания вычислительного процесса. К таким задачам относится, например, трансляция видеопотока. Задачи, в которых вычислительный процесс может прерываться на некоторые промежутки времени по инициативе алгоритма самой задачи или оператора, ведущего задачу, являются задачами со смешанным квантованием. К этому виду, например, относится задача долгосрочного планирования, задачи с использованием данных, размещенных на нескольких отчуждаемых носителях информации.
По виду масштаба времени (М2): K2.1 – задачи реального масштаба времени, K2.2 – задачи существенного ограниченного ожидания, K2.3 – задачи слабо ограниченного ожидания.
Задачи реального масштаба времени предполагают, что управляющие воздействия вычисляются и выдаются не позже, чем того требует физическая сущность сохранения системой своей траектории, позволяющей достигнуть требуемой цели.
Задачи с существенно ограниченным ожиданием допускают временные сдвиги моментов получения результатов. Примером данного типа задач могут служить задачи, обеспечивающие общение операторов и должностных лиц АС. Задачи слабо ограниченного ожидания некритичны к существенным перемещениям во времени моментов постановки их на решение и должны решаться в приемлемые сроки.
По степени детерминированности (М3): К3.1 – детерминированные задачи,
K3.2 – ограниченно детерминированные задачи, K3.3 – задачи случайного характера.
Для детерминированных задач имеется принципиальная возможность точно планировать во времени моменты их постановки на решение. Ограничение детерминированности означает, что можно планировать поступление задач с некоторой вероятностью, например, выявление и обработка антивирусной программой подозрительного файла при проверке массива новыми сигнатурами.
К задачам случайного характера относятся задачи, связанные с внезапным изменением режима функционирования АС, обусловленные аварийными и конфликтными ситуациями на объектах.
Но степени важности (М4): K4.1 – постоянная высокая важность, K4.2 – переменная важность, K4.3 – обычная неизменная важность.
Задачи постоянной высокой важности связаны с обработкой задач для высокоприоритетного процесса, переменной важности - с управлением обработки задач некоторых процессов по жесткой программе. Обычная неизменная важность характеризует задачи расчетного характера, не критичные к времени их реализации.
По степени восстанавливаемости информационных массивов (М5): K5.1 – невозможное восстановление, K5.2 – трудное восстановление, K5.3 – легкое восстановление.
Для случая безусловного сохранения информационных массивов требуется специальная организация вычислительного процесса, дополнительные затраты производительности и памяти. Трудное восстановление присуще, например, задачам, содержащим информационные массивы большой емкости.
По степени стационарности входящего потока задач (М6): K6.1 – задачи с переменной интенсивностью, K6.2 – задачи с постоянной интенсивностью, K6.3 – эпизодические задачи.
Для потоков с переменной во времени интенсивностью число событий, которые могут произойти на одинаковых по длине непересекающихся отрезках, различно. В решении задач с постоянной интенсивностью не требуется планирование или прогнозирование на некоторый отрезок времени вперед. Эпизодические задачи решаются вне жесткой функциональной связи с обычным оперативным режимом функционирования ИВК и АС.
По степени структурного параллелизма входящих задач (М7): K7.1 – распределяемые задачи, K7.2 – ограниченно распределяемые задачи, K7.3 – нераспределяемые.
Распределяемые задачи характеризуются внутренним структурным параллелизмом, позволяющим распределить задачу для обработки на нескольких вычислителях. Это кластер задач, состоящий из групп повторяющихся или несвязанных между собой структурных блоков. Пример – задача суммирования элементов массива. Ограниченно распределяемая задача может состоять из параллельных блоков, над которыми, в рамках задачи, проводится ряд выполняемых последовательно действий, каждое из которых требует для решения результат предыдущего вычисления. Нераспределяемые – задачи с отсутствием структурного параллелизма.
Анализ особенностей применения комплекса средств автоматизации АС и ЭВМ вычислительных систем (ВС) позволяет ввести в рассмотрение следующие режимы работы: V1 – режим естественного разделения времени (ресурсов), V2 – режим искусственного разделения времени (ресурсов), V3 – режим естественной пакетной обработки, V4 – режим искусственной пакетной обработки, V5 – режим параллельного преобразования кода задачи, V6 – режим параллельного решения задачи на n-ЭВМ (дублирование), V7 – режим параллельного вычисления задачи на n-ЭВМ (ускорение).
Принципиальной отличительной особенностью режима естественного разделения времени V1 является объективная возможность сведения некоторого процесса к последовательно-параллельной обработке информации и принятию решений по жестко заданной схеме. В основе организации такого режима лежит идея квантования непрерывных процессов, реализация которой обосновывается известной теоремой Котельникова. Режим искусственного разделения времени (ресурсов) можно определить как наиболее общий режим, позволяющий на любом отрезке времени обеспечить параллельно-последовательное решение произвольной совокупности задач в соответствии с заданной стратегией организации функционирования.
Распределение ресурсов между поставленными на решение задачами зависит от принятой к реализации общей идеи организации многопрограммной работы, от приоритетности задач, от характеристик абонентов, от возникающих в системе аварийных ситуаций и т. п. Поступление в систему каждой новой задачи, которая должна решиться с поступившими ранее, требует перераспределения ресурсов. Режим V2 имеет множество модификаций, отличающихся широким диапазоном используемых методов управления.
Режимы V3 и V4 пакетной обработки имеют одно общее свойство: решение любой задачи и "пакета” может быть реализовано в виде единовременного акта. Однако в реализации режимов есть существенные различия. Режим естественной пакетной обработки V3 обеспечивает реализацию пакетов связанных задач, причем формирование пакета осуществляется ситуациями, складывающимися в процессе функционирования.
Под режимом искусственной пакетной обработки V4 понимается процесс реализации искусственно формируемых наборов задач, не связанных по управлению и информации. Особенностью режима является то, что в процессе реализации "пакета" задачи к нему не добавляются и из него не исключаются. Очевидно, что для часто реализуемых пакетов целесообразно применить процедуру оптимального планирования.
Режимы V5, V6 и V7 являются узкоспециализированными.  Режим V5 реализуется с целью сокращения времени решения задачи. Он требует проведения специальных преобразований исходного алгоритма, приведения его к виду ярусно-параллельного графа с последующей поярусной реализацией на вычислителях системы. Режим V6 преследует цель повышения достоверности и резервирования полученных результатов, дополнительных пояснений не требует. Режим V7 реализуется с целью оптимизации и ускорения вычисления потока поступающих задач посредством распределения на сторонние вычислители. Под сторонними вычислителями могут подразумеваться как ЭВМ в сети комплекса средств автоматизации АС, так и, например, графический ускоритель конкретной ЭВМ.
Проанализировав все задачи по указанным признакам и распределив их по подмножествам с непротиворечивыми свойствами, для каждого подмножества можно определить требуемые, допустимые и совместимые режимы работы ИВК и АС, позволяющие обеспечить эффективную реализацию потока задач.
Результаты анализа приведены в таблице (фиг. 1), где использование какого-либо свойства задачи для режимов работы обозначено единицей, а неиспользование – нулем.
При необходимости выбора режима работы вычислительной системы по каждому из шести признаков классификации задач включается соответствующий ключ K. При этом включается один или несколько индикаторов, обозначающих режимы V1-V7, если возможно для решения данной задачи использование нескольких режимов работы. Например, при поступлении на вход вычислительной системы задач со следующими качественными характеристиками: неквантованная, реального масштаба времени, детерминированная, переменной важности, легкого восстановления, переменной интенсивностью и распределяемая, замыкаются соответствующие ключи K1.3, K 2.1, K 3.1, K 4.2, K 5.3, K 6.1, K 7.1. В этом случае на все семь входов только седьмого элемента И поступают разрешающие потенциалы, что приводит к срабатыванию элемента И, с выхода которого сигнал поступает на индикатор режима V7. Итак, при поступлении на вход вычислительной системы перечисленных задач с различными качественными характеристиками для их решения необходимо выбрать режим «Параллельного вычисления задачи на n-ЭВМ (ускорение)». Схема работает аналогично, если необходимо выбрать режимы работы при поступлении на вход вычислительной системы любой другой совокупности качественных характеристик задач входящего потока.