автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Исследование и разработка систем автоматизации технологической поддержки жизнедеятельности лиц с ограниченными возможностями здоровья

На правах рукописи

Дорогов Виктор Георгиевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЛИЦ С ОГРАНИЧЕННЫМИ ВОЗМОЖНОСТЯМИ ЗДОРОВЬЯ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в приборостроении)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

~ 'Ї Ш ¿013

Москва — 2013

005531169

005531169

Работа выполнена на кафедре «Информатика и программное обеспечение вычислительных систем» Национального исследовательского университета «МИЭТ»

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Доктор технических наук, профессор Гагарина Лариса Геннадиевна

Крыликов Николай Олегович, доктор технических наук, с.н.с, нач.секгора НИИ ВС и СУ НИУ «МИЭТ»

Федотов Андрей Александрович

кандидат технических наук,

ген. директор ООО «СпектрСофт»

Ведущая организация

ОАО «НПЦ ЭЛВИС»

/

Защита состоится »

03 _2013 года в 3 Она заседании диссертационного совета Д.212.134.04 при Национальном исследовательском университете «МИЭТ» по адресу: 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ «МИЭТ». Автореферат разослан « и> н

2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

А.И. Погалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

В настоящее время проблема создания эффективных автоматизированных пациент-ориентированных информационных систем в медицине, образовании и социальной сфере является весьма актуальной. Задача формирования доступной среды для лиц с ограниченными возможностями здоровья на местах предполагает необходимость создания специальных технических и программных средств реабилитации на базе программно-аналитической и информационной среды.

На сегодняшний день отсутствует единая информационная инфраструктура, которая позволила бы реализовать и внедрить инновационные модели осуществления научной, образовательной, физкультурно-реабилитационной, методической и др. деятельности по созданию условий для повышения уровня и качества жизни лиц с ограниченными возможностями здоровья и членов • их семей. Весь необходимый функционал по автоматизации технологической поддержки жизнедеятельности лиц с ограниченными возможностями здоровья реализуется тремя автономными системами: системой взаимоотношения с социальными службами и работодателями, системой обучения и системой комплексной реабилитации.

Проблема создания единой многофункциональной системы автоматизации технологической поддержки жизнедеятельности лиц с ограниченными возможностями здоровья (САТП ЛОВЗ) наталкивается на необходимость обработки значительных потоков информации с различными дисциплинами обслуживания, приоритетами и т.д.

Выполнение заданных требований реализуется с помощью различных приоритетных дисциплин обслуживания запросов с приоритетами, изменяющимися динамически и управляемым временем ожидания. При этом наиболее критичными для программного обеспечения САТП ЛОВЗ являются характеристики надёжности обслуживания и скорости обработки данных. В целях обеспечения требуемых значений указанных характеристик целесообразно представить САТП в виде совокупности систем или сетей массового

обслуживания (СМО или СеМО), исследовать их параметры (приоритет, время ожидания, длина и т.п.), алгоритмы и дисциплины обслуживания. Теоретические основы создания автоматизированных информационных систем в предметной области, средств обработки информационных потоков на основе теории очередей и массового обслуживания заложены в трудах Уйэла H., Mark S. Dopfman, G. Rejda, S. Breidenbach, Прохорова H.JI., Рейзмана Я.А., Д. Кендалла, Д. Литтла, Д. Кокас, В. Смита, Ф.Келли, Р. Ховарда, Хинчина А. Я., Башарина Г.П., Лившица Б.С.

Однако, все они связаны с изучением отдельных аспектов автоматизации, не затрагивающих важных процессов- обработки больших массивов данных. Возникающие при этом проблемы повышают требования к характеристикам обслуживания: необходимо, в частности, обеспечить заданные (требуемые) параметры - время задержки, время обслуживания, длину очереди запросов и т.п., особенно при изменении внешних условий (в случае перегрузки и в нештатных ситуациях).

Существующие в настоящее время решения, такие как аппаратно-программные комплексы для социальной адаптации лиц с ограниченными возможностями здоровья (ООО «Терминал Столица»), программное обеспечение для программирования роботов с функцией обучения конструированию и программированию ПервоРобот NXT (Россия, для дистанционного обучения), Hardware-software complex "Dashpoint" for learning and communication of deafblind people и др. являются узкоспециализированными и ориентированы либо на процессы дистанционного обучения, либо реабилитации.

Таким образом, актуальной является проблема создания автоматизированных систем, обеспечивающих весь необходимый функционал по медицинской и социальной реабилитации, обучению, взаимодействию с работодателями, создание моделей и алгоритмов эффективного обслуживания заявок, значительно снижающих вероятность возникновения очередей в системе.

Целью диссертации является создание теоретических и практических подходов, позволяющих впервые в рамках одной автоматизированной системы реализовать инструментарий осуществления социальной, образовательной, физкультурно-

реабилитационной, методической и др. деятельности по созданию условий для повышения уровня и качества жизни лиц с ограниченными возможностями здоровья и членов их семей. Реализация системы основывается на разработке информационной и математической модели ее функционирования в условиях разнообразных типов данных и топологий сетей, алгоритмов эффективного управления динамическими приоритетными очередями и специализированным таймером.

В соответствии с указанными целями в работе решаются следующие задачи:

анализ возможности создания автоматизированных систем для технологической поддержки жизнедеятельности ЛОВЗ; - разработка информационной потоковой модели системы;

разработка алгоритмов управления динамически изменяемыми приоритетными очередями с ограничением времени ожидания; разработка методики определения предельных значений результатов имитационного моделирования расчётно-аналитическим способом;

имитационное моделирование системы в виде СМО с неоднородной нагрузкой и приоритетным обслуживанием запросов; программная реализация разработанных моделей, методики и алгоритмов в составе многоцелевой САТП ЛОВЗ «Доступная среда»;

экспериментальная оценка эффективности предложенных подходов.

Методы исследования. Теоретическую и методологическую базу исследования составили системный подход к моделированию сложных систем, ключевые положения кибернетики, общей теории систем и теории очередей. При решении конкретных задач использовались труды отечественных и зарубежных ученых в области теории случайных процессов, имитационного моделирования, теории вероятностей, математической статистики, теории графов.

Научная новизна. Диссертационная работа представляет собой совокупность научно обоснованных технических решений, направленных на создание автоматизированных систем, обеспечивающих весь необходимый функционал по медицинской и

социальной реабилитации, обучению, взаимодействию с работодателями, создание моделей и алгоритмов эффективного обслуживания заявок, значительно снижающих вероятность возникновения очередей в системе.

В процессе исследований и разработок получены следующие новые научные результаты:

• Для обоснования возможности реализации системы автоматизации технологической поддержки жизнедеятельности лиц с ограниченными возможностями здоровья разработана информационная потоковая модель системы, позволяющая оценить загрузку компонентов системы.

• Разработаны математические модели системы, направленные на исследования характеристик и свойств различных дисциплин обслуживания (ДО): бесприоритетное обслуживание (БП), обслуживание с относительными (ОП), абсолютными (АП) и динамически изменяемыми приоритетами (ДП).

• Созданы алгоритмы управления динамически изменяемыми приоритетными очередями с ограничением времени ожидания, улучшающие качество обслуживания в меняющихся условиях, включающие: алгоритм постановки в очередь; алгоритм выталкивания из очереди; алгоритм постановки в очередь к специализированному таймеру.

• Предложена методика определения предельных значений результатов имитационного моделирования системы расчетно-аналитическим способом.

• Разработана методика имитационного моделирования САТП ЛОВЗ.

• Программно реализована система автоматизации технологической поддержки жизнедеятельности ЛОВЗ «Доступная среда», включающая три подсистемы: межведомственную электронная приёмная инвалида (МЭПИ); интегрированную систему комплексной реабилитации инвалидов (ИСКРИ); автоматизированное рабочее место индивидуального обучения (АРМИО).

Научная новизна полученных результатов работы подтверждена свидетельствами об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2009612669, № 2010611539, № 2012611462, зарегистрированных в РОСПАТЕНТ 27.05.2009, 24.02.2010, 07.02.2012.

Достоверность полученных результатов определяется корректным применением теории массового обслуживания и теории очередей, подтвержденных данными имитационного моделирования САТП ЛОВЗ. Теоретические предложения и расчеты автора в соответствии с впервые выведенными математическими моделями характеризуются высокой степенью сходимости с результатами имитационного моделирования и опытной эксплуатации системы.

Практическая ценность работы заключается в том, что основные положения, выводы и рекомендации диссертации ориентированы на широкое применение разработанных моделей, методики и алгоритмов для реализации и масштабирования САТП ЛОВЗ. Результаты исследования доведены до конкретных алгоритмов, методик и программной реализации. Самостоятельное практическое значение имеют:

1. Имитационная модель САТП ЛОВЗ.

2. Алгоритмы управления динамически изменяемыми приоритетными очередями с ограничением времени ожидания.

3. Методика расчета предельных значений результатов имитационного моделирования, позволяющая заменить итерационный подход на расчётно-аналитический, значительно ускоряющий процесс моделирования.

4. Программная реализация САТП ЛОВЗ «Доступная среда» на основе разработанных моделей, методики и алгоритмов.

В результате экспериментальных исследований установлено, что предложенные алгоритмы управления очередями обеспечивают сокращение времени обработки запросов в 2,6 раза, уменьшение продолжительности ожидания обслуживания на 45% и количества отказов в обслуживании при пиковых нагрузках в 3,8 раза, уменьшение максимальной загрузки компонентов системы в 1,76 раза.

Практическая значимость подтверждена актами внедрения результатов диссертационной работы в ОСОО «Союз «Чернобыль

России», в НИР и НИОКР, а также учебный процесс НИУ «МИЭТ».

Личный вклад автора. Все основные результаты диссертационной работы получены автором лично. Главными из них являются

1. Разработка имитационной потоковой модели системы.

2. Разработка математической модели современной САТП ЛОВЗ в виде СМО с неоднородной нагрузкой и приоритетным обслуживанием.

3. Создание алгоритмов управления динамически изменяемыми приоритетными очередями, обеспечивающих: независимость времени обработки запроса от длины очереди, возможность ожидания нескольких событий в различных очередях, возможность динамического изменения приоритета независимо в различных очередях, ограничение времени ожидания.

4. Разработка и апробирование методики определения предельных значений результатов имитационного моделирования расчетно-аналитическим способом.

5. Имитационное моделирование и оценка эффективности функционирования САТП ЛОВЗ..

6. Программная реализация САТП ЛОВЗ «Доступная среда» в виде интегрированного комплекса из трех подсистем со встроенным диспетчером динамических приоритетов.

Реализация полученных результатов. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-технических исследований кафедры "Информатика и программное обеспечение вычислительных систем» и являлась составной частью исследовательских мероприятий НИОКР «Комплекс программ для защиты пользователей Интернета от нежелательного контента» № 2902/409 от 07.09.2009 и НИР «Разработка многопараметрической информационной системы динамического управления нестационарными логистическими потоками» в рамках госконтракта 16.740.11.0130 от 02.09.2010 Минобрнауки России.

Все работы по программной реализации проводились под руководством или при непосредственном участии автора. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры в материалах курсов «Теория вычислительных процессов», «Технология разработки программного обеспечения», «Теория языков и методов

трансляции», читаемых для старших курсов специальностей № 230105.65, 230105.62, 230105.68

В результате проведенных исследований получены и выносятся на защиту следующие основные научные результаты:

1. Информационная потоковая модель, определяющая среднее время реализации отдельных процессов и пропускную способность САТП ЛОВЗ.

2. Математическая модель САТП ЛОВЗ, описывающая систему со сложной динамикой в условиях разнообразных типов данных и топологий сетей.

3. Алгоритмы управления динамически изменяемыми приоритетными очередями с ограничением времени ожидания, улучшающие качество обслуживания в меняющихся условиях, включающие:

• алгоритм постановки в очередь;

• алгоритм выталкивания из очереди;

• алгоритм постановки в очередь к специализированному таймеру.

4. Методика определения предельных значений результатов имитационного моделирования, заменяющая итерационный подход на расчётно-аналитический, что значительно ускоряет процесс моделирования.

5. Результаты имитационного моделирования системы, подтверждающие сокращение времени обработки запросов, уменьшение продолжительности ожидания обслуживания и количества отказов в обслуживании при пиковых нагрузках.

6. Программная реализация САТП ЛОВЗ «Доступная среда» на основе разработанных моделей, методики и алгоритмов, обеспечивающих повышение эффективности функционирования и надёжности обслуживания запросов.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• Всесоюзная научно-техническая конференция «Современное состояние и тенденции развития отечественных МСВТ» (Москва 1990г.);

• II Международная научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика» (Москва, Зеленоград, 2324 ноября 1995г.);

• Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы информатизации. Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем» (Москва, Зеленоград, МИЭТ, 29-30 ноября, 2007);

• VI-Международная научно-практическая конференция СКФ МТУ СИ «ИНФОКОМ-2013» (22-27 апреля, 2013).

По результатам исследований опубликовано 19 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 155 наименований и приложений. В приложениях приведены фрагменты листингов разработанного программного обеспечения и документы о внедрении. Общий объем диссертационной работы составляет 164 страниц машинописного текста с приложениями, 10 таблиц и 23 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность темы диссертации, цели и задачи исследования, научная и практическая значимость, приведено краткое содержание по главам.

В первой главе проводится анализ возможности создания автоматизированной системы, отвечающей требованиям к технологической поддержке жизнедеятельности JIOB3, в частности проанализированы общие проблемы автоматизации, а также проблемы выбора стратегии управления очередями, обеспечивающими заданное качество обслуживания запросов.

Показано, что весь необходимый функционал по автоматизации технологической поддержки жизнедеятельности лиц с ограниченными возможностями здоровья реализуется тремя автономными системами: системой взаимоотношения с социальными службами и

работодателями, системой обучения и системой комплексной реабилитации. Проблема создания единой многофункциональной системы автоматизации технологической поддержки

жизнедеятельности ,лиц с ограниченными возможностями здоровья (САТП ЛОВЗ) наталкивается на необходимость обработки значительных потоков информации с различными дисциплинами обслуживания, приоритетами и т.д.

В целях последующего исследования требуемых характеристик обосновано представление САТП в виде совокупности СМО или СеМО, исследованы параметры, влияющие на эффективность функционирования, качество и надёжность обслуживания, алгоритмы и дисциплины обслуживания. Проанализированы известные методы и алгоритмы управления очередями. Показаны недостатки вышеназванных алгоритмов в части решения существующей проблемной ситуации.

Результатом проведенных в первой главе исследований стала постановка цели и задач диссертационной работы.

Вторая глава посвящена моделированию САТП ЛОВЗ и созданию алгоритмических средств для обеспечения заданных характеристик качества обслуживания при изменяющихся внешних условиях, характерных для режима перегрузок.

Для обоснования технической реализуемости многофункциональной системы автоматизации технологической поддержки жизнедеятельности лиц с ограниченными возможностями здоровья, было проведено моделирование, в результате которого было определено время реализации отдельных процессов и пропускная способность системы. Информационную модель потоков системы представим в виде графа, показанного на рисунке 1. Приведенный процесс реализуется на системе из шести компонентов, представленной на рисунке 2.

Составим систему линейных уравнений сохранения потока, описывающих САТП ЛОВЗ

I- Статистика, учет 12- Контроль обучения

3- Управление реабилитацией 2-

4- Взаимодействие с социальными

органами 3-

5- Взаимодействие с медицинскими 4-учреждениями

6- Сбор и анализ информации по 5-взаимодействию с инвалидом

7- Взаимодействие с работодателем 68- Создание обучающих программ

9- Защита информации.

10- Обновление базы данных

II- Выполнение запроса в центре обработки данных

12- Передача на верхний уровень

13- Выполнение запроса в центре обработки данных

14- Передача на верхний уровень

Центр обработки данных (ЦОД)

Модуль управления реабилитацией (МУР) Модуль обучения (МО) Модуль учета и отчетности (МУО) Модуль социального работника (МСР) Модуль лица с ограниченными возможностями (МЛОВ)

Рисунок 1 Информационная Рисунок 2 Обобщенная модель потоков системы структура САТП ЛОВЗ

= ¿01^0 ¿2 = р\г\ Я3 = Р23^2

¿4 = ^24^2 + Р+ ^84 ^8 Я5 = Р35Я3

К ~ ^26^2 ' Ь = ^68^6

Ад = Р79Х7 +Р& 9Л3 + ^109^-10

^-10 = -^210^2 Яп = Р311Я3

^12 = ^712^7 + ^812^8 + 1о12^Ю ^13 = •/913/^9

Л-14 = ^414^4 + РП4^7 + -^814^8 + -^914-^ + ЛоН^Ю + ^1114^11 _Я]5 = ^1315^3 +/>1415Я14

На основании (1) рассчитаем интенсивность потока заявок для каждой технологической операции - Хк ; частоты обращения к компонентам - а, ; среднее время работы компонентов при одном обращении - Т0,; загрузку компонентов р: . После подстановки числовых значений вероятностей в (1) и решения системы линейных уравнений Я/ = а¡Ло, определяем значения а, ; а, =а2 = 1; ^=0,4; а4 =0,24; а, =0,26; «<¿=0,15; а^=0,12; а8 =0,07; аР=0,15; а,0=0,25; аи=0,1; о/г=0,08.а^=0,03;а^=0,62; а^О.65.

Вычисляем а, - частоты обращения к компонентам: а,- =^ак\ а2 = а3 + а4 + а5 + а6 + а9 + а10 + а12 + а13 + а14 + а15 = 2,83 ; а2 = аб + я12 + а13 = О- 26 ; а3 = а3 + а5 + ах х + а12 + а13 = 0,87; а4 =а4+ ап + ап = 0,35 ; а5 = а7 + а& + а10 + а12 + а13 = 0,55 ; а6 = ах + а2 + а3 + а9 + ац + а13 + а15 = 3,3.

Определяем среднее время работы компонентов системы при

одном обращении: T0¡ = | ш.

/ a,

При заданных t0¡: t0¡= 3 с; t02= 4 с; t03= 320 с; t04= 10 с; t05= 7 с; t0¿= 200 с; t07= 25 0 с; tos= 250 с ; t09= 15 с ; t¡0= 180 с; t„= 150 с, t,2= 10 с, tu- 120 с , t¡4= 180 с , t15= 3 с имеем

T01 = 104,6 с; TQ2 = ^06+^12+^13 = 129>2 с;

«2

Т03 = 170,6с; Г04 = Д4?04+^12+^13 =19|4с;

сг4

Г _ g7*07 + a8r08 + «10^10 + д12^12 + а1зАз 0

■<05 ~-= loo,z с;

«5

т - + °2?02 + ¿¥оЗ + a9f09 + Д1l'l1 + ^13Г13 + %?15 „-7 л ■'Об--—---- 4/,4 С.

«6

Загрузку компонентов вычисляем исходя из формулы: Pi=XiT0i=aiT0iX0.

С учетом среднестатистического значения Л0 =0,004 с"1 имеем: p¡ = a17,01Í0 =2,83-104,6-0,03 = 1,18; р2 = а27о2Ло = 0,13 ;

Р4 =«4704;!0 =0,03; ^5= «5^05^0 =0,37; Рб=сс6Т06Л0=0>63.

Таким образом, загрузка первой компоненты системы, тот есть центра обработки данных превышает предельно допустимую (>1) достаточно высока {p¡=l,18). Для разгрузки этой компоненты и системы в целом целесообразно использовать, оптимизацию вычислительных ресурсов, для которой необходимо разработать эффективные алгоритмы управления информационными потоками, основанные на использовании теории очередей.

Для создания эффективных алгоритмов управления очередями в работе предложена аналитическая модель САТП ЛОВЗ, представленная в виде разомкнутой СеМО с неоднородной нагрузкой, наиболее адекватно отображающей систему в условиях разнообразных типов данных, обрабатываемых в САТП ЛОВЗ. Математический аппарат теории массового обслуживания позволяет свести задачу расчёта характеристик узла сети к расчету независимых одноканальных СМО типа МЛЗ/1 с неоднородным потоком заявок и приоритетным обслуживанием. С этой целью проведены исследования характеристик и свойств различных дисциплин обслуживания (ДО): бесприоритетное обслуживание (БП), обслуживание с относительными (ОП) и абсолютными приоритетами (АП).

Эффективность функционирования системы в данном случае характеризуют средняя задержка запроса (ожидание в очереди) и вариация этой задержки, на основе которых легко рассчитываются остальные необходимые характеристики.

Для ДО БП средние времена ожидания одинаковы для всех классов заявок и определяются по следующей формуле:

я н

где Я = р1 = ^Г Я/6; - суммарная нагрузка системы. Отметим, что

/=1 ¡=1

средние времена пребывания в системе заявок разных типов, в общем случае, различны, так как различны длительности обслуживания : щ=м>+Ьк.

Для ДО ОП среднее время ожидания заявок типа к определяется по следующей формуле:

Х>?(1+»,2'

где Як./ и ^ — суммарные нагрузки, создаваемые заявками, которые имеют приоритет не ниже к-1 и к соответственно.

Для ДО АП среднее время ожидания заявок составит: Я

Х>/

щ =

1=1

1-^

Ч-1ьк

(4)

Также в работе предложены две математические модели для исследования характеристик СМО, улучшающих качество обслуживания в меняющихся условиях.

Модель СМО с уходом из очереди до начала обслуживания. Обозначим через Р„($ вероятность того, что в момент времени в очереди находится не более п клиентов, б (^-вероятность того, что клиент станет в очередь. Тогда:

№п+1 + К" +1 )Рп-\ = ~1)Рп ■ (5)

\2

которое имеет решение: рп = р0сп

соотношения 2 Рп=^ • и=О

я

где р0 определяется из

Принимая /?(«) =

М + Ф)'

имеем

сп = пои)яи+2). (6)

7=0

При соответствующем ограничении функций можно получить решение для случая, когда клиенты остаются необслуженными, либо из-за того, что они покидают очередь до начала обслуживания, либо из-за того, что они отказываются становиться в очередь.

Модель СМО с переходами из одной очереди в другую.

Рассмотрим систему, в которой последний запрос из более длинной очереди перемещается в более короткую очередь, как только разница составит более одного запроса. Исследуем этот случай на примере двухканальной СМО с пуассоновским входным потоком с

параметром и экспоненциальным временем обслуживания с параметрами и р2 соответственно. Пусть P(nhn2,t)- вероятность того, что в момент времени t в первом канале находится п/ запросов, а во втором канале - п2 запросов, то есть n=nt+n2 - общее число запросов в системе. Тогда если в первом канале больше на один запрос, то: P{nx,n2,t + ht) = \\-{X + fi{ + iu2)&t~\P(nx,n2,t) +

¿At „, , . (7)

+—Р{щ -1,п2,t) + (л2ЫР{щ,n2+\,t)

если во втором канале на один запрос больше, то: P{nun2,t + kt) = \\-(X + nx + fi2)bt]P{nun2,t) + Ш „, • (8)

+—Р{п{, п2 -1, г) + ц2МР{щ +1, «2,0

Для повышения эффективности управления очередью с использованием ДО ДП, в частности, для постановки объекта в несколько очередей, будем использовать специальную структуру типа rep (представитель), которая описывает параметры задачи в данной очереди. Массив указателей Рг[0...шах], число элементов массива связано со значениями приоритета: Рг[0] указывает на первый элемент очереди, Рг[1] указывает на последний элемент имеющий значение приоритета 1 и т.д. Если в системе несколько очередей, то каждой из них соответствует свой массив указателей (рисунок .3).

В очереди 1 находятся элементы а,Ь,с и d типа rep. В очереди 2 -элементы g,h,ij. Задача task А стоит в очереди 1, задача task В - в обеих очередях, причём в очереди 1 с приоритетом 1, а в очереди 2-е приоритетом 3. Элемент b имеет пустое значение OBJ, поэтому значение TAG безразлично (в частности, потому, что задача, на которую ссылается Ь, была аннулирована во время ожидания в очереди). Таким образом, представители, попав в какую-нибудь очередь, не исключаются из неё до тех пор, пока не станут первыми в очереди, хотя при этом они могут ни на что не ссылаться. Элемент е ссылается на задачу task В и содержит счётчик ссылок на себя (равный 2) от элементов с и h. Когда один из этих элементов будет выталкиваться из очереди, можно будет по цепочке ссылок добраться до task В, а в

элементе е уничтожить ссылку на task В и уменьшить количество ссылок, тогда е будет иметь состояние аналогичное к.

Рг1

3

2 null

1

0

Очередь 1

| а | | -Н b | null І

Task А

Г

Очередь 2

0

1 null

2

3

Z34Z

null

f I null І пйіГ

Рисунок 3 - Конфигурация с двумя очередями.

Когда один из этих элементов будет выталкиваться из очереди, можно будет по цепочке ссылок добраться до task В, а в элементе е уничтожить ссылку на task В и уменьшить количество ссылок, тогда е будет иметь состояние аналогичное к. При этом task В можно передать содержимое поля MESSAGE для определения очереди, из которой произошло выталкивание. Элементы типа rep, вытолкнутые из очереди, а также те, на которые больше нет ссылок (т.е. при обнулении COUNTER) поступают в пул свободных элементов.

Разработаны три взаимосвязанных алгоритма, позволяющие строить гибкие стратегии ДО для сохранения эффективности обработки запросов в изменяющихся условиях. При этом конфигурации со многими очередями, описанные выше приобретают следующие уникальные свойства: независимость времени обработки запроса от длины очереди, возможность ожидания нескольких событий в различных очередях, возможность динамического изменения приоритета независимо в различных очередях.

Классическими элементами управления являются постановка в очередь (см. рисунок 4) и выталкивание из очереди (рисунок 5).

Рисунок 4 - Схема алгоритма постановки в очередь

Ограничение времени ожидания в очереди является важной характеристикой при построении гибких стратегий обслуживания.

Для обеспечения данной функции разработан алгоритм постановки в очередь к специализированному таймеру (рисунок 6).

Таймер представляет собой совокупность счётчика с типа time и указателя U на структуру, определяющую параметры очереди.

Далее в счбтчик загружается новое значение из очередного элемента очереди.

Разработанные модели и алгоритмы позволяют получить новое качество при создании сложных стратегий ДО ДП и смешанных ДО, повышающих эффективность обработки запросов и улучшающие

характеристики САТП ЛОВЗ при изменяющихся внешних условиях

Рисунок 5 - Схема алгоритма выталкивания из очереди 20

т- N.1

Т = Т-С и/ш и

= 0

>

р^-уу.пехі ги|Т^>-

w=•w.nвкt '\Л/.пехІ=М

Т • Т-"\Л/.-пехІ.Т 'Ы-Т - Т

•Е.пехі = 'ІЛЛоЬ) •ШоЬІ - Н геїеав (Ы)

•М.пех! ■ "\Л/.пех1

*\ЛЛпе>й N

•ы.т •(•Ы.пв^.Т

•(•Ы.па>Л).Т = -Т

Рисунок 6 - Схема алгоритма постановки в очередь к таймеру

Глава третья посвящена разработке методики, позволяющей аналитически получать предельные значения результата имитационного моделирования, которое применяется для верификации теоретических исследований. Точность имитационного моделирования зависит от количества итераций, которые в общем случае занимают значительное время и ресурсы вычислителя, кроме того возникает дополнительная нетривиальная задача выбора количества итераций. Представленная методика исключает вышеперечисленные проблемы и включает следующие этапы.

Этап 1. Представление объекта моделирования в виде графа переходов. Вершины графа соответствуют состояниям системы, а дуги всем возможным изменениям состояний. Каждая итерация моделирования заключается в выборе случайного пути по графу от начальной до конечной вершины. Вес дуги - это случайная величина, добавляемая к расчетному значению при прохождении по этой дуге

Этап 2. Вывод регулярного выражения, описывающего множество переходов графа. Сложное регулярное выражение Ь строится из более простых А,В, ...Ко помощью операций трёх типов:

1. Конкатенация Z = АВ...К;

2. Альтернация (выбор альтернативы) Ь = А+В+... +К

3. Итерация Ь= А*

Этап 3. По регулярному выражению строится формула для расчета необходимых средних значений. В простейшем случае рассчитывается математическое ожидание и дисперсия, для более детального анализа используется функция распределения случайной величины. Результатом моделирования является усреднение сумм случайных величин по всем возможным путям в графе переходов.

Для построения формулы регулярного выражения определяем характеристики весов дуг графа: математическое ожидание, дисперсию и вероятности прохождения дуг графа в точках разветвления. Мат.ожидание (М) и дисперсия (В) вычисляются по следующим формулам:

~ Для конкатенации ,, _ ,, , ,, . , ,,

~ Для альтернации: М РА* М А Р,'М. + ~ +Р,'М <

~ Для итерации:

где N обозначает случайное количество итераций.

Последовательно подставляя в эти формулы конкретные численные значения, получаем значения мат.ожидания и дисперсии.

Применим предложенную методику для моделирования отдельно взятого узла САТП ЛОВЗ - сервера общих банков данных.

Модель узла как разомкнутой СеМО представлена на рис.7. СМ01 моделирует работу канала ввода, среднее время обслуживания равно времени приёма входного запроса, СМ02 моделирует работу процессорного блока (блока обработки запроса), среднее время обслуживания равно времени формирования ответа на запрос.

Рисунок 7- Модель узла САТП ЛОВЗ в виде разомкнутой СеМО.

Во время обработки запроса с вероятностью р23 происходит обращение к дисковой подсистеме (СМОЗ), после чего следует повторное обращение к процессору. СМ04 моделирует работу канала вывода, среднее время обслуживания равно времени выдачи выходного сообщения. Граф переходов модели узла представлен на рисунке 8.

Здесь узел «О» обозначает внешнюю среду, генерирующую и поглощающую запросы. Матрица вероятностей переходов:

0 рп 0 0 0

0 Рп Рп 0 0

0 0 0 Аз р»

0 0 Р-п 0 Рм

Р 40 0 0 0 0

Для удобства расчёта введём следующие обозначения: а=Ро1. Ъ= рп, с= рп, р23, е= р24, р32, g= р34, Ь= р40.

Рисунок 8- Граф модели узла САТП ЛОВЗ.

Для графа переходов модели множество путей описывается следующим регулярным выражением:

(аЬмс(с10*№ + е)Ь)н.

Предложенная методика позволяет повысить точность имитационного моделирования системы.

Четвертая глава посвящена программной реализации САТП ЛОВЗ. Определена структура системы автоматизации с использованием разработанных в диссертации моделей, методик и алгоритмов, обеспечивающих повышение эффективности функционирования системы при меняющихся условиях обслуживания информационных потоков. Архитектура САТП ЛОВЗ «Доступная среда» представляет собой многоцелевой программный комплекс, включающий три подсистемы (рисунок 9):

Межведомственная Электронная Приёмная Инвалида (МЭПИ); Интегрированная Система Комплексной Реабилитации Инвалидов (ИСКРИ);

Автоматизированное Рабочее Место Индивидуального Обучения (АРМИО).

Сотрудники социальных служб

Интерфейс сопровождения (для здоровых людей)

Загрузка ИПР и . обучающих программ

Инвалид л

X

::. .Спец. приспособления и; • интерфейс^ учитывающие. ''"нозологию/инвалида ■■••■ :

Компьютер инвалида

АРМИО

МЭПИ '.«'клиент

Статистика обучения

т:

Взаимодействие с организациями ;

П

■Защищенные интернет-канал ы і связи ^«й

Экспертиза

Создание ИПР

Спец. устройства!:

Взаимодействие организаций

Создание

ОБД

Учёт, контроль, отчётность

— Управление реабилитацией

X

Сервер общих банков

Взаимодействие с инвалидам

МЭПИ^сёрв ёр;

Компьютер организации

ОРГАНИЗИЦИИ :

- Медико-социальная экспертиза

- Социальная защита

- Образование

- Медицинские учреждения

- Физкультура и спорт

- Общественные организации

- Работодатели

Рисунок 9- Структура системы автоматизированной технологической поддержки жизнедеятельности лиц с ограниченными возможностями здоровья - САТП ЛОВЗ «Доступная среда»

мэпи и АРМИО, располагаясь на компьютере ЛОВЗ, оснащены специализированными приспособлениями для различных нозологических групп: слабовидящих, слабослышащих, обездвиженных Специализированные интерфейсы и программное обеспечение облегчает доступ и восприятие информации для ЛОВЗ.

В САТП ЛОВЗ «Доступная среда» используются общие банки данных (ОБД), с помощью которых решаются такие важные проблемы, как: исключение многократного дублирования данных в различных организациях-пользователях, непротиворечивость и актуальность данных: получение информации из одного и того же источника, изменения, внесённые одной организацией, становятся доступными всем пользователям, возможность сокращения персонала, работающего с данными и привлечения более квалифицированных кадров, применение автоматизированных средств поиска и аналитической обработки данных, надежное хранение и защита данных. Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям и верификации полученных в диссертации результатов. Эксперимент проводился с использованием аналитических и имитационных методов на обобщенной модели узла сервера общих банков данных САТП ЛОВЗ. Для аналитических расчётов использовались статистические данные (7000 наблюдений). Расчёты основных характеристик проводились для разных ДО - БП, ОП, ДП1 (ДО с переходом из одной очереди в другую), ДП2 (ДО с уходом из очереди до- начала обслуживания) и разных типов запросов с использованием предложенных во второй главе диссертационной работы алгоритмов обслуживания очередей. Численный анализ показывает, что в диапазоне X от 0.2 до 1.4 с минимальной погрешностью 0,02 значения характеристик узла СОБД, полученные разработанным методом аналитического расчёта, совпадают с точными результатами имитационного моделирований. Поэтому можно сделать вывод, что при значениях нагрузки до 1,4 вызовов/с относительная погрешность не превышает 5%, что является неплохим результатом и, следовательно, подтверждает правильность предложенной методики аналитического расчёта, которая может быть использована на практике. Графическая

зависимость среднего времени ожидания СМО при различных дисциплинах обслуживания представлена на рисунке 10.

\л/

Интенсивность потокэ

Рисунок 10- Среднее время ожидания СМО при различных дисциплинах обслуживания (ДО: БП, ОП, ДП1, ДП2).

На графике рис. 11 показаны результаты экспериментов посвященных исследованию влияния ДО на основные характеристики САТП ЛОВЗ.

Анализ графика показывает наличие трёх зон функционирования САТП ЛОВЗ: 1 - зона обслуживания всех заявок, 2-отказ в обслуживании низкоприоритетных заявок и обслуживание высоко приоритетных( 1,2); 3 - обслуживаются только заявки с приоритетом 1. Использование ДО ДП1 расширяет зону 1, ДО ДП2 -зону 2, то есть происходит перераспределение значений Ж между различными типами запросов, что позволяет обеспечить требуемый уровень времени ожидания в очереди для каждого класса заявок.

типов от нагрузки и дисциплины обслуживания

В таблице 1 представлены результаты экспериментальной проверки эффективности алгоритмов управления очередями

Таблица 1

Среднее количеств о отказов при пиковых нагрузках Среднее время ожидания обслуживая ия Среднее время обработки запроса Максималь ная загрузка компоненте в системы

Стандартный механизм обслуживания заявок 26,23 3,45 3,30 1,18

Предложенный механизм с использованием алгоритмов управления очередями 6,90 1,90 1,27 0,67

Таким образом, в результате экспериментальных исследований установлено, что предложенные алгоритмы управления очередями

обеспечивают сокращение времени обработки запросов в 2,6 раза, уменьшение продолжительности ожидания обслуживания на 45% и количества отказов в обслуживании при пиковых нагрузках в 3,8 раза, уменьшение максимальной загрузка компонентов системы в 1,76 раза. Следовательно, результаты экспериментальных исследований позволяют говорить о возможности создания многофункциональной системы автоматизации технологической поддержки жизнедеятельности лиц с ограниченными возможностями здоровья с высокой эффективностью обслуживания информационных заявок.

В заключении диссертации сформулированы основные выводы и полученные результаты, рассмотрены перспективы для дальнейших исследований.

В приложении приведены листинги САТП ЛОВЗ «Доступная среда», а также копии свидетельств регистрации программ на ЭВМ и акты внедрения.

Основные результаты и выводы

В диссертационной работе, на основе разработанных методик и алгоритмов, решена научная проблема обеспечения заданного качества обслуживания запросов распределённой САТП ЛОВЗ в меняющихся условиях, при этом получены следующие основные научные и практические результаты:

1. Для обоснования возможности реализации системы автоматизации технологической поддержки жизнедеятельности лиц с ограниченными возможностями здоровья разработана информационная потоковая модель системы, позволяющая оценить загрузку компонентов системы.

2. Разработаны математические модели системы, направленные на исследования характеристик и свойств различных дисциплин обслуживания (ДО): бесприоритетное обслуживание (БП), обслуживание с относительными (ОП), абсолютными (АП) и динамическими (ДП) приоритетами.

3. Созданы алгоритмы управления динамически изменяемыми приоритетными очередями с ограничением времени ожидания, улучшающие качество обслуживания в меняющихся условиях, включающие: алгоритм постановки в очередь; алгоритм выталкивания из очереди; алгоритм постановки в очередь к специализированному

таймеру.

4. Предложена методика определения предельных значений результатов имитационного моделирования системы расчетно-аналитическим способом. Подтверждена высокая сходимость результатов имитационного моделирования и аналитических расчетов.

5. В результате экспериментальных исследований установлено, что предложенные алгоритмы управления очередями обеспечивают сокращение времени обработки запросов в 2,6 раза, уменьшение продолжительности ожидания обслуживания на 45% и количества отказов в обслуживании при пиковых нагрузках в 3,8 раза, уменьшение максимальной загрузки компонентов системы в 1,76 раза.

6. Программно реализована система автоматизации технологической поддержки жизнедеятельности ЛОВЗ «Доступная среда», включающая три подсистемы: межведомственную электронная приёмная инвалида (МЭПИ); интегрированную систему комплексной реабилитации инвалидов (ИСКРИ); автоматизированное рабочее место индивидуального обучения (АРМИО).

7. Результаты диссертационных исследований внедрены в учебный процесс Национального исследовательского университета "МИЭТ", в НИОКР кафедры ИПОВС «Комплекс программ для защиты пользователей Интернета от нежелательного контента» № 2902/409 от 07.09.2009 и НИР «Разработка многопараметрической информационной системы динамического управления нестационарными логистическими потоками» в рамках госконтракта 16.740.11.0130 от 02.09.2010 Минобрнауки России, а также в ОСОО «Союз «Чернобыль» России».

Основные результаты диссертационной работы представлены в следующих публикациях.

1. Дорогов В. Г. Архитектура бортовой высокопроизводительной управляющей вычислительной системы, поддерживающей элементы экспертных систем. Сб. «Специальная электроника», серия 10, выпуск 1(26), 1990г, с.28-34.

2. Дорогов В. Г. и др. Архитектура высокопроизводительной вычислительной системы с прозрачным мультипроцессированием// Всесоюзная научно-техническая конференция «Современное

состояние и тенденции развития отечественных МСВТ» тезисы докладов- Москва 1990г.,с.40.

3. Дорогов В.Г. и др. Некоторые аспекты контроля качества фотоэлектронных приборов с применением инструментального средства для оперативного построения и анализа простых математических моделей. - Вторая международная научно-техническая конференция «Микроэлектроника и информатика», (Зеленоград, 23-24 ноября 1995г.). Тезисы докладов. - М., 1995. -С.21

4. Дорогов В.Г., Гагарина Л.Г. Методика моделирования процесса технологических испытаний при выходном контроле фотоэлектронных приборов на основе алгоритма идентификации и замены общих частей выражений. - Вторая международная науч,-техн. конф. «Микроэлектроника и информатика», (Зеленоград, 2324 ноября, 1995г.) Тезисы докладов — М., 1995. - С.25-26

5. Дорогов В.Г., Гагарина Л.Г., Дубовой Н.Д. Автоматизированные системы управления технологическими испытаниями фотоэлектронных приборов. Сб. трудов Международной академии информатизации, М., Зеленоград: Научный центр, 1997. - С.239-251.

6. Дорогов В.Г., Гагарина Л.Г. Реорганизация массивов при разработке программного обеспечения для автоматизированной системы контроля производства интегральных схем.- «Оборонный комплекс — научно-техническому прогрессу России». М.: ВИМИ, 1999, —№1-2 С.37-39 (ВАК)

7. Дорогов В.Г., Гагарина Л.Г.Некоторые аспекты оптимизации прикладных задач при имитационном моделировании процесса производства интегральных схем. - «Оборонный комплекс — научно-техническому прогрессу России». М.: ВИМИ, 1999. —

2. С.40-46. (ВАК)

8. Дорогов В.Г., Гагарина Л.Г. Особенности автоматизированного планирования работ производственного подразделения с применением математического аппарата мультимножеств. «Оборонный комплекс — научно-техническому прогрессу России». М.: ВИМИ, 1999. —№4 С. 34- 38 (ВАК)

9. Дорогов В.Г., Гагарина Л.Г. К вопросу организации электронного документооборота автоматизированной системы контроля

производства интегральных схем с применением различных стратегий распределения неразделяемого ресурса. - «Оборонный комплекс — научно-техническому прогрессу России». М.: ВИМИ, 1999. — №3. С. 28-34. (ВАК)

10. Дорогов В.Г., Гагарина Л.Г. Автоматизированная информационная система для мониторинга кадровой потребности города как средство повышения эффективности кадровой политики. -«Оборонный комплекс — научно-техническому прогрессу России». М.: ВИМИ, 2000. — №2, С. 38-44 (ВАК)

11. Дорогов В. Г.. Дорогова Е. Г. Разработка методики построения программных средств нейтрализации информационных рисков в автоматизированных системах управления технологическими процессами. - Естественные и технические науки,- М.: «Спутник+», №2(28), 2007г., с.217. (ВАК)

12. Дорогов В. Г.. Дорогова Е. Г Архитектурно - аппаратное решение комплекса средств нейтрализации информационных рисков в автоматизированных системах управления технологическими процессами. - «Техника и Технология». - М.: «Спутник+», №4, 2007. С. 45-48.

13. Дорогов В. Г.. Дорогова Е. Г Структуризация оцениваемых факторов как метод количественной оценки информационных рисков. Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция «Актуальные проблемы информатизации. Развитие информационной инфраструктуры, технологий и систем». Тезисы докладов. - М. МИЭТ, 2007г., с. 36.

14. Гагарина Л.Г., Дорогов В. Г., Кольцов В.Б., Теплова Я.О. Свидетельство об официальной регистрации программы № 2009612669 «Программное обеспечение для проектирования сетей постов экологического мониторинга в крупных населенных пунктах - ПО РПЭО». - М.: РОСПАТЕНТ 27.05.2009.

15. Дорогов В. Г., Гагарина Л.Г., Баин A.A., Свидетельство об официальной регистрации программы, № 2010611539 «Фильтр Баина-Харыбина». - М.: РОСПАТЕНТ 24.02.2010.

16. Дорогов В. Г., Гагарина Л. Г., Захаркина В. Н Технико-экономические аспекты создания сети центров коллективного пользования // Межотраслевой научно-технический журнал

«Оборонный. Комплекс научно-техническому прогрессу России», №1, 2012г., с.76-80 (ВАК)

17. Гагарина Л. Г., Дорогов В. Г., Захаркина В. Н. Методика оценки эффективности деятельности центров коллективного пользования // Межотраслевой научно-технический журнал «Оборонный комплекс - научно-техническому прогрессу России», №1, 2012г., с.81-85

18. Дорогов В.Г., Дорогова Е.Г., Гагарина Л.Г., Портнов Е.М., Теплова Я.О. Разработка алгоритмических средств для обеспечения заданных характеристик качества обслуживания запросов в пациент-ориентированной системе информационной поддержки для лиц с ограниченными возможностями здоровья. //М., Спутник+, «Аспирант и соискатель». №1, 2013. С.80-83.

19. Дорогов В.Г., Дорогова Е.Г., Гагарина Л.Г., Портнов Е.М., Теплова Я.О. Математическая модель пациент-ориентированной системы информационной поддержки для лиц с ограниченными возможностями здоровья М., Спутник+, «Актуальные проблемы современной науки»». №2, 2013. С. 124-127.

Подписано в печать: Заказ Тираж 100 экз. Уч.изд.л.

Формат 60x84 1/16. Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ. 124498, Москва, г. Зеленоград, проезд 4806, д.5, МИЭТ.

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "МИЭТ"

На правах рукописи

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДДЕРЖКИ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЛИЦ С ОГРАНИЧЕННЫМИ ВОЗМОЖНОСТЯМИ ЗДОРОВЬЯ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в приборостроении)

04201361493

Дорогов Виктор Георгиевич

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор

Л.Г.Гагарина

Москва, 2013

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

АРМИО Автоматизированное рабочее

место индивидуального обучения

АС Автоматизированная система

ДО Дисциплина обслуживания

(заявок)

ДО АП дисциплина обслуживания заявок

с абсолютными приоритетами

ДО БП бесприоритетная дисциплина

обслуживания

ДО ДП1 дисциплина обслуживания заявок

с переходом из одной очереди в другую

ДО ДП2 ■ дисциплина обслуживания заявок

с уходом из очереди до начала обслуживания

ДО ОП дисциплина обслуживания заявок

с относительными приоритетами

ИСКРИ Интегрированная система

комплексной реабилитации инвалидов

ЛОВЗ Лицо с ограниченными

возможностями здоровья

МЭПИ Межведомственная электронная

приемная

ОБД Общий банк данных

ПК Персональный компьютер

ПЭВМ Персональная ЭВМ

САТП Система автоматизации

технологической поддержки

СеМО Сеть массового обслуживания

СМО Система массового обслуживания

ЭВМ

Электронная вычислительная машина

ОГЛАВЛЕНИЕ

Условные обозначения и сокращения

Введение ^

Глава 1. Анализ существующих методов и средств для создания 17

систем автоматизации технологической поддержки

1.1. Основные элементы современной индустриальной технологии 17 создания автоматизированных систем

1.2. СОТБ-решения современной индустриальной технологии 20 автоматизации

1.3. Современные подходы и классификационные характеристики 25 автоматизированных систем

1.4. Обобщенная структура и компоненты системы автоматизации 29 технологической поддержки лиц с ограниченными возможностями здоровья

1.5. Обоснование исследования САТП ЛОВЗ как стохастической сети 32

массового обслуживания

1.6. Аналитический обзор алгоритмов решения задач повышения 35

качества обслуживания запросов в СМО и СеМО

1.7. Постановка задачи диссертации 44 Выводы по главе 45

Глава 2. Разработка информационной модели САТП ЛОВЗ и 46 создание алгоритмических средств управления динамическими очередями с ограничением времени ожидания

2.1 Разработка и анализ информационной модели системы автоматизации 46 технологической поддержки жизнедеятельности ЛОВЗ

2.2. Исследование характеристик и свойств дисциплин обслуживания на 52 основе представления САТП в виде разомкнутой СеМО с неоднородной нагрузкой

2.3. Разработка эффективных алгоритмов управления очередями с 60

динамически изменяемыми приоритетами и ограничением времени ожидания.

2.3.1. Алгоритм выталкивания из очереди 65

2.3.2. Алгоритм постановки в очередь 68

2.3.3. Алгоритм постановки в очередь к таймеру. 70 Выводы по главе 73

Глава 3. Разработка методики определения предельных значений 74 результатов имитационного моделирования системы расчетно-аналитическим способом

3.1. Классификация методов и видов моделирования автоматизированных 74 систем

3.2. Выбор инструментальной среды имитационного моделирования 83 САТП ЛОВЗ

3.3. Разработка методики получения предельных значений результата 86 имитационного моделирования

3.4. Моделирование системы автоматизации технологической поддержки 89 ЛОВЗ в виде разомкнутой СеМО

3.5. Апробация методики определения предельных значений результатов 90 имитационного моделирования системы

Выводы по главе 93

Глава 4. Структурно - аппаратное решение и программная 94 реализация САТП ЛОВЗ «Доступная среда»

4.1. Системообразующие требования к параметрам и функциям САТП 94

4.2. Состав и параметры системы автоматизации технологической 97 поддержки лиц с ограниченными возможностями здоровья

4.3. Структура САТП ЛОВЗ «Доступная среда» 98

4.3.1. Интегрированная система комплексной реабилитации 99 инвалидов - ИСКРИ

4.3.2. Межведомственная электронная приёмная инвалида - МЭПИ 100

4.3.3. Автоматизированное рабочее место индивидуального 103 обучения - АРМИО

4.4. Технические аспекты применения общих банков данных 103

Выводы по главе 107

Глава 5. Экспериментальные исследования и верификация 108 полученных результатов

5.1. Особенности функционирования имитационной модели САТП 110 ЛОВЗ

5.2. Применение методики аналитического расчёта для определения 114 параметров моделирования

5.3. Экспериментальные исследования характеристик САТП ЛОВЗ 117 «Доступная среда» в режиме перегрузки

Выводы по главе 120

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 121

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 123

Приложение 1 Листинги фрагментов программной реализации 136

Приложение 2 Акты внедрения 164

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

В настоящее время проблема создания эффективных автоматизированных пациент-ориентированных информационных систем в медицине, образовании и социальной сфере является весьма актуальной. Задача формирования на местах для лиц с ограниченными возможностями здоровья доступной среды предполагает необходимость создания специальных технических и программных средств реабилитации на базе программно-аналитической и информационной среды [7, 8, 35, 53, 55, 57, 61,113].

На сегодняшний день отсутствует единая информационная инфраструктура, которая позволила бы реализовать и внедрить инновационные модели осуществления научной, образовательной, физкульгурно-реабилитационной, методической и др. деятельности по созданию условий для повышения уровня и качества жизни лиц с ограниченными возможностями здоровья и членов их семей. Весь необходимый функционал по автоматизации технологической поддержки жизнедеятельности лиц с ограниченными возможностями здоровья реализуется тремя автономными системами: системой взаимоотношения с социальными службами и работодателями, системой обучения и системой комплексной реабилитации.

Проблема создания единой многофункциональной системы автоматизации технологической поддержки жизнедеятельности лиц с ограниченными возможностями здоровья (САТП ЛОВЗ) связана с необходимостью обработки значительных потоков информации с различными дисциплинами обслуживания, приоритетами и т.д. [2,11,38,41,99]. Выполнение заданных требований реализуется с помощью различных приоритетных дисциплин обслуживания запросов с приоритетами, изменяющимися динамически и управляемым временем ожидания. При этом наиболее критичными для программного обеспечения САТП ЛОВЗ являются характеристики надёжности обслуживания и скорости обработки данных. В целях обеспечения требуемых значений указанных характеристик целесообразно представить САТП в виде совокупности систем или сетей массового обслуживания (СМО или СеМО),

исследовать их параметры (приоритет, время ожидания, длина и т.п.), алгоритмы и дисциплины обслуживания. Теоретические основы создания автоматизированных информационных систем в предметной области, средств обработки информационных потоков на основе теории очередей и массового обслуживания заложены в трудах Кёнига Д., Кофмана А., Крюона Р., Кленрока Л., G. Rejda, S. Breidenbach, Прохорова H.JI., Рейзмана Я.А., Бондаревского А.С., Панасенко С.П. и др. Однако, все они связаны с изучением отдельных аспектов автоматизации, не затрагивающих важных процессов обработки больших массивов данных. Возникающие при этом проблемы повышают требования к характеристикам обслуживания: необходимо, в частности, обеспечить заданные (требуемые) параметры - время задержки, время обслуживания, длину очереди запросов и т.п., особенно при изменении внешних условий (в случае перегрузки и в нештатных ситуациях) [6,15,30,36,67,84].

Существующие в настоящее время решения, такие как аппаратно-программные комплексы для социальной адаптации лиц с ограниченными возможностями здоровья (ООО «Терминал Столица»), программное обеспечение для программирования роботов с функцией обучения конструированию и программированию ПервоРобот NXT (Россия, для дистанционного обучения), Hardware-software complex "Dashpoint" for learning and communication of deafblind people и др. являются узкоспециализированными и ориентированы либо на процессы дистанционного обучения, либо реабилитации.

Таким образом, актуальной является проблема создания автоматизированных систем, обеспечивающих весь необходимый функционал по медицинской и социальной реабилитации, обучению, взаимодействию с работодателями, создание моделей и алгоритмов эффективного обслуживания заявок, значительно снижающих вероятность возникновения очередей в системе.

Целью диссертации является создание теоретических и практических подходов, позволяющих впервые в рамках одной автоматизированной системы реализовать инструментарий осуществления социальной, образовательной, физкультурно-реабилитационной, методической и др. деятельности по созданию

условий для повышения уровня и качества жизни лиц с ограниченными возможностями здоровья и членов их семей . Реализация системы основывается на разработке информационной и математической модели ее функционирования в условиях разнообразных типов данных и топологий сетей, алгоритмов эффективного управления динамическими приоритетными очередями и специализированным таймером.

В соответствии с указанными целями в работе решаются следующие задачи:

— анализ возможности создания автоматизированных систем для технологической поддержки жизнедеятельности ЛОВЗ;

V

— разработка информационной потоковой модели системы;

- разработка алгоритмов управления динамически изменяемыми приоритетными очередями с ограничением времени ожидания;

- разработка методики определения предельных значений результатов имитационного моделирования расчётно-аналитическим способом;

- имитационное моделирование системы в виде СМО с неоднородной нагрузкой и приоритетным обслуживанием запросов;

— программная реализация разработанных моделей, методики и алгоритмов в составе многоцелевой САТП ЛОВЗ «Доступная среда».

Методы исследования. Теоретическую и методологическую базу исследования составили системный подход к моделированию сложных систем, ключевые положения кибернетики, общей теории систем и теории очередей. При решении конкретных задач использовались труды отечественных и зарубежных ученых в области теории случайных процессов, имитационного моделирования, теории вероятностей, математической статистики, теории графов.

Научная новизна. Диссертационная работа представляет собой совокупность научно обоснованных технических решений, направленных на создание автоматизированных систем, обеспечивающих весь необходимый функционал по медицинской и социальной реабилитации, обучению,

взаимодействию с работодателями, создание моделей и алгоритмов эффективного обслуживания заявок, значительно снижающих вероятность возникновения очередей в системе.

В процессе исследований и разработок получены следующие новые научные результаты:

1. Для обоснования возможности реализации системы автоматизации технологической поддержки жизнедеятельности лиц с ограниченными возможностями здоровья разработана информационная потоковая модель системы, позволяющая оценить загрузку компонентов системы.

2. Разработаны математические модели системы, направленные на исследования характеристик и свойств различных дисциплин обслуживания (ДО): бесприоритетное обслуживание (БП), обслуживание с относительными (ОП) и абсолютными приоритетами (АП).

3. Созданы алгоритмы управления динамически изменяемыми приоритетными очередями с ограничением времени ожидания, улучшающие качество обслуживания в меняющихся условиях, включающие: алгоритм постановки в очередь; алгоритм выталкивания из очереди; алгоритм постановки в очередь к специализированному таймеру.

4. Предложена методика определения предельных значений результатов имитационного моделирования системы расчетно-аналитическим способом.

5. Разработана методика имитационного моделирования САТП ЛОВЗ.

6. Программно реализована система автоматизации технологической поддержки жизнедеятельности ЛОВЗ «Доступная среда», включающая три подсистемы: межведомственную электронную приёмную инвалида (МЭПИ); интегрированную систему комплексной реабилитации инвалидов (ИСКРИ); автоматизированное рабочее место индивидуального обучения (АРМИО).

Научная новизна полученных результатов работы подтверждена свидетельствами об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2009612669, № 2010611539, № 2012611462, зарегистрированных в РОСПАТЕНТ 27.05.2009, 24.02.2010, 07.02.2012.

Достоверность полученных результатов определяется корректным применением теории массового обслуживания и теории очередей, подтвержденных данными имитационного моделирования САТП ЛОВЗ. Теоретические предложения и расчеты автора в соответствии с впервые выведенными математическими моделями характеризуются высокой степенью сходимости с результатами имитационного моделирования и опытной эксплуатации системы.

Практическая ценность работы заключается в том, что основные положения, выводы и рекомендации диссертации ориентированы на широкое применение разработанных моделей, методики и алгоритмов для реализации и масштабирования САТП ЛОВЗ. Результаты исследования доведены до конкретных алгоритмов, методик и программной реализации. Самостоятельное практическое значение имеют:

1. Имитационная модель САТП ЛОВЗ.

2. Алгоритмы управления динамически изменяемыми приоритетными очередями с ограничением времени ожидания.

3. Методика расчета предельных значений результатов имитационного моделирования, позволяющая заменить итерационный подход на расчётно-аналитический, значительно ускоряющий процесс моделирования.

4. Программная реализация САТП ЛОВЗ «Доступная среда» на основе разработанных моделей, методики и алгоритмов.

5. В результате экспериментальных исследований установлено, что предложенные алгоритмы управления очередями обеспечивают сокращение времени обработки запросов в 2,6 раза, уменьшение продолжительности ожидания обслуживания на 45% и количества отказов в обслуживании при пиковых нагрузках в 3,8 раза, уменьшение максимальной загрузки компонентов системы в 1,76 раза.

Практическая значимость подтверждена актами внедрения результатов диссертационной работы в ОСОО «Союз «Чернобыль России», в НИР и НИОКР, а также учебный процесс НИУ «МИЭТ»

Личный вклад автора. Все основные результаты диссертационной работы получены автором лично. Главными из них являются

1. Разработка имитационной потоковой модели системы.

2. Разработка математической модели современной САТП ЛОВЗ в виде СМО с неоднородной нагрузкой и приоритетным обслуживанием.

3. Создание алгоритмов управления динамически изменяемыми приоритетными очередями, обеспечивающих: независимость времени обработки запроса от длины очереди, возможность ожидания нескольких событий в различных очередях, возможность динамического изменения приоритета независимо в различных очередях, ограничение времени ожидания.

4. Разработка и апробация методики определения предельных значений результатов имитационного моделирования расчетно-аналитическим способом.

5. Имитационное моделирование и оценка эффективности функционирования САТП ЛОВЗ.

6. Программная реализация САТП ЛОВЗ «Доступная среда» в виде интегрированного комплекса из трех подсистем со встроенным диспетчером динамических приоритетов.

Реализация полученных результатов. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с планом научно-технических исследований кафедры "Информатика и программное обеспечение вычислительных систем» и являлась составной частью исследовательских мероприятий НИОКР «Комплекс программ для защиты пользователей Интернета от нежелательного контента» № 2902/409 от 07.09.2009 и «Разработка многопараметрической информационной системы динамического управления нестационарными логистическими потоками» в рамках госконтракта 16.740.11.0130/2005/409 от 02.09.2010 Минобрнауки России.

Все работы по программной реализации проводились под руководством или при непосредственном участии автора. Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры в материалах курсов «Теория вычислительных процессов», «Технология разработки программного

обеспечения», «Теория языков и методов трансляции», читаемых для старших курсов специальностей № 230105.65, 230105.62, 230105.68

В результате проведенных исследований получены и выносятся на защиту следующие основные научные результаты:

1. Информационная потоковая модель, определяющая среднее время реализации отдельных процессов и пропускную способность САТП ЛОВЗ.

2. Математическая модель САТП ЛОВЗ, оп�