автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Исследование и реализация программного обеспечения управления данными для автоматизированных систем оперативного управления военной связью

На правах рукописи

ЯГ б од з о ц-дз гт

ЗАБРОДИН Але-ксей Львович

ИССЛЕДОВАНИЕ И РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ УПРАВЛЕНИЯ ДАННЫМИ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ВОЕННОЙ СВЯЗЬЮ

05.13.11 - Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов, систем и сетей

АВТОРЕФЕРАТ диссертации" на соискание ученой степени кандидата-технических наук

.втор:

Москва 2000

Работа выполнена в Московском государственном инженерно-физическом институте (техническом университете).

Научный руководитель: • • доктор технических наук,

профессор Вольфенгаген В.Э, Официальные оппоненты: доктор технических наук.

профессор Александров В.М.: . . кандидат технических науь Лебедев Г.С

Ведущая организация: Концерн Сйетемпром, г. Москва.

Защита состоится « »_2000 года в__ ч._м: на заседании

диссертационного совета Д053.03.04 в МИФИ по адресу: 115409, Москва, Каширское шоссе, д. 31, тел. (095) 324-84-98, 323-91 -6?. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Автореферат разослан « {9 » 2000 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь диссертационного совета , -

д.т.н., профессор Вольфенгаген

Подписано в печать 5", / $5аказ № ^^ Тираж

/00

экз.

Типография МИФИ; 115409, Москва, Каширское шоссе, д. 31

'/ с 7 г юг. Ц <? О

/. О и ГСС / * 'у

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

При разработке программного обеспечения (ПО), ориентированного на управление связью, решение обычно сводится. к построению автоматизированных систем управления связью (АСУС) на основе баз данных (БД). Разработчики такого ПО для "военных АСУС сталкиваются с необходимостью жесткого компромисса между гибкостью автоматизации и степенью ее погружения в реальные-управленческие процессы. Разрешение этой дилеммы происходит зачастую не в пользу гибкости. Создаваемые системы обычно несовместимы между собой, а составляющие их программные средства и системные архитектурные решения не подлежат повторному использованию или реинжинирингу. Эти недостатки во многом обусловлены недостатками сложившихся подходов' к построению программного обеспечения управления данными таких.систем, обеспечивающего храпение, актуальность и целостность совместно используемых данных, а также доступ к ним других (прикладных) программных средств. В связи с ростом требований к качеству такого ПО, современные мировые тенденции в области его разработки направлены па создание открытых, имтероперабельных, легко масштабируемых и реконфигурируемых архитектур программного обеспечения на основе объектно-ориентированных моделей данных.

Актуальной является разработка соответствующих моделей и методов управления данными для автоматизированных систем управления связью и создание программного обеспечения, • повышающего на их основе эффективность, гибкость, масштабируемость таких систем и интероперабелыюсть их компонентов. Решение этой задачи позволит не только обновить и улучшить технически устаревшие системы, но и создать прототипы для широкого применения, которые в настоящий момент отсутствуют.

Состояние проблемы. В существующих разработках по указанной тематике метод проектирования рабочей модели данных основан на ЕЯ-подходе

с переходом к реляционной модели, в результате чего недостаточно учитываются • иерархические особенности систем -связи. В качестве архитектурного подхода рассматривается файл-серверный доступ к фрагментированпым БД, который не обеспечивает гибкости систем, необходимой для их реинжиниринга. В отдельных теоретических работах используются модели .клиент-серверного доступа в глобальных (в т.ч. неоднородных) сетях, однако эти работы, по-видимому, далеки от практического воплощения. ' .

. Пелыо работы является разработка моделей и методов управления данными в программных комплексах АСУС, направленная на построение ПО управления данными в качестве самостоятельной подсистемы,, обладающей следующими свойствами:

• логическая централизовашюсть данных;

• учет иерархических особенностей систем связи и возможностей . автоматизированного контроля на основе датчиков состояния;

• масштабирование реализуемой мбдели доступа к данным до географически распределенных сетей;

• поддержка открытых внешних интерфейсов для снижения стоимости реинжиниринга прикладных программ и/или программных комплексов АСУС в целом; • '

• повышенная готовность серверного обеспечения на основе организации кластерных структур.

Научная новизна работы определяется следующими результатами:

• получена новая модель процесса управления связью, объединяющая модель управляемого объекта на основе иерархии состояний с исходными данными системы управления, и описывающая процесс с использованием целевой функции;

® построена новая объектно-ориентированная модель entity-relationship и объектно-реляционная модель данных на ее основе;*

• построена новая концептуальная модель системы связи иерархического типа с учетом автоматизированного контроля, а, также впервые построена концептуальная модель результатов планирования связи, позволяющая перейти к полностью автоматическому управлению;

® разработана новая ■ модель сетевого взаимодействия, организующая управление кластерами вычислительных узлов на основе соединении «клиент-сервер»;

• программному обеспечению «унаследованной» (legacy) системы управления связью приданы свойства ннтероперабельности и масштабируемости.

Практическая ценность результатов работы состоит в ряде новых возможностей для разработчиков баз данных н информационных систем:

• более эффективная формализация концептуальных моделей с использованием построенной расширенной модели entity-relationship;

• использование кластерной технологии на уровне приложений, обладающей достоинствами легкости реализации, настройки и переносимости;

• использование созданных концептуальных моделей, программного комплекса, пли его архитектуры в качестве прототипа, при разработке различных АСУС, как оборонных, так и другого назначения.

На защиту выносятся результаты, включающие построение математической модели процесса управления, расширенной модели cnlity-relationsliip, концептуальных моделей системы связи и результатов планирования связи, разработку архитектур и интерфейсов программного обеспечения, реализующего эти модели в распределенном вычислительной сета с кластерами, а также реализацию, внедрение и экспериментальную проверку программного комплекса.

Апробация результатов работы проводилась на VI международной конференции «Актуальные проблемы информатики»1 (Минск 1998г.), I международной конференции «Компьютерные науки и информационные технологии» СБ1Т'99 (Москва), научной сессии МИФИ'99 (Москва).

Публикации по результатам диссертации включают 7 печатных работ, из которых 3 выполнены в соавторстве.

Структура п объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем 196 страниц, из них основного текста 145 страниц, список литературы из 63 наименований, 48 рисунков, 41 таблица. .-'"•■-

СОДЕРЖАНИИ РАБОТЫ

Основным назначением класса автоматизированных систем управления военной связью (АСУС), рассматриваемого в данной работе, является оперативпо-техиологнческое управление связью, в соответствии с определениями ГОСТ В 28892-90, осуществляемое- как правило в технологическом" соприкосновении со средствами связи в реальном времени с использованием баз данных. Программное обеспечение (ПО) управления данными таких систем обычно представляет собой систему нредмстно-специфнческого управления базой(ами) данных, обычно включающую в себя систему управления Сазами данных (СУБД) общего назначения, собственно базу(ы) данных и (опционально) предметно-ориентированные программные средства. 'Такое ПО осуществляет управление хранением, целостностью и доступом к совместно используемым данным, используемым в контуре оперативного управления связью.

К нерешенным проблемам в области построения ПО управления данными для АСУС (включая вопросы проектирования баз данных), следует отнести более полный, по сравнению с возможностями реляционной модели

данных (РМД), учет иерархических особенностей, присущих- системам связи, обеспечение взаимосвязи данных, относящихся* к технологическому, оперативному управлению и планированию' связи на основе логически централизованной БД, функционирующей в реальном времени, реализацию доступа к данным в условиях географически распределенных и масштабируемых сетей, придание прикладному программному обеспечению пптероперабельности (¡то крайней мере, в пределах систем указанного класса -для создания прототипов, ориентированных на широкое применение), а также создание решений по повышению отказоустойчивости средств обработки запросов.

В данной работе рассма'фиваются вопросы построения моделей статики и динамики данных, используемых в процессе оперативного управления связью, с применением объектно-реляционного подхода для решения указанных проблем проектирования баз данных АСУС. Далее производится проектирование и реализация архитектур и интерфейсов соответствующего программного обеспечения в виде распределенной клиент-серверной среды с промежуточным слоем, обеспечивающим управление кластерами серверных процессов, для придания автоматизированным системам управления связью свойств масштабируемости, реконфигурируемости и повышенной отказоустойчивости, а также с интерфейсами открытого типа, обеспечивающими нитеропсрабсльность прикладных компонентов в пределах систем данного класса.

. .Состояние объекта управления - системы связи - может быть представлено в виде М = <0, Р, 5>,

• где О - множество объектов, РеОхО - отношение подчиненности обьектов, БеОхБу - состояния объектов - множество возможных

состояний). Набор (режим) внешних требований кеЭТ представляет собой вектор ¡Г), г:, ... г„-}, где п - количество метрик требований. Введем численную

меру оценки адекватности состояния М режиму требовании И: Ас1(М, К), множеством значений которой является промежуток {0;+со) (1 - система

адекватна), а также стоимости поддержания состояний с( Д.:

dt

(Л/„Л') (где R' -

проекция R на метрики по стоимости поддержания состояния) и переходов между состояниями М, и. Mj.' Tl j R- (где R" - проекция R на метрики по стоимости переходов). Тогда процесс управления состоит из подпроцессов контроля, прогноза, анализа и управляющих воздействий, нацеленных на поддержание адекватности системы связи внешним требованиям. Такие процессы могут быть представлены как* управляемые- событиями: Е1 - смена R," Е11 незапланированная смена М, Еш - смена пространства возможных значений М, Elv - смена пространства 9?. Расчет численных оценок модели, осуществление фаз прогноза и анализа суть прерогатива планирования связи, в то время, как в контуре оперативного управления осуществляется контроль (идентификация М). и управляющие воздействия, которые состоят в осуществлении .сценариев смены состояний Ми—>Mi-»...-»Mn. В качестве минимизируемой целевой функции можно предложить выражение вида / = CW,. \AJ{Sn,R))>

где Casts s R. - стоимость осуществления сценария, Ч'(л) - факгор-функция результирующей адекватности. Целевая функция учитывается фазой планирования внутренним образом (путем составления квазиоптимальных сценариев).

В .базе даннь1х системы оперативного управления связью требуется представление данных вида М =-<0, Р, S>, а также (Мц-»..;—>М„) в форме, позволяющей относительно легко ими манипулировать. Для этого предложен объектно-реляционный подход, разработанный на основе известного подхода entity-relationship (ER). ER-модели позволяют описывать предметную область в виде

<D, E, R, P> (домены, сущности, связи, атрибуты).

При этом сущности представимы в виде наборов объектов,-отображаемых на отношения, а связи - в ш!де отношений, реализуемых в объектно-орпептпрованны.ч средах при помощи методов. Таким образом, ER-нодход является весьма удобным для разработки, формальных объектно-реляционных моделей. Для эффективного представления иерархических особенностей систем связи разработано расширение ER-модели с объектными свойствами. Объекты данных задаются при помощи основных предикатов DOMAIN, ENTITY, RELATION, которым соответствуют диаграммные элементы, напоминающие нотацию Чена. Модель обладает характерными свойствами, повышающими ее описательные возможности: поддержка виртуальных сущностей и связей; иерархия сущностей (ISA-связи) с наследованием виртуальности и атрибутов (множественным); иерархия связей с наследованием атрибутов, виртуальности и кардинальностей вхождений сущностей; возможность защиты от наследования; представление кардинальности вхождения в виде диапазона; развитие понятия слабых сущностей до слабых вхождений; полиморфизм связей (видоизменение их свойств при наследовании, с реализацией на основе т. н. позднего связывания); встроенная идентифицируемость по паре (TYPE;1D), где ТУРЕ указывает на класс (сущность), ID - на объект. Алгебра включает множественные операции SELECT, INSERT, UPDATE, DELETE, RELATE, навигационные, связанные с атрибутами объектов: SET, PROP, а также операции: ITERATE - для перехода от множеств к объектам, GET - для перехода от объектов к множествам. Объектно-реляционный подход основан на связи между таким представлением данных в виде <D, Е, R, Р> к представлению данных в РМД в виде <D, R, С> (домены, отношения, ограничения целостности) и реализации языков определения данных (ЯОД) и манипулирования данными (ЯМД) расширенной ER-модели средствами объектно-ориентированного языка программирования (ООЯП)-см.рис. 1.

PliC.l

Разработка таком модели позволила построить концептуальные модели системы связи и результатов планирования. Концептуальная модель системы связи основана на виртуальном прототипе, от которого наследуют реальные сущности и связи. Структура подчиненности объектов Р задается виртуальными связями, из-за цикличности которых глубина иерархии нефиксировапа. Состояния объектов задаются атрибутом.state : Ds, где домен Ds определен как («норма», «предупреждение», «авария», «отключено»). Если

h0, Ьи-.. b,k б О, <hii,h0>,... <h,t, h0> e P, то состояние ho: S(h0) = f ( S(h,i)... S(hit), S'(ho) ), ..

где S'(ho) - т. li. собственное состояние объекта h(>. Эю позволило построить систему динамической диагностики управляемого объекта на основе сигналов о смене состояний в терминах домена D.s. Для этого в концептуальную модель введена сущность "точка контроля", служащая источником сигналов о смене состояний. Таким образом, построена концептуальная модель, которая эффективно описывает систему связи в объектах и учитывает фазу автоматизированного контроля.

Данные, представленные в документах планирования связи, которые можно охарактеризовать как «метаданные управления», могут, быть представлены в сидс отношения

О = {<ГтБ, XV, Р>}

между текущей .ситуацией и предписанным вариантом организации связи, имеющим экспертный ранг Р. От него перейдем к отношению вида

0=.{<#с11*,/МУ, Р>},

где с1Р - событие смены отдельного фактора ситуации, с!У, --= (Ал, А;2, ... Лш) - сценарий управляющих воздействий, Р - ранг данного сценария. РЗ соответствии с построенной ранее моделью, такие события служат триггерами для процесса управления, который осуществляет сценарий, выбранный на основе оценки Р. Построенная на этой основе концептуальная модель представляет различные документы планирования связи в форме ранжированных сценариев управляющих воздействии. Данные, представленные в такой модели, могут восприниматься как человеком, так и машиной, чго открывает принципиальную возможность перехода па полностью автоматическое управление. При наличии соответствующих управляющих устройств, роль пользователя может сводиться к оценке рангов и, если необходимо,'коррекции базы данных сценариев.

. Для поддержки созданных объектно-реляционных моделей спроектирована архитектура программного обеспечения, реализующая их в распределенной вычислительной сети. Эта архитектура основана на клиент-серверном взаимодействии и в функциональном аспекте состоит из четырех уровней, показанных на рисунке 2. Ее отличительной особенностью являются кластеры, организованные с участием серверных. процессов. Уровень СУБД используется для непосредственного доступа приложений к реляционной базе данных. Для доступа к объектному представлению этих данных, а также для осуществления их модификации приложения должны обращаться к серверному • уровню. Распределенность архитектуры, ее масштабируемость обеспечивается программными средствами», сосредоточенными на транспортном и агентском уровнях (последний служит для адаптации интерфейсов нижних уровнен для

конкретных приложений, или их типов, однако не является ооязательным для реализации). ' •

(Примт^шт уроаснь) Агентский уровень !

Т/.чшспирншыпуроагпь ;

Ссрссриын ) роааш \

Уронен. СУЩ :

Прикладная программа

£

Стабы, агенты

Сетевое ПО

Промышленная РСУБД

Рис.2

и

□

Реляционная бача данных

Кластер серверных процессов

Сервер • • о . Сервер

Таким образом,' эти два уровня являются аналогом программного обеспечения промежуточного слоя,'используемого, в частности, в архитектуре. CORBA. Серверная часть является определенной п инкапсулирует объектно-реляционную модель и данные оперативного управления связью на ее основе. Соответствующую подсистему управления данными назовем операционным ядром (ОЯ) ЛСУС. Различные прикладные программы (верхний уровень) реализуют непосредственные функции управления, взаимодействуя с ядром в аспекте доступа к совместно используемым данным и координируя на згой основе свои действия.

Сетевое взаимодействие основано на протоколе с соединениями TCP/IP и клпст-к.исгсрной модели, надстроенной над ним. Основу модели представляс! собой однородная сеть

Ы=<К, Б, С>,

где К - множество клиентов;. Б - множество серверов, С - множество бинарных соединении Су = (К;, 83). Введем компоненту Т: множество типов серверов:

У51ЭТ(5,) = Т3бТ

Тогда кластером называется набор однотипных серверов

Л = Б^-БЛев | VI, 1< 1 <п : -Тф) = Т,,

поддерживающий наличие в каждый момент времени единственного основного сервера Г^еА;. Прочие , сервера являются резервными. Состояние серверов типа Т^ не принадлежащих к А^, считается неопределенным. Каждый клиент К|еК может устанавливать, поддерживать и разрывать соединения с кластером: . •

' '-и '(К,, А.), - . • • являющиеся соединениями более высокого порядка. Для внутренней координации в кластере А, поддерживаются соединения сервер-сервер вида М„ = являющиеся асимметричными.' Таким образом, описание сети с кластерами приобретает вид

N = <К, Т, Б, А, Р, С, М, Ь>.

Модель архитектуры транспортного уровня может быть представлена сетевыми агентами, выполняющими роль либо клиентов, либо серверов с поддержкой соединений типа М и Ь. Транспортной единицей является пакет, заголовок которого содержит информацию о режиме текущего обмена: МЕБЗАСЕ_МООЕ (простое сообщение), 0иЕ11У_МООЕ (запрос), -ТОР_Р1ШМТУ_0иЕЯУ_МСЮЕ (запрос высокого приоритета), ЯЕРЬУ_МООЕ ■ (ответ), 1ЖЕЯМЕ01АТЕ_МСЮЕ (промежуточный ответ), В1ЮАОСАБТ_МСЮЕ (широковещательное сообщение), 5ТНЕАМ_<ЗиЕ11У_МСЮЕ (запрос на блок данных), 5ТКЕЛМ_!1ЕР1,У_МООЕ (блок данных как ответ на запрос). Поддерживаются различные модели взаимодействия: без соединения (обмен

дейтафаммпми), по соединениям «клиент-сервер» (на основе стандартных возможностей TCP/IP) и по соединениям - «клиент-кластер» (в рамках разработанной модели). Соединения «сервер-сервер» являются частным случаем соединений «клиент-сервер», при наличии специальных агрегированных клиентов. Разработанная архитектура может служить универсальной ■фанспорнюй средой в любой системе, где есть распределенное взаимодействие, а созданная кластерная модель на основе отдел!.пых приложений является более гибкой по сравнению с известными решениями (кластеры Windows NT, AlpIuv'OSF, Tandem, и пр.), которые она может частично заменять пли дополнять ■собой.

Серверный уровень, спроектированный таким образом в виде кластера, поддерживает объектное представление системы связи, ведет па основе такого представления динамическую диагностику, а также обеспечивает активную реакцто ядра на изменения данных и прочие события. Поддержка объектного представления реляционных данных осуществляется на основе семантических соответствий между ЯОД и ЯМД расширенной ER-модели, языка ODBC" SQL и языка С+г, как показано па рисунке 3. Соответствующие операции выполняются над хранилищем объектов, , содержимое которого " динамически синхронизируется с БД.

Наиболее важным применением объектного. . хранилища является динамическая диапюстпка системы связи, требующая рекурсивного обхода структуры обьсктов с анализом н коррекцией их атрибутов. В соответствии с моделью системы связи, сигнал от точки контроля состояния представим в виде

<TYPE, ID, STATE>,

где TYPE и ID однозначно идентифицируют объект, STATE - его новое состояние Диагностика состоит в выделении связанной серии М из потока таких ан налов S с помощью отношения подчиненности, определении породившего ее события (особое место занимают аварийные события), соо1вететвующен

корректировке значений состояния в БД для всех подчиненных объектов, формировании сигнала р событии для приложений оперативного управления:

Расги. Ш 1

select get

update insert ' relate delete

ITERATE

РКОР 5ЕТ

A_К

M-V

4—N

ODBC SOL

select

UPDATE

insert

delete

fetch

О

НАБОРЫ

ЗАПИСЕЙ

(ОБЪЕКТОВ)

ПАРАМЕТР!«,, ДАННЫЕ

ОБЪЕКТЫ

СВОЙСТВА -

ХмеТоды

присваивание

Рис. 3

Разработанный механизм позволяет сформировать • автоматическую ответную реакцию системы на происшедшие изменения, и, в частности, при наличии устройств автоматизации технологического управления и с использованием концептуальной модели результатов планирования, обеспечить автоматическое восстановление нарушенной связи в аварийных ситуациях.

С ' приложениями кластер поддерживает пакетный интерфейс, обеспечивающий возможность синхронного и асинхронного удаленного вызова серверных функций. Помимо, хранилища объектов, в качестве внутреннего состояния поддерживаются системные переменные, как один из способов связи между клиентскими приложениями, а также подписка клиентов на различные -события: изменения общего характера в БД, изменения атрибутов состояния объектов, аварийные события (определяются в результате диагностики), изменение значений переменных, именованные события, вызванные

приложениями. Таким образом, реализация описанной модели данных в такой архитектуре является активной, что . облегчает задачу построения ншероперабельпых прикладных программ.

Репликация в кластере от основного к резервным серверам является завершающим тгапом каждой транзакции и осуществляется по соединениям «сервер-сервер» па основе двух моделей: принудительно (для отдельных переменных и транзакций над хранилищем объектов) и tío запросу (для полных коллекций объектов).

Результатом реализации разработанных решений является программный комплекс операционного ядра. Он включает в себя следующие модули:

• реляционная база данных, отражающая структуру системы связи, данные планирования и нормативные данные;

• программный модуль сервера базы данных, реализующий серверный уровень;

« программный модуль сетевого агента, реализующий транспортный уровень;

• вспомогательные программные модули: дополнительные классы доступа к базам данных, средства хранения и визуализации табличной информации, средства протоколирования событии, включая структуру базы данных протоколирования.

База данных содержит 154 таблиц!.!, общим объем исходного текста программных средств оценивается -50 тыс. строк. Помимо :>гого, автором реалнювано несколько прикладных программных средств, общим обьемом около 54 тыс. строк. В качестве целевой платформы использовалась Windows NT 4 0 na процессорах Intel, в качестве СУБД - MS SQL Server 7.0.

Сервер базы данных реализован с помощью MS Visual С) ь 6.0. Все фчнкцпи активизируются через реализацию интерфейса INCCalIback rio приходе пакета и выполняются в трех различных потоках, в зависимости ог их назначения. Связь объектного представления с реляционными данными ос> mecí mena на основе интерфейса ODBC и стандартных классов Ml С, над

которыми надстроены классы: запись (CRccord)-для представления кортежа в виде объекта и SQL-скрипт (CSQLScript) для оптимизации последовательностей SQL-транзакций типа UPDATE, INSERT, DELETE, необходимой, в частности, при корректировке атрибутов объектов хранилища.

Программный модуль сетевого агента также реализован в MS Visual С++ 6.0 и является библиотекой СОМ-объектов с интерфейсами, описанными на языке IDL. Объекты предназначены для встраивания в хост-процесс в режиме in-proc server. Объект агента поддерживает интерфейсы INCClient и INCServer, используемые для общего управления, а также для взаимодействия без соединения. Через их методы приложение может создавать, принимать п управлять соединениями, доступными через интерфейсы INCCIieiitCoiinection и INCServerConnection, причем последний служит также интерфейсом соединения с кластером. Интерфейс нотификаций INCCallback реализуется самим приложением и предоставляется сетевому агенту.

Программный комплекс прошел внедрение в составе АСУС для пункта управления связью и центрального узла связи Главного Штаба одного из видов , Вооруженных Сил Российской Федерации. По результатам экспериментальной проверки можно сделать вывод о том, что созданный программный комплекс обеспечивает эффективное представление системы связи в объектах, облегчает поддержание целостности благодаря централизации данных и транзакций, доступ к нему через транспортный уровень инвариантен к масштабу сети, благодаря единой интерактивной интерфейсной модели обеспечивается ннтероперабельность приложений в пределах различных АСУС, а благодаря организации кластеров - обеспечивается высокая готовность серверной части.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

I. Исследованы особенности предметной области и требований к ПО управления данными для АСУС, обоснованы следующие требования:

(^зависимость реализации от- приложений, логическая централизация данных, более полный учет особенностей предметной области в используемых моделях, масштабируемость, поддержка открытых внешних интерфейсов па основе единой интерфейсной модели, повышенная готовность серверного обеспечения.

2. Построена обобщенная модель процесса управления связью, представляющая его в виде взаимодействия между объектом управления, системой управления и внешним миром на основе состояний, событий и численных оценок и описывающая таким образом характер'использования п взаимосвязь между моделями этих объектов. . .

3. Построено расширение известной модели entity-relationship, обладающее следующими характерными свойствами: иерархии наследования как для сущностей, так п для связей, множественное наследование для сущностей, защита от наследования, абстрактные объекты, расширенные понятия слабой сущности, кардинальности, обязательности связей, поддержка встроенной глобальной идентифицируемости и полиморфизма на основе позднего связывания.

4. Формализована новая концептуальная модель системы связи, более полно отражающая ее структурные особенности, связанные с иерархиями, ■ и учитывающая возможности автоматического контроля путем введения универсального атрибута состояния п понятия точки контроля.

5. Формализована универсальная концептуальная модель реп'льтирующих данных планирования связи в форме сценариев действий, интегрирующая различные выходные документы планирования.

6. Па основе анализа обоснованных ранее требований и современных распределенных архитектур, обоснована целесообразность разработки программного обеспечения управления данными в АСУС на основе архитектуры клиент-серверного типа с промежуточным слоем, обеспечивающим организацию кластерных структур и связь клиентов с ними,

а также внешними интерфейсами, отвечающими распространенным спецификациям, применяемым в открытых снеге,мах.

7. Построена модель сетевого взаимодействия «клиент-кластер», основанная на модели однородной сети с бинарными соединениями, обеспечивающая организацию и управление кластерами серверных процессов для повышения их результирующей готовности.

8. В соответствии с предыдущими результатами, разработана общая архитектура операционного ядра АСУС в виде четырехуровневой системы

. клиент-серверного типа с открытыми внешними интерфейсами и поддержкой кластеров серверных процессов средствами промежуточного слоя.

9. Разработана архитектура и интерфейсы транспортного уровня операционного ядра, реализующего модели с соединениями «клиент-сервер», «клиент-кластер» и без соединения, в рамках спецификации СОМ.

10. Разработана архитектура и интерфейсы серверного \ровня ядра, поддерживающего кластерную модель и реализующего предметно-специфические функции управления данными па основе полученных концептуальных моделей.

11 .Реализован программный комплекс операционного ядра, включающий в себя базу данных по системе связи под управлением СУБД MS SQL Server 7.0, программный модуль сервера базы данных, программный модуль сетевого агента, вспомогательные программные модули протоколирования событий, доступа к базам данных, отображения табличной информации и баз)' данных . протоколирования. Все программные модули реализованы на языке С++.

12.Заключительным результатом, работы явилась реализация опытного образца АСУС с использованием созданного программного комплекса и внедрение этой системы в в/ч 55722 и 25514. Использование результатов работы и, в частности, созданного • программного комплекса, позволило повысить эффективность и гибкость системы автоматизации. Практическая значимость выполненной работы подтверждается актом о внедрении.

По результатам диссертации опубликованы следующие печатные работы: -.

1. Забродин А.Л., Павлович A.JI. Автоматизированный контроль состояния стационарных систем связи // Приборы и системы управления, Москва, 1998, Л~:9, сс. 26-28. " '

2. Забродин А.Л., Павлович А.Л. "Автоматизированная система управления связью" (тезисы • доклада). Материалы научной сессии МИФИ'99, Москва, 1999, сс. 32-33.

3. Забродин А.Л., Павлович А.Л. "Система диагностики реального времени для стационарных систем связи" (тезисы доклада). Материалы VI международной конференции "Актуальные проблемы информатики", Минек, 1998, сс. 25-30. - ■ '

•1. Забродин А.Л. ■ "Взаимодействие «клиент-кластер», на основе универсального программного агента" (тезисы доклада). Материалы научной сессии МИФИ'2000, Москва, 2000, сс. 57-58.. ■.'..•

5. ,Zabrodin A.L. "Implementing a geographically distributed database system with spatial information" (extended abstract). Proceeding of the I*1 international workshop on computer science and information technologies " (CSIT), Moscow, Jan. 18-22 1999, pp. 177-180. ..

6. Zabrodin A. "A light middleware for client-cluster solutions" (extended abstract),' Proceedings of the 4'\ international conference on business information systems BIS'2000, Poznan, Apr. 12-13, 2000.

7. Zabrodin A. "Clustering server applications using middleware" (extended* abstract). To be available from: Proceedings of the 2"J international workshop on computer science and information technologies CSIT'2000, Ufa, Sept 1823,2000. \ ;

В работах, выполненных в соавторстве, личный вклад автора состоит в разработке модели системы связи, учитывающей фазу автоматизированного контроля в управлении, и алгоритмов динамической диагностики на этой

основе.

2

I АНАЛИЗ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ДАННЫМИ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ВОЕННОЙ СВЯЗЬЮ.

1.1 Системы оперативного управления военной связью, структура и функции автоматизированных систем управления военной связью (АСУС).

1.2 Анализ существующих моделей данных для управления связью.

1.3 Анализ существующих архитектурных решений в области программного обеспечения управления данными в АСУС.

1.4 Анализ современных тенденций в области программного обеспечения управления данными.

Выводы к главе 1.

II РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ СТАТИКИ И ДИНАМИКИ ДАННЫХ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СВЯЗЬЮ.

2.1 Построение общей математической модели управления связью на основе состояний, событий и численных оценок.

2.2 Расширения свойств модели entity-relationship.

2.3 Разработка расширенной модели entity-relationship для задач управления связью.

2.4 Исследование свойств объектно-реляционной модели данных на основе расширенной модели entity-relationship.

2.5 Построение концептуальной модели системы связи с учетом точек контроля.

2.6 Построение концептуальной модели результатов планирования.

Выводы к главе II.

III РАЗРАБОТКА АРХИТЕКТУРНЫХ РЕШЕНИЙ ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ УПРАВЛЕНИЯ ДАННЫМИ В АСУС.

3.1 Краткий анализ распределенных архитектур, обеспечивающих интероперабельное взаимодействие.

3.2 Общая архитектура операционного я'дра АСУС в качестве самостоятельной подсистемы управления данными.

3.3 Архитектура и интерфейсы транспортного уровня ядра на основе клиент-кластерной модели.

3.4 Архитектура и интерфейсы серверного уровня ядра.

Выводы к главе III.

IV РЕЗУЛЬТАТЫ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ОПЕРАЦИОННОГО ЯДРА.

4.1 Состав программного комплекса.

4.2 Средства разработки и поддержки программного комплекса.

4.3 Реляционная база данных по системе связи.

4.4 Программный модуль сетевого агента.

4.5 Программный модуль сервера базы данных.

4.6 Вспомогательные программные модули и база данных протоколирования.

Выводы к главе IV.

V РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ПРОВЕРКИ И ВНЕДРЕНИЯ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА АСУС НА ОСНОВЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ОПЕРАЦИОННОГО ЯДРА.

5.1 Схема опытного образца АСУС.

5.2 Состав реюмемых задач.

5.3 пример взаимодействия прикладных задач опытного образца АСУС с программным комплексом операционного ядра.

Выводы к главе v.

Надежность и качество связи является одним из важнейших показателей боеготовности войск в современных условиях. На фоне возросшего объема передаваемой по сетям связи информации и все более строгих требований к оперативности управления войсками, и военной связью в частности, растет влияние автоматизированных систем управления связью (АСУС) на качество оперативного управления военной связью.

При разработке программного обеспечения (ПО), ориентированного не управление связью, решение обычно сводится к построению информационной системы (ИС) или автоматизированной системы управления связью, включающей в себя ИС на основе баз(ы) данных (БД). По оценкам американских экспертов, в США применение программных комплексов АСУС с использованием БД позволило сократить ежегодные расходы на управление связью на 20% [4]. Не менее важными показателями являются сокращение длительности процессов управления (например, время сбора информации в больших системах связи сокращается с 1-3 минут до нескольких секунд), а также повышение качества связи благодаря более эффективному управлению [4, 5, 6, 59, 60]. Последние два показателя являются наиболее существенными для систем военной связи, функционирующих в боевых условиях [9. 10]. Разработки программного обеспечения для военных АСУС в нашей стране [9] ведутся около 30 лет. Создание действующих систем относится к концу 1980-х - началу 1990-х годов. Разработчики неизбежно сталкиваются со сложностями при формализации процессов оперативного управления, что вызывает необходимость жесткого компромисса между гибкостью автоматизации и степенью ее погружения в реальные управленческие процессы. Разрешение этой дилеммы происходит зачастую не в пользу гибкости. Как следствие этого факта, создаваемые системы часто несовместимы между собой, а составляющие их программные средства и системные архитектурные решения не подлежат повторному использованию или реинжинирингу.

Однако, как показывает анализ формальных основ оперативного управления, принципов, опыта и требований к его автоматизации, возможна разработка базового программного обеспечения АСУС, которое облегчало бы создание на его основе систем автоматизации, обладающих повышенными свойствами гибкости и адекватности требованиям управления. Так, неотъемлемой компонентой программных комплексов АСУС на основе баз данных является ПО управления данными, обеспечивающее хранение, актуальность и целостность данных, а также доступ к этим данным других программных средств. В связи с ростом требований к качеству такого ПО, современные мировые тенденции в области его разработки направлены на создание открытых, интероперабельных, легко масштабируемых и реконфигурируемых архитектур программного обеспечения [23, 27, 34, 35, 38, 39, 45, 49, 50, 51], с повышенной готовностью серверного обеспечения [34, 46, 63].

Актуальным является создание ПО управления данными автоматизированных систем управления связью на основе таких архитектур программного обеспечения, которые поддерживали бы масштабируемость, реконфигурируемость, готовность системы и интероперабельность ее компонентов. Для нашей страны решение этой задачи позволит не только обновить и улучшить технически устаревшие системы, но и создать решения или прототипы для массового применения, которые в настоящий момент отсутствуют. Исследования в этой области ведутся несколькими крупными научно-исследовательскими институтами связи Санкт-Петербурга, Москвы, Пензы и Воронежа [9].

Состояние проблемы. Вопросы исследования моделей и методов управления данными в программных комплексах систем управления состоят в построении т.н. рабочей модели данных как совокупности моделей статики и динамики данных, а также архитектуры и интерфейсов ПО управления данными. В текущих опытных разработках [9] программных комплексов АСУС для построения рабочих моделей данных используется ER-подход с последующим переходом к реляционной модели данных (РМД), а в качестве архитектурных решений при разработке ПО - расширяемые архитектуры типа «файл-сервер» с фрагментированными реляционными БД, пришедшие на смену архитектурам с локальным доступом к данным. В отдельных теоретических работах [9.3] используются модели клиент-серверного доступа в глобальных (в т.ч. неоднородных) сетях, однако эти работы, по-видимому. далеки от практического воплощения [9].

Цель работы и методы исследований. Целью настоящей работы является исследование и реализация моделей и методов управления данными для программных комплексов АСУС, направленных на построение предметно-специфического ПО управления данными в качестве самостоятельной подсистемы, включающей в себя базу данных и ряд программных средств и обладающей следующими свойствами:

• Логическая централизованность, устанавливаемая в целях более эффективного поддержания целостности совместно используемых данных;

• Более полный, по сравнению с существующими решениями, учет особенностей предметной области и возможностей средств управления при разработке методов хранения и обработки данных; в частности, разработка новых, более адекватных, концептуальных моделей, учитывающих иерархические структуры и фазу автоматического контроля в управлении связью;

• Масштабирование реализуемой модели доступа к данным до географически распределенных сетей, в соответствии с перспективами развития программных комплексов АСУС;

• Поддержка открытых внешних интерфейсов с прикладными программами АСУС на основе единой интерфейсной модели для повышения их интероперабельности в пределах систем данного класса, что должно привести к снижению стоимости реинжиниринга прикладных программ и/или стоимости реконфигурации программных комплексов АСУС в целом;

• Повышенная готовность серверного обеспечения на основе организации кластерных структур.

Разрабатываемое в настоящей работе программное обеспечение является базовым для прикладных задач АСУС в аспекте их доступа к совместно используемым данным, хотя бы потому, что инкапсулирует в себе эти данные.

В ходе теоретических исследований и инженерных разработок автором использовался аппарат теории множеств, математического анализа, исчисления предикатов, логико-лингвистические методы с применением формальной диаграммной техники (ER-диаграммы, SDL-диаграммы). При реализации и экспериментальной проверке автором были использованы средства объектно-ориентированного языка программирования С++, формальные средства определения данных в реляционной модели, средства языка запросов к реляционным базам данных SQL-92, а также объектно-ориентированного языка определения интерфейсов COM IDL.

На защиту выносятся результаты, включающие построение модели процесса управления, расширенной модели entity-relationship, концептуальных моделей системы связи и результатов планирования, разработку архитектур и интерфейсов соответствующего программного обеспечения, реализацию программного комплекса, а также его внедрение и экспериментальную проверку.

Научная новизна. В настоящей работе получены следующие новые результаты:

• В результате проведенных исследований построена абстрактная модель процесса управления связью, представляющая его в виде взаимодействия между объектом управления, системой управления и внешним миром на основе состояний, событий и численных оценок, и описывающая таким образом характер использования и взаимосвязь между моделями этих объектов.

• Исследована известная модель entity-relationship и построено ее расширение, обладающее новыми объектно-ориентированными свойствами.

• Исследована и формализована новая концептуальная модель системы связи в качестве объекта управления, более полно отражающая ее структурные особенности и учитывающая возможности автоматического контроля.

• Исследована и формализована универсальная концептуальная модель результирующих данных планирования связи.

• Создана модель сетевого взаимодействия "клиент-кластер", основанная на понятии соединения в однородной сети и обеспечивающая организацию и управление кластерами серверных процессов для повышения их готовности.

• Разработана архитектура ПО управления данными в виде четырехуровневой распределенной системы клиент-серверного типа с открытыми внешними интерфейсами и поддержкой кластеров серверных процессов средствами промежуточного слоя.

• Осуществлена реализация и экспериментальная проверка программного комплекса, соответствующего разработанной архитектуре и инкапсулирующего разработанные концептуальные модели на основе реляционной БД.

Практическая ценность результатов работы. Результаты, полученные автором в настоящей работе, открывают ряд новых возможностей для разработчиков баз данных и программного обеспечения, а именно:

• Возможность более эффективной формализации концептуальных моделей в рамках ER-подхода благодаря новым свойствам разработанной расширенной модели entity-relationship.

• Возможность использования кластерной технологии на уровне отдельных приложений, позволяющей частично заменять или дополнять собой промышленные решения, как правило выполненные на уровне операционных платформ, и обладающей достоинствами легкости реализации, настройки и переносимости.

• Возможность использования, разработанных концептуальных моделей, а также созданного программного комплекса, или его архитектуры в качестве прототипа, для разработки и внедрения различных АСУС на различных узлах связи, как оборонных, так и другого назначения.

Реализация результатов. Теоретические и инженерные результаты данной работы нашли свое воплощение в программном комплексе (ПК) управления данными, созданном для АСУС пункта управления связью и Центрального узла связи Главного Штаба объединенных

Войск ПВО и ВВС РФ. Программный комплекс называется операционным ядром АСУС, представляет собой указанную выше четырехуровневую систему и реализует разработанные модели и методы управления данными. Данный ПК разработан лично автором, причем создание прикладных программ, взаимодействующих с ПК, велось как самим автором, так и под его руководством. Опытно-конструкторская разработка выполнялась во Всесоюзном институте волоконно-оптических систем связи и обработки информации, г.Москва, и к настоящему времени прошла внедрение, что подтверждено соответствующим актом.

Краткое содержание работы по главам:

В первой главе исследуются особенности требований к ПО управления данными АСУС в условиях роста требований к современным системам связи, детализируется содержание вопросов разработки такого ПО. анализируются мировые тенденции в этих вопросах и существующие подходы к их решению в области автоматизации управления связью. Отмечается, что нерешенными в рамках указанной актуальной задачи остаются следующие основные проблемы:

1. Метод проектирования рабочей модели данных, основанный на формализации концептуачьной модели при помощи ER-подхода и переходе к схемам отношений в РМД. недостаточно эффективен в данной предметной области по сравнению с объектно-реляционными подходами.

2. В рабочую модель данных не закладывается формальная взаимосвязь между объектом управления, процессом управления и исходными данными, полученными на этапе планирования.

3. Отсутствуют инженерные решения по организации архитектуры ПО управления данными АСУС на основе парадигмы «клиент-сервер» с логической централизацией данных.

4. Существующие архитектурные решения ПО не обеспечивают масштабируемость и реконфигурируемость ПК АСУС в степени, необходимой для создания универсальных систем такого класса или их прототипов для применения на различных пунктах управления связью.

5. Известные решения по отказоустойчивости серверного обеспечения основаны на архитектуре СМ ЭВМ, в настоящее время устаревшей.

На этой основе ставится задача построения ПО управления данными АСУС в качестве самостоятельной подсистемы, реализующей требуемую полноту рабочей модели данных на основе централизованной, масштабируемой и реконфигурируемой распределенной архитектуры с открытыми внешними интерфейсами и поддержкой кластеров на внутреннем уровне.

Во второй главе проводится построение теоретических моделей, являющихся основой рабочей модели данных. Строится обобщенная модель процесса управления связью на основе состояний, событий и численных оценок, определяющая формальный процесс управления как взаимодействие между моделями объекта управления, системы управления и внешнего мира. Модель допускает количественные интерпретации благодаря введенным численным оценкам стоимости, адекватности и целевой функции управления.

Далее проводится построение расширенной модели entity-relationship. Анализируются свойства, входящие в современное обобщенное понятие "расширенной модели entity-relationship"'. затем проводится формальное построение модели с дальнейшим расширением свойств. Построенный в результате формализм позволяет учитывать иерархии наследования как для сущностей, так и для связей, множественное наследование, защиту от наследования, абстрактные объекты, расширяет понятия кардинальности и обязательности связей, слабой сущности, поддерживает встроенную глобальную идентифицируемость и полиморфизм на основе позднего связывания. Таким образом, модель обладает объектно-ориентированными свойствами, однако не рассматривает методы объектов.

На основе построенной расширенной ER-модели и с учетом обобщенной модели процесса управления строится концептуальная модель системы связи с учетом контрольных точек и универсальным атрибутом состояния объекта, а также концептуальная модель результатов планирования, интегрирующая различные документы планирования связи в форме сценариев переходов состояний.

В третьей главе исследуются инженерные подходы и решения, направленные на создание программного обеспечения, реализующего модели, полученные во второй главе, и обладающего системными свойствами, сформулированными в составе постановки задачи. Анализируются современные распределенные архитектуры ПО: DCE, CORBA 2.0 и DCOM, обеспечивающие масштабируемость и реконфигурируемость систем на основе открытого интероперабельного взаимодействия. На основе этого анализа, а также анализа особенностей предметной области, проведенного в главе I, делается вывод о целесообразности разработки многоуровневой архитектуры клиент-серверного типа с промежуточным слоем, обеспечивающим организацию кластерных структур, и внешними интерфейсами, отвечающими распространенным спецификациям, применяемым в открытых системах.

Далее проводится исследование и разработка общей архитектуры ПО управления данными АСУС в виде так называемого операционного ядра (ОЯ) в функциональном и распределенном аспектах. Архитектура ОЯ разрабатывается на основе модели из 4 уровней: уровня СУБД (представленного промышленной СУБД), серверного, транспортного и агентского, причем дополнительным уровнем архитектуры АСУС является прикладной, включающий в себя приложения, использующие ОЯ.

Следующие параграфы посвящены детализации архитектуры и интерфейсов транспортного и серверного уровней. На транспортном уровне, с использованием модели однородной сети с клиент-серверными соединениями разрабатывается модель, поддерживающая кластеры серверов на основе введения понятий кластера как множества серверов, соединений «клиент-кластер», как множества клиент-серверных соединений, и «сервер-сервер». Соответствующая модель взаимодействия разрабатывается на основе обмена пакетами по соединениям указанного типа и воплощается в архитектуре с объектами и интерфейсами, отвечающей спецификации СОМ.

В рамках описания архитектуры серверного уровня приводятся диаграммы процессов с учетом кластерной архитектуры, методы доступа к хранимым данным и их обработки, основанные на полученных во II главе моделях и включающие в себя множественно-навигационные операции выборки данных типа SELECT-FETCH с последующим преобразованием в объекты и множественные операции модификаций типа INSERT, UPDATE, DELETE с использованием оптимизируемых скриптов, а также описание объектов внутреннего состояния и управления ими. в том числе основные алгоритмы динамической диагностики системы связи. Также описываются принципы протоколов пакетного интерфейса сервера для взаимодействия с верхними уровнями архитектуры и внутри кластера.

Четвертая глава посвящена результатам реализации программного комплекса операционного ядра. Описывается состав программного комплекса, назначение и основные характеристики входящих в него программных средств и баз данных, указываются применявшиеся средства разработки, отладки и поддержки программного комплекса.

Далее описываются функции и структура реализации модулей: реляционная структура БД по системе связи, структура объектов и полное описание интерфейсов программного модуля сетевого агента, реализующего транспортный уровень, приемы реализации основного алгоритма работы и методов доступа к данным программного модуля сервера БД (реализующего серверный уровень), а также описание его пакетного интерфейса, наконец, назначение и функции вспомогательных программных модулей и полная структура БД протоколирования.

Делается вывод о реализации всех уровей архитектуры ОЯ, за исключением агентского, который не является существенным для функциональной полноты реализации.

В пятой главе описываются результаты экспериметнальной проверки и внедрения разработанного ПК в качестве основы для опытного образца АСУС. Приводится общая схема реализованной АСУС с указанием задействованных пунктов управления. Проводится краткий анализ роли и характера использования разработанного автором ПК в полном составе задач. решаемых системой автоматизации. Демонстрируется сценарий взаимодействия в АСУС между ПК операционного ядра, прикладными программами оперативного управления и должностными лицами при отработке аварийной ситуации, как одного из важнейших контуров процесса оперативного управления связью. По представленным результатам делается вывод о соответствии реализованного программного обеспечения поставленной задаче.

Опубликование и апробация результатов работы. Результаты, представленные в данной диссертационной работе, докладывались и обсуждались на VI международной конференции «Актуальные проблемы информатики» (Минск, 1998), научной сессии МИФИ'99, I международной конференции по компьютерным наукам и информационным технологиям CSIT99 (Москва. 1999). По результатам опубликованы тезисы докладов на конференциях Минск:98, Сочи'98, МИФИ'99, МИФИ'2000, а также расширенные тезисы докладов на конференциях CSIT99 (Москва), BIS'2000 (Познань), CSIT'2000 (Уфа) и статья в журнале "Приборы и системы управления'" (№9. 1998).

I Анализ моделей н методов управления данными в автоматизированных системах оперативного управления военной связью

Программное обеспечение (ПО) управления данными для автоматизированных систем управления связью (АСУС) включает в себя программные средства, используемые для хранения данных, используемых в АСУС, поддержания их актуальности и целостности, а также для обеспечения доступа к этим данным других программных средств АСУС. Таким образом, ПО управления данными в АСУС как правило представляет собой систему предметно-специфического управления базой(ами) данных, обычно включающую в себя СУБД общего назначения, собственно базу(ы) данных и (опционально) предметно-ориентированные программные средства.

В первых трех пунктах настоящей главы исследуются особенности требований к ПО управления данными АСУС в условиях роста требований к современным системам связи, детализируется содержание вопросов разработки такого ПО, анализируются существующие подходы к решению этих вопросов в системах автоматизации управления связью, выделяются проблемы, остающиеся нерешенными.

Далее проводится краткий анализ современных достижений и тенденций в моделях и методах управления данными, касающихся проблемы разработки такого программного обеспечения для АСУС. На основании анализа требований к этому ПО, существующих решений и современных тенденций в этой области делается вывод об актуальности разработки нового поколения ПО управления данными АСУС, а также о целесообразности применения в ходе такой разработки новых моделей данных и архитектурных решений.

Выводы к главе V

Итак, основным результатом экспериментальной проверки и внедрения ПК операционного ядра явилось создание на его основе реально действующей АСУС опытного образца и внедрение ее на пункте управления связью и Центральном узле связи Главного Штаба объединенных Войск ПВО и ВВС РФ.

Роль программного комплекса операционного ядра в АСУС состоит в обеспечении интерактивного доступа большинства прикладных задач к совместно используемым данным и координации на этой основе действий, выполняемых прикладными задачами, в постоянном режиме.

Использование разработанной автором новой концептуальной модели объекта управления позволило реализовать на серверном уровне ОЯ процесс динамической диагностики, играющий важную роль в контуре управления. Реализация в БД разработанной автором концептуальной модели результатов планирования позволила создать комплекс программ по реализации вариантов резервирования, обеспечивающий унифицированные сценарии работы пользователя и взаимодействия с другими программными средствами. Реализованное автором сетевое программное обеспечение, являющееся частью ПК ОЯ, является универсальным и используется различными программными средствами АСУС для связи между процессами. Использование кластерного решения на основе этого сетевого ПО повышает отказоустойчивость и производительность серверного уровня ОЯ. Благодаря архитектуре с логической централизацией данных и обеспечением унифицированной системы интерфейсов доступа к ним, ОЯ создает основу для масштабирования и реконфигурирования системных решений АСУС, реинжиниринга составляющих ее приложений, и, таким образом, создания первого в России типового решения АСУС для внедрения на различных военных узлах связи на основе разработанного опытного образца.

Результаты экспериментальной проверки и внедрения подтверждают соответствие реализованного программного комплекса поставленной задаче.

Заключение

Целью настоящей диссертационной работы являлось исследование и реализация моделей и методов управления данными в программных комплексах автоматизированных систем управления связью (АСУС), направленных на построение программного обеспечения (ПО), поддерживающего хранение, актуальность и целостность данных, совместно используемых программными средствами АСУС, а также доступ программных средств (приложений) к этим данным.

В результате исследований по созданию программного обеспечения управления данными для АСУС были получены следующие результаты:

1. Исследованы особенности предметной области и требований к ПО управления данными для АСУС, обоснованы следующие требования: независимость реализации от приложений, логическая централизация данных, более полный учет особенностей предметной области в используемых моделях, масштабируемость, поддержка открытых внешних интерфейсов на основе единой интерфейсной модели, повышенная готовность серверного обеспечения.

2. Исследована и формализована обобщенная модель процесса управления связью, представляющая его в виде взаимодействия между объектом управления, системой управления и внешним миром на основе состояний, событий и численных оценок и описывающая таким образом характер использования и взаимосвязь между моделями этих объектов.

3. Исследована известная модель entity-relationship, а также ее расширения и построено расширение, обладающее следующими характерными свойствами: иерархии наследования как для сущностей, так и для связей, множественное наследование для сущностей, защита от наследования, абстрактные объекты, расширенные понятия слабой сущности, кардинальности, обязательности связей, поддержка встроенной глобальной идентифицируемости и полиморфизма на основе позднего связывания.

4. Исследована и формализована новая концептуальная модель системы связи, более полно отражающая ее структурные особенности, связанные с иерархиями, и учитывающая возможности автоматического контроля путем введения универсального атрибута состояния и понятия точки контроля.

5. Исследована и формализована универсальная концептуальная модель результирующих данных планирования связи в форме сценариев действий, интегрирующая различные выходные документы планирования.

6. На основе анализа обоснованных ранее требований и современных распределенных архитектур, обоснована целесообразность разработки программного обеспечения управления данными в АСУС на основе архитектуры клиент-серверного типа с промежуточным слоем, обеспечивающим организацию кластерных структур и связь клиентов с ними, а также внешними интерфейсами, отвечающими распространенным спецификациям, применяемым в открытых системах.

7. Построена модель сетевого взаимодействия «клиент-кластер», основанная на модели однородной сети с бинарными соединениями, обеспечивающая организацию и управление кластерами серверных процессов для повышения их результирующей готовности.

8. В соответствии с предыдущими результатами, разработана общая архитектура операционного ядра АСУС в виде четырехуровневой системы клиент-серверного типа с открытыми внешними интерфейсами и поддержкой кластеров серверных процессов средствами промежуточного слоя.

9. Разработана архитектура и интерфейсы транспортного уровня операционного ядра, реализующего модели с соединениями «клиент-сервер», «клиент-кластер» и без соединения, в рамках спецификации СОМ.

10. Разработана архитектура и интерфейсы серверного уровня ядра, поддерживающего кластерную модель и реализующего предметно-специфические функции управления данными на основе полученных концептуальных моделей.

11. Реализован программный комплекс операционного ядра, включающий в себя базу данных по системе связи под управлением СУБД MS SQL Server 7.0, программный модуль сервера базы данных, программный модуль сетевого агента, вспомогательные программные модули протоколирования событий, доступа к базам данных, отображения табличной информации и базу данных протоколирования. Все программные модули реализованы на языке С++.

Заключительным результатом настоящей работы явилась реализация опытного образца

АСУС на основе созданного программного комплекса и внедрение этой системы на пункте управления связью и Центральном узле связи Главного Штаба объединенных Войск ПВО и

ВСС РФ. Практическая значимость выполненной работы подтверждается актом о внедрении.

1. Системы управления военной связью автоматизированные. Термины и определения. ГОСТ В 28892-90.

2. Теория сетей связи: учебник для вузов связи/Рогинский В.Н., Харкевич А.Д., Шнепс М.А. и др.; Под ред. В.Н. Рогинского. М.: Радио и связь, 1981. - 192 е., ил.

3. Аппаратура дальней связи. Дивногорцев Г.П., Новиков В.А., Фарбер Ю.Д. М.: Связь, 1970. - 527 е., ил.

4. Средства автоматизации управления в системе связи. Шибанов и др. 1990

5. Автоматизированные системы управления в связи. Красносельский, Воронцов, Аппак- М.: Радио и связь. 1988,-272 с.

6. Автоматизированные системы управления городскими телефонными сетями. Матлин Г.М.- М.: Радио и связь, 1982-200 с.

7. Вольфенгаген В.Э., Горюнова И.А., Косиков С.В. Методы и средства построения систем знания. 4.2. Модели, обслуживающие базы данных и базы знаний. Учебное пособие. М.: МИФИ, 1992. 136 с.

8. Chen P.P.-S. The Entity-Relationship Model Toward a Unified View of Data. //ACM TODS №1 January 1976.

9. Материалы эскизно-технического проекта изделия 28Я6.

10. Рабочие материалы эскизно-технического проекта по информационному обеспечению АСУС высших звеньев управления Войск ПВО, 1995 г.

11. Рабочие материалы в заключительный отчет о научно-исследовательской работе "Исследование и разработка алгоритмов оперативного ведения баз данных о структуре системы связи и состоянии ее элементов", Санкт-Петербург, 1999г.

12. Гаврилов В.А. Организация базы данных в автоматизированных системах управления связью. Дисс. к-та техн. наук. - Ленинград, 1979.

13. Постановка задачи: «Учет и контроль прохождения сигналов ЦБУ и особо важной информации». Л.: ВАС, 1982.-62 с.

14. Постановка задачи: «Сбор, обобщение и выдача данных о нагрузке элементов системы связи за определенный период работы». Л.: ВАС, 1982. - 84 с.

15. Постановка задачи: "Сбор, обработка, отображение и документирование информации о состоянии системы связи и ее элементов". Л.: ВАС, 1982.-112с.

16. Codd E.F. Extending the Database Relational Model to Capture More Meaning //ACM TODS. 1979. - 4, №4.

17. Teorey T.J., Yang D., Fry J.P. A Logical Design Methodology for Relational Databases Using the Extended Entity-Relationship Model // ACM Сотр. Surv. 1986. - 18^ №2.

18. Olle T.W., Sol H.G., Verrijn-Stuart A.A. (eds.). Information Systems Design Methodologies: A Comparative Review. Amsterdam, Netherlands: North-Holland; New York, N.Y.: Elsevier Science, 1982.

19. Hull R„ King R. Semantic Database Modelling: Survey, Applications, and Research Issues // ACM Сотр. Surv. -1987. 19, №3.

20. Я.М. Бардзинь, А.А. Калниньш, Ю.Ф. Стродс, B.A. Сыцко Язык спецификаций SDL/PLUS и его применения Рига, 1988.-312с.

21. Руководство по эксплуатации стационарных узлов связи.

22. Codd E.F. A Relational Model of Data for Large Shared Data Banks // CACM.-1970.-13, №6.21 . Codd E.F. The Relational Model for Database Management Version 2. Reading, Mass.: Addison-Wesley, 1989.

23. Codd E.F. Data Models in Databases Management//Proc. Workshop on Data Abstraction, Database and Conceptual Modelling (Michael L. Brodie and Stephen N. Zilles, eds.). -Pingree Park, Colo., 1980.

24. Дейт, К.Дж. Введение в системы баз данных.: Пер. с англ. 6-е изд. - К.: Диалектика, 1998.

25. Codd E.F. Relational Completeness of Data Base Sublanguages // Data Base Systems, Courant Computer Science Symposia Series 6. Englewood Cliffs. N.J.:Prentice Hall, 1972.

26. Darwen H. Private communication 1992.

27. Hall P., Ovvlett J., Todd S.J.P. Relations and Entities // G.M. Nijssen (ed.). Modelling in Data Base Management Systems. Amsterdam, Netherlands: North-Holland; New York, N.Y.: Elsevier Science, 1975.

28. P. Сигнор, M. О. Стегман Использование ODBC для доступа к базам данных: Пер. с англ. М.:Бином; Научная книга, 1995.

29. Scheuermann P. et al. Abstraction capabilities and invariant properties within the entity-relationship approach. In "Entity-Relationship Approach to Systems Analysis and Design", ed. P.Chen, North-Holland, Amsterdam, pp. 121140, 1980.

30. Elmasri et al. The cetegory concept: An extension to the entity-relationship model, Data in Knowledge Engineering 1, 1985, Vol.1, pp. 75-116.

31. Chen P.P.-S. A Preliminary Framework for Entity-Relational Models // P.P.-S. Chen (ed.) Entity-Relationship Approach to Information Modelling and Analysis. Saugus, Calif., 1981.

32. Dahl O.J., Myhrhaug В., Nygaard K. The SIMULA 67 Common Base Language. Pub. S-22. Oslo, Norway: Norwegian Computing Center, 1970.

33. Booch G. Object Oriented Design, with Applications. Redwood City, Calif.: Benjamin/Cummings, 1991.

34. Smith J., Smith D. Database abstractions: Aggregation and Generalization. ACM TODS 1977 N2, Vol. 2 (June), pp. 105-133.

35. Калиниченко Jl.А., Сюнтюренко О.В., и др. Информационные системы, базы данных и научные телекоммуникации (Проблематика и разработки по проектам РФФИ)//Вестник РФФИ №3(9) 1997, с. 6-27

36. Калиниченко Л.А. Стандарт систем управления объектными базами данных ODMG-93: краткий обзор и оценка состояния//СУБД, № 1, 1996, с. 102-109.

37. Codd E.F. Providing OLAP to User Analysis an IT Mandate. - Computer World Moscow, 1993, N38.

38. V.A. Philippov, B.A. Tschukin Postrelational Data Model//Proceedings of the 3rd International Workshop on Advances in Databases and Information Systems ADBIS'96, Moscow, September 10-13, 1996, pp. 9-11

39. Ph. Bernstein et al. The Asilomar Report on Database Research. SIGMOD Record 27(4), 1998, pp.74-80

40. The Common Object Request Broker: Architecture and Specification, Revision 2.0, July 1995, http://www.omg.org/corba/corbiiop.htm

41. M. J. Carey, D.J. De Witt et al. The Architecture of the EXODUS Extensible DBMS. OODBS 1986 pp.52-65

42. A. Eisenberg, J.Melton SQL Standardization: The Next Steps, SIGMOD Record, Vol.41 No.l March 2000.

43. A. Eisenberg, J.Melton SQL:1999, formerly known as SQL3, SIGMOD Record Vol. 28 No. 1, March 1999.

44. A. Eisenberg, J.Melton SQL Part 0, No Known as SQL/OLB (Object Language Bindings), SIGMOD Record, Vol. 27, No. 4, December, 1998.

45. A.Bonifati, S.Ceri Comparative Analysis of Five XML Query Languages, SIGMOD Record, Vol.41 No.l March 2000.

46. Stonebraker М. et al. Third Generation Database System Manifesto // ACM SIGMOD. 1990.-19, No.3.

47. Stonebraker M., Rowe L.A. The Design of POSTGRES // Proc. of the ACM SIGMOD Intern. Conf. on Management of Data. Washington, D.C., 1986.

48. S. Vinoski CORBA: Integrating diverse applications within distributed heterogeneous environments, in IEEE Communications, vol. 14, no. 2, Feb. 1997.

49. Open Software Foundation, www.osf.org

50. The Component Object Model Specification, http://www.microsoft.com/oledev/olecom/title.htm

51. Забродин А.Л., Павлович А.Л. Автоматизированный контроль состояния стационарных систем связи // Приборы и системы управления, Москва, 1998, №9, сс. 26-28.

52. Забродин А.Л., Павлович А.Л. "Автоматизированная система управления связью" (тезисы доклада). Материалы научной сессии МИФИ'99, Москва, 1999, сс. 32-33.

53. Забродин А.Л., Павлович А.Л. "Система диагностики реального времени для стационарных систем связи" (тезисы доклада). Материалы VI международной конференции "Актуальные проблемы информатики", Минск, 1998, сс. 25-30.

54. Забродин А.Л. "Взаимодействие «клиент-кластер» на основе универсального программного агента" (тезисы доклада). Материалы научной сессии МИФИ'2000, Москва, 2000, сс. 57-58.

55. Zabrodin A. "A light middleware for client-cluster solutions" (extended abstract). Proceedings of the 4th international conference on business information systems BIS'2000, Poznan, Apr. 12-13, 2000.

56. Zabrodin A. "Clustering server applications using middleware" (extended abstract). To be available from: Proceedings of the 2"d international workshop on computer science and information technologies CSIT'2000, Ufa, Sept 18-23,2000.

57. Автоматизированные системы управления. Обзорная информация. Вып. I: Автоматизированные системы организационного управления в отрасли связи. Направления развития / В.В.Григорьев, В.А.Климушин. 1992.

58. Красносельскнй Н.И., Воронцов Ю.А. и др. Организационно-экономические и технологические автоматизированные системы управления в связи М.: 1989

59. Аппак М.А. Базы данных в АСУ-связь. М.: Радио и связь, 1987.

60. Автоматизированные системы управления. Обзорная информация. Вып. I: Зарубежный опыт создания автоматизированных систем управления связью. №1, 1987.63. http://wint.decsy.ru/du/decunix/cluster/overview/ overview.htm