автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Математическое и программное обеспечение гетерогенных распределенных вычислений в режиме реального времени с гибкой структурой интерфейсов

На правах рукописи

ЖЕЛТОУХОВ Иван Владимирович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГЕТЕРОГЕННЫХ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ВЫЧИСЛЕНИЙ В РЕЖИМЕ РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ С ГИБКОЙ СТРУКТУРОЙ ИНТЕРФЕЙСОВ

Специальность 05.13.11 - Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005558003

Воронеж - 2014

005558003

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий» (ФГБОУ ВПО «ВГУИТ»)

Научный руководитель Абрамов Геннадий Владимирович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет», профессор кафедры «Математического и прикладного анализа»

Официальные оппоненты Алексеев Владимир Витальевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет», профессор кафедры «Информационные системы и защита информации»

Рыков Сергей Александрович, кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», старший преподаватель кафедры «Автоматизированных и вычислительных систем»

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Защита состоится «22» декабря 2014 года в 1300 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.01 ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский проспект, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» и на сайте www.vorstu.ru.

Автореферат разослан «22» октября 2014 года.

Ученый секретарь УТ/7

диссертационного совета -^Шч Барабанов Владимир Федорович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Системы распределенных вычислений - эффективный механизм решения широкого спектра задач. Одним из перспективных направлений их развития является разработка гетерогенных систем с набором различных интерфейсов, что позволит разрабатывать эффективные системы распределенных вычислений различного назначения, включая системы, работающие в режиме реального времени. Сдерживающим фактором широкого внедрения данных технологий является то, что частью интерфейсов (например, Ethernet) не поддерживается режим реального времени, что может приводить к существенным задержкам при обмене информацией и ее потере. Это недопустимо для программного обеспечения систем реального времени (информационно-управляющих систем, систем диспетчерского управления, систем передачи данных и ряда других). Однако исследования показывают, что неопределенность временных характеристик можно существенно уменьшить за счет выбора алгоритмов работы программного обеспечения и расчета режимов функционирования программных модулей распределённых вычислений и обработки информации. Разработка математического и программного обеспечения для таких систем позволит повысить эффективность функционирования и расширить область применения таких систем.

Таким образом, разработка алгоритмов эффективного функционирования программных модулей распределенной вычислительной системы, алгоритмического, программного обеспечения и математических моделей для определения характеристик системы с учетом характеристик интерфейса является актуальной.

Вопросам моделирования программных систем реального времени посвящены работы А.П. Харкевича, Д. Флинта, Д. Бертсекаса, Р. Галагера и др. Исследование распределенной обработки данных с интерфейсами с конкурирующим доступом проведено в работах A.A. Назарова, Г.И. Фалина и др. Однако исследования вышеперечисленных авторов не позволяют рассчитывать режимы функционирования распределенной обработки данных в гетерогенных сетях.

Работа выполнена на кафедре информационных технологий моделирования и управления ФГБОУ ВПО "ВГУИТ" с 2011 по 2014 гг. по программе Министерства науки и образования РФ (№ г.р. 01.2006.05298); а также в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (№ П947) и федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно - технического комплекса России на 2007 - 2012 гг.» (№ 16.516.11.6040).

Цель работы заключается в разработке математического и программного обеспечения гетерогенной системы распределенных вычислений на основе интерфейсов конкурирующего доступа для повышения эффективности и расширения области функционирования. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе сформулированы следующие задачи:

• провести анализ существующего алгоритмического и программного обеспечения распределенных вычислительных систем;

• разработать структуру программных модулей системы и алгоритмы их функционирования для повышения эффективности и расширения области функционирования;

• разработать математическую модель обработки данных в программных модулях при наличии дополнительных нагрузок, исследовать ее свойства;

• провести численные и физические экспериментальные исследования;

• разработать программный комплекс распределенной вычислительной системы.

Методы исследования. Поставленные в диссертационной работе задачи решались на основе системного подхода, с использованием методов вычислительной математики, теории вероятности и случайных процессов, а также современных методов и технологий программирования.

Тематика работы соответствует следующим пунктам паспорта специальности 05.13.11: п.З «Модели, методы, алгоритмы, языки и программные инструменты для организации взаимодействия программ и программных систем», п. 8 «Модели и методы создания программ и программных систем для параллельной и распределенной обработки данных, языки и инструментальные средства параллельного программирования».

Научная новизна. В работе получены следующие результаты, отличающиеся научной новизной:

1. Структура программного обеспечения подсистем гетерогенных распределенных вычислений, работающих в режиме реального времени, отличающаяся автоматическим формированием межмодульных связей для повышения надежности функционирования.

2. Алгоритмы автоматического конфигурирования программных средств межмодульных интерфейсов распределенной обработки данных, отличающиеся обменом программных модулей широковещательными пакетами, подтверждением связи между модулями, командами перезапуска, останова обработки данных и обратной связи между модулями и позволяющие переконфигурирование при отказах модулей для повышения надежности функционирования.

3. Математическая модель обработки данных программным модулем с ограниченным буфером, отличающаяся учетом возможности управления межмодульным обменом данными и позволяющая определять временные характеристики интерфейсов обмена данными, рассчитывать рациональные режимы функционирования программных модулей распределенной вычислительной системы.

4. Структура программного обеспечения подсистемы мониторинга, отличающаяся использованием модулей интерфейсов, оперативного управления, идентификации, объектно-релятивистских операций, базы данных системы и алгоритмов распределенных вычислений, позволяющая оперативно переконфигурировать структуру системы.

Практическая значимость. Результаты исследований возможно использовать при проектировании и анализе режимов функционирования программного обеспечения распределенных вычислительных систем различного назначения (информационно-управляющих систем, систем диспетчерского управления, систем передачи данных и ряда других). Предложенные разработки были использованы для проектирования системы управления теплопотреблением в зданиях с использованием как новых, так и существующих каналов передачи данных. Применение данной системы позволяет более эффективно использовать программные ресурсы распределенной вычислительной системы.

Основные методические и программные разработки диссертации используются для проведения лабораторных занятий в рамках учебного процесса Воронежского государственного университета по дисциплинам «Архитектура вычислительных систем», «Компьютерные сети», дипломное проектирование.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: XIV и XV международной научной конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (г. Воронеж, 2013, 2014 г.), международных научных конференциях «Моделирование энергоинформационных процессов» (г. Воронеж, 2012, 2014 г.), всероссийской межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, студентов и аспирантов "Инновации. Энергосбережение. Право." (г. Москва 2013 г.). международной конференции "Integrated systems for agri-food production SIPA 2013", (Румыния, г. Сибиу

2013 г.), международной заочной научно-практической конференции «Актуальные научные вопросы и современные образовательные технологии» (г. Тамбов 2013, 2014 г.), международной заочной научно-практической конференции «Перспективы развития науки и образования» (г. Тамбов

2014 г.), международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований» (Украина, г.

Одесса 2014 г.), Международной конференции «Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики» (г. Воронеж 2013 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, из которых 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 патента Российской Федерации (№ 2520397, № 2526765). В работах [1, 2,14], выполненных в соавторстве, лично автором были определены вероятностные характеристики системы, временные характеристики, рассчитаны рациональные режимы функционирования программных модулей системы. В работах [4, 5,10] выполненных в соавторстве, лично автором была разработана структура программных средств межмодульных интерфейсов для конфигурирования и переконфигурирования распределенной вычислительной системы. В работах [3, 9, 12], выполненных в соавторстве, лично автором предложена модель исследования времени доставки пакетов и проведен анализ времени доставки пакетов. В работах [6, 7, 8] выполненных в соавторстве, лично автором была представлена структура и алгоритмы автоматического конфигурирования программного обеспечения распределенной вычислительной системы, предусматривающая переконфигурирование при отказах устройств для повышения надежности функционирования. В работах [11, 13, 15], выполненных в соавторстве, лично автором был представлен набор команд для распределённой вычислительной системы обеспечивающей организацию взаимодействия программных модулей для конфигурирования и переконфигурирования системы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Материал изложен на 152 страницах, содержит 45 рисунков и 11 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлена оценка современного состояния исследуемой проблемы, содержится общая характеристика работы, обосновывается актуальность темы диссертации, сформулированы основная цель и задачи исследования, определена научная новизна проведенных исследований, приведена аннотация основных результатов работы.

В первой главе представлен обзор программного и математического обеспечения для построения, исследования, моделирования программных систем распределенной обработки данных в реальном времени, использующих различные интерфейсы, проведен сравнительный анализ работ, аналогичных по тематике к исследованиям, проводимым в диссертации. Показано, что наиболее распространенными интерфейсами являются интерфейсы на базе Ethernet, наиболее быстро развивающиеся и обладающие наибольшей производительностью, но обладающие конкурирующим доступом. Рассмотрено современное состояние открытого программного

обеспечения систем распределенной обработки данных. Проведенный анализ показал, что разработка алгоритмического и программного обеспечения систем распределенных вычислений для расширения их функциональных возможностей при обработке данных и обеспечение наибольшей вероятности доставки информации при обмене с минимальными потерями и минимальной задержкой в доставке является актуальной.

Во второй главе разработана структура программного обеспечения подсистемы реального времени и алгоритмов ее функционирования гетерогенной распределенной системы. Показано, что при распределенной обработке данных в подсистеме реального времени, можно выделить в общем случае три основных элемента (рис. 1): входной модуль, вычислительный модуль и выходной модуль. Так, например, в системах управления — это соответствует программному обеспечению модулей системы: датчик, модуль управления и исполнительного модуля; в системах передачи данных -это приемный модуль, вычислительный модуль и передающий модуль.

Рис 1. Структура программного обеспечения подсистем гетерогенных распределенных вычислений, работающих в режиме реального времени.

Разработаны способы построения программного обеспечения распределенной вычислительной системы на примере системы мониторинга и управления с выделенным модулем мониторинга и без него. Инструментальные средства для организации интерфейсов взаимодействия программных модулей для конфигурирования и переконфигурирования системы включают обмен модулями широковещательными пакетами, подтверждение связи между модулями, командами перезапуска, останова обработки данных и обратной связи. В архитектуре построения системы мониторинга и управления без выделенного модуля мониторинга (рис. 2) каждый модуль может посылать данные любому другому модулю системы, а модуль регулятор может работать с несколькими контурами управления, работа интерфейсов ведется только по 1Р-адресам.

"Модуль датчика"

"Модуль регулятор"

"Исполнительный модуль"

Рис. 2. Схема работы системы мониторинга и управления без выделенного модуля мониторинга (патент РФ № 2520397)

Согласование функционирования осуществляется по получению широковещательных пакетов link от модуля датчика при включении. Модуль регулятор, получив этот широковещательный пакет, устанавливает соединение с модулем датчиком, отправляя ему команду link_resp. После чего последний, получив команду link_resp, останавливает рассылку широковещательных пакетов и начинает посылать информацию о входном сигнале на модуль регулятор. При необходимости, частота отправки пакетов может быть изменена отдельной командой.

Модуль регулятор, установив связь с модулем датчик, посылает команду link исполнительному модулю. Этот модуль отвечает командой link_resp, в которой дополнительно передает параметры регулирования. После этого, модуль регулятор начинает обрабатывать данные в соответствии с законом управления и отправлять команды управления на исполни-

тельный модуль.

Чтобы была возможность отследить аварийную ситуацию в исполнительном модуле, с некоторой периодичностью на модуль регулятор от него отправляются alive пакеты. При аварии на модуле регулятор, исполнительный модуль может отследить это по отсутствию пакетов - в этом случае он посылает на модуль датчик команду restart и процесс построения системы начнется сначала. Сам же исполнительный модуль в этом случае переходит в заранее предусмотренное приостановленное состояние.

При отсутствии alive пакетов от исполнительного модуля, модуль регулятор сигнализирует об аварии в системе, и отправляет команду suspend исполнительному модулю и команду stop всем модулям в данном контуре управления. При отсутствии пакетов от модуля датчик в исполнительный модуль также отправляется команда suspend. Также все модули позволяют управлять своим буфером, что позволяет при появлении дополнительных нагрузок в системе не терять полезную информацию, благодаря специальному способу очистки буфера модуля.

Кроме резервирования модулей регулятор, в системе возможно осуществлять резервирование модулей датчик. При включении второго модуля он начинает рассылать широковещательные пакеты и устанавливает связь с модулем регулятор. Если этот модуль уже участвует в требуемом контуре управления, то возможны два варианта действия: модулю датчик, который используется, отправляется команда stop, а соединение устанавливается с новым модулем, либо модуль регулятор начинает работать с двумя модулями, например, по среднему значению их показаний.

В архитектуре построения системы мониторинга и управления с выделенным модулем мониторинга (рис. 3) функции мониторинга выполняются на отдельном устройстве. Отличительными особенностями представленного алгоритма являются: рассылка широковещательных пакетов link модулем датчик и модулем регулятор при включении. После получения пакета от модуля датчик модуль регулятор устанавливает соединение с модулем датчик, отправляя ему команду link_resp, а модуль мониторинга переходит в режим мониторинга функционирования системы. После этого, модуль регулятор начинает обрабатывать данные модуля датчик в соответствии с законом управления.

Отслеживание аварий на модуле регулятор осуществляется благодаря периодической отправке им alive пакетов на модуль мониторинга. Действия при авариях аналогичны описанному в предыдущей схеме, но инициируются модулем мониторинга.

Представлена разработанная архитектура базы данных модулей мониторинга, состоящая из следующих таблиц: контуры управления; зоны контуров управления; типы зон контуров управления; сенсорные устройства; значения сенсорных устройств; типы сенсорных устройств; устрой-

ства управления; состояния устройств управления; типы устройств управления; настройки устройства мониторинга.

"Модуль датчика"

"Модуль регулятор"

"Модуль мониторинга" НАЧАЛО }

Рис. 3. Схема работы системы мониторинга и управления с выделенным модулем мониторинга (патент РФ № 2526765)

Разработанные структуры программного обеспечения систем распределенной обработки данных позволяют проводить автоматическое формирование контуров регулирования при включении модулей в систему и предусматривают переконфигурирование при отказах модулей для повышения надежности функционирования информационно-управляющих систем различного назначения.

Таким образом, разработанные алгоритмы функционирования программных модулей гетерогенной распределенной вычислительной системы реального времени позволяют расширить область использования за счет автоматического конфигурирования программной структуры системы, повысить надежность за счет автоматического переконфигурирования при

отказах с выделенным программным модулем мониторинга функционирования системы и без него.

Третья глава посвящена разработке математической модели функционирования программных модулей при обработке данных в распределенной вычислительной системе с ограниченным буфером при дополнительных нагрузках, использующей интерфейсы с конкурирующим доступом.

Для определения закона распределения времени доставки пакета опишем математическую модель работы программного модуля, объем памяти которого составляет \У элементарных единиц.

Поскольку все входящие пакеты имеют одинаковый размер и в буфере хранится лишь целое число пакетов, приведенный объем:

ГIV'

Н= — О)

_ V _

где \У — объем памяти модуля, у — размер одного пакета информации в элементарных единицах, [ ] - целая часть числа, входящий в модуль поток сообщений от каждого внешнего модуля является простейшим марковским потоком; в четвертых, интенсивность исходящего потока обработки сообщений в буфере

Примем следующие допущения: во-первых, все внешние модули идентичны и в системе количество источников пакетов равно п; во-вторых, в каждом источнике пакеты формируются с интенсивностью Я и пакеты, посылаемые каждым модулем, имеют одинаковый размер. В силу второго условия и исходных данных, суммарный входящий поток, порождаемый всеми т внешним программными модулями, также является простейшим.

Обозначим через Ак состояние системы, при котором в памяти регулятора находится ровно к пакетов (к=0,1.....Ы), получаем, что при к < N-1

интенсивность перехода из состояния Ак в состояние Ак+/ равна Я, а при к > 1 интенсивность перехода из состояния Лк в состояние Ак./ равна ц. Попав в состояние Ац, система автоматически переходит в состояние Ам , где М=[№д]. Это означает, что система никогда не находится в состоянии Ац, а из состояния с интенсивностью Я переходит в состояние Ам.

Таким образом, граф рассматриваемой системы имеет вид:

На рис. 4 представлен граф марковского процесса гибели и размножения с непрерывным временем. Описание Марковского процесса представляется в виде систем дифференциальных (в случае нестационарного режима) или алгебраических (для стационарного режима) уравнений, получить решение этих уравнений в явном виде не удается.

Система уравнений Колмогорова, описывающих вероятности Ро, Р1.....Ры-1 пребывания системы в состояниях А о, А,.....Ак., соответственно, имеет следующий вид:

Ро = ~ХР„ +ИР,

Р, = ~ (Л + Ц)р, ) = 1.....М-1

Рм = ХРк<-, ~(Ь + И)РМ + №,♦/ + (2) Р1 = >-Рн-(*■ + } = М + 1.....N-2

Ры-1 = Р)РЫ-,

Обозначим через ^ вероятность обработки пакета, приходящего в

систему, находящуюся в состоянии Аь к=0.....N-1. Прежде всего, заметим,

что уничтожаются пакеты с (М+1)-то по (М-1)-й: если входящий пакет занимает места с 1-го по М-е, то он гарантированно будет обработан. Это означает, что

Чо=Ч,=- = Чи-,=1 (3)

Обозначим через т,, случайную величину, равную времени достижения пакетом М-го места, а через г01 - случайную величину, равную времени, за которое система, из состояния в которое ее приводит получение помеченного пакета, придет в состояние Ат.„ и получит в этом состоянии пакет. Тогда вероятность <7обработки пакета равна вероятности того, что случайная величина г,, окажется меньше случайной величины

Вероятность обработки этого пакета равна:

со

Р(*,. <тв,) = |/г„0)(1-Е^,0))Л (4)

Рассмотрим случайную величину г,,. По определению, т,. — время, за которое происходит в событий при условии, что поток событий — простейший с интенсивностью /л. Эта случайная величина имеет распределение Эрланга порядкаее плотность распределения имеет вид

'^-ТГПТГ (5>

Таким образом, здесь мы имеем дело с распределением Эрланга порядка И—М (не зависящего от л). Плотность этого распределения имеет вид

(6)

Функция распределения ^ |Г, =/ГО не выражается через элементарные функции (она может быть записана с использованием гамма-функции). Окончательно мы можем написать

„ = \—---е-^и Ц (7)

Адекватность математической модели проверялась по критерию Колмогорова-Смирнова. Был проведен анализ воздействия параметров функционирования системы на характеристики работы программного модуля распределенной вычислительной системы. Одними из важнейших характеристик, влияющих на время доставки пакета, являются количество модулей и интенсивность отправки пакетов. На вероятность доставки пакетов в исследуемом диапазоне наибольшее влияние оказывает количество модулей в системе. Отмечено увеличение скорости доставки пакета информации, но при этом отмечается уменьшение вероятности доставки пакета.

В результате анализа представленных данных можно сделать вывод, что увеличение размера передаваемого пакета ведет к увеличению пропускной способности интерфейсов системы. Однако, увеличение размера пакета будет приводить к быстрому заполнению приемного буфера модуля и уменьшению работоспособности модуля и невозможности полноценного функционирования предлагаемого способа обработки входящего буфера модуля. В результате это приводит к снижению эффективности использования предлагаемого алгоритма работы с буфером.

Результаты исследования влияния параметров моделирования и характеристик самой системы на изменение вероятностно-временных характеристик представлены на рисунках 5, 6, 7 и 8.

Анализ показывает, что при нагрузке на интерфейсы более 70% от максимальной, предлагаемый способ позволяет повысить вероятность доставки и уменьшить время доставки информации.

14000 12000 10000 8000 6000

г-"1 1 - 1 устройство 2-5 устройств 3-10 устройств 4-15 устройств

V2

Чл

л

V.

1

'л

а

1'1>

1, 1 - 1000 пахет/сек 3 - 600 пакет/сск

0.002 сек 0.0025

Рис. 5. Плотность распределения времени доставки пакетов от количества модулей

1-1000 байт 2-512Шт 3-256 байт 4 - 128 байт

V

\\

а--\

£ 1 Я

И 0.875

0 -е-

1 0,75 | 0,625

I 0,5

0 ю

§. 0,375

1 0,25

о

Ё 0,125

Рис. 6. Вероятности времени доставки пакетов от времени

Л —- -- N /

\\ з/ч \

/2 -

и \

\

1 -М = 5 2-М-6 3 -М = 7 4-М = 11

Рис. 7. Плотность распределения времени доставки пакета для различного размера пакета

О 5

рЬэ

Рис. 8. Вероятности времени < ботки для различного количества значений в пакете и приведенной нагрузки модуля

Таким образом, разработана математическая модель, состоящая из описывающих различные состояния систем уравнений и законов распределения времени обработки пакетов с информацией и законов распределения времени обслуживания пакетов, которая позволяет исследовать основные вероятностно-временные характеристики и проанализировать работу отдельного программного модуля системы и его взаимодействие с другими модулями системы на основе плотности распределения вероятности времени обслуживания пакета.

В четвертой главе представлена техника и методика проведения экспериментов на установке, реализующей обмен пакетами данных между программными модулями. Работа экспериментальной установки основана на интерфейсах случайного доступа.

Предложенный экспериментальный образец системы управления энергопотреблением (рис. 9) позволяет изменять конфигурацию системы.

Датчики-сигнализаторы температуры воздуха Т100/хх 1 контролируют превышения или снижения температуры воздуха относительно заданного фиксированного уровня и имеют выход в виде изолированных контактов оптореле с нагрузкой 60В. 1А.

Преобразователь расхода электромагнитный (ПРЭМ) 2 предназначен для преобразования объемного расхода и объема электропроводных жидкостей в их показания. ПРЭМ 2 используют при измерении расхода объема воды с удельной электропроводимостью от 10"3 до 10 см/м.; температура измеряемой среды от 0 до +150°С; температура окружающей среды от -10 до +50°С; рабочее давление измеряемой среды до 1,6 МПа. Питание преобразователей осуществляется от источника постоянного тока с номинальным напряжением 12 В с мощностью 5 Вт.

Датчик температуры 3 предназначен для контроля температуры отопительного прибора. Максимальная допустимая температура работы датчика составляет 130 ° С.

Вычислители количества теплоты ВКТ-2 4 обеспечивают обслуживание до 2-х трубопроводов с представлением информации о текущих значениях массового (объемного) расхода, температуры и тепловой мощности теплоносителя.

Шкаф автоматического управления 5 содержит в себе три отладочные платы SK-MLPC1768/2387/2368 для преобразования сигнала от датчиков внутренней температуры, внешней температуры и температуры отопительного прибора в формат кадров Ethernet. Кран шаровой с электроприводом 6 монтируется на смесительный клапан, контролирующий подачу тепла. В распределённую вычислительную систему устройства были объединены коммутаторами, которые используют в качестве интерфейса Ethernet 100BASE-T.

В случае минимального взаимного удаления датчика, устройства мониторинга и регулятора (когда между датчиком и устройством управления находится один коммутатор) все три устройства находятся в одной подсети и подключены к одному коммутатору. В этом случае между

Рис. 9. Внешний вид экспериментального образца системы мониторинга и управления энергопотреблением

устройствами в системе время доставки пакетов и вероятность потери пакета небольшие, но увеличивается вероятность переполнения буфера.

В случае значительного взаимного удаления датчика, устройства мониторинга и регулятора между устройствами в системе находятся 6 коммутаторов, которые соединены иерархически. В этом случае время доставки пакетов и вероятность потери пакетов увеличиваются. Соответственно, необходимо гарантировать доставку информации между устройствами в системе.

Созданный лабораторный образец системы позволил измерять качественные и количественные показатели работы интерфейсов обмена данными различного уровня, моделировать систему мониторинга и управления энергопотреблением, провести анализ функционирования программного обеспечения при распределённой обработке информации в системах различного масштаба, создать различные условия функционирования интерфейсов передачи данных, позволяя проводить мониторинг всех показателей в режиме реального времени.

В пятой главе представлена архитектура программного обеспечения распределенной вычислительной системы реального времени, также представлены результаты практического применения разработанных методик, алгоритмов, способов и программного обеспечения.

Для комплексного исследования научных и технических проблем с применением современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента создан программный комплекс (рис. 10).

Архитектура программного обеспечения представляет собой совокупность взаимодействующих между собой модулей мониторинга и сервера архивного хранилища.

Модуль оперативного управления обеспечивает установление соединения между устройством мониторинга сети, датчиками и регуляторами, передачу информации от устройства мониторинга сети к датчикам и регуляторам и передачу информации от датчиков и регуляторов к устройству мониторинга сети. Модуль идентификации реализует процесс аутентификации пользователей в системе и выдачу им соответствующих привилегий на работу с базами данных, на управление подключенными устройствами в сети. Модуль графического пользовательского интерфейса разделен на две части - клиентскую и серверную. Серверная часть модуля графического пользовательского интерфейса осуществляет обработку запросов от клиентской части и формирование управляющих команд для модуля объектно-реляционных операций.

Клиентская часть является web-страницей, доступ к которой может быть получен из любой точки мира через сеть Internet и значения параметров системы могут быть доступны по запросу пользователя для проверки, анализа и прогнозирования состояния теплового режима помещения.

Рис. 10. Архитектура программного обеспечения подсистемы мониторинга

Разработанная подсистема мониторинга позволяет оперативно переконфигурировать структуру системы при изменении режимов функционирования модулей или отказе устройств.

В заключении приведены основные результаты работы и рекомендации, полученные в ходе выполнения работы и перспективы дальнейшей разработки темы. Результаты исследований могут быть использованы при развертывания сенсорных сетей на базе имеющихся коммуникационной инфраструктуры, при реализации проектов на базе технологий «Умный дом», «Интернет вещей» и др.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана структура программного обеспечения подсистем гетерогенных распределенных вычислений, работающих в режиме реального времени, отличающаяся автоматическим формированием межмодульных связей для повышения надежности функционирования.

2. Разработаны алгоритмы автоматического конфигурирования программных средств межмодульных интерфейсов распределенной обработки данных, отличающиеся обменом программных модулей широковещательными пакетами, подтверждением связи между модулями, командами перезапуска, останова обработки данных и обратной связи между модулями и позволяющие производить переконфигурирование при отказах модулей для повышения надежности функционирования.

3. Разработана математическая модель обработки данных программным модулем системы распределенных вычислений, включающая учет возможности управления межмодульным обменом данными и позволяющая определять вероятностные характеристики передачи данных между модулями, рассчитывать рациональные параметры функционирования программных модулей в распределенной вычислительной системе.

4. Разработана структура программного обеспечения подсистемы мониторинга, отличающаяся использованием модулей интерфейсов, оперативного управления, идентификации, объектно-релятивистских операций, базы данных системы и алгоритмов распределенных вычислений, позволяющая оперативно переконфигурировать структуру системы.

5. Разработан программный комплекс мониторинга и управления энергосбережением в зданиях и сооружениях, включающий управление в режиме реального времени энергопотреблением и расчет параметров системы обработки данных.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Желтоухов И.В. Исследование времени доставки пакетов в интеллектуальной системе автоматического управления энергопотреблением в зданиях и сооружениях [Текст] / И.В. Желтоухов // В мире научных открытий.-Красноярск-2013. -№6.1. (42)-С. 199-210

2. Желтоухов И. В. Анализ функционирования системы управления энергопотреблением [Текст] / И. В. Желтоухов, Г.В. Абрамов// Вестник Воронежского государственного университета инженерных технологий — Воронеж - 2013. -№ 4.-С. 79-81

3. Желтоухов И. В. Математическая модель интеллектуальной системы автоматического управления [Текст] / И. В. Желтоухов, Г.В. Абра-

мов// Вестник Воронежского государственного технического университета - Воронеж - 2014. - № 4. - С. 32-37

Патенты

4. Патент 2520397 РФ, МПК G06F15/16, Н04Н60/13. Способ построения системы автоматического управления с взаимодействием через сеть Ethernet [Текст] / И.В. Желтоухов, Г.В. Абрамов, С.Ю. Краевский, М.Н. Ивлиев; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО "ВГУИТ". - № 2012145450/08, Заявл. 26.10.2012; Опубл. 27.06.2014; Бюл. № 18.

5. Патент 2526765 РФ, МПК G06F15/16, G05B15/00. Способ построения системы автоматического управления с взаимодействием через сеть Ethernet [Текст] / И.В. Желтоухов, Г.В. Абрамов, С.Ю. Краевский; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО "ВГУИТ". - № 2012145477/08, Заявл. 26.10.2012; Опубл. 27.08.2014; Бюл. № 24.

Статьи и материалы конференций

6. Желтоухов И. В. Алгоритм работы системы автоматического управления [Текст] / И. В. Желтоухов, Г.В. Абрамов // Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых, студентов и аспирантов «Инновации. Энергосбережение. Право»-Москва-2013. -№ 1. - С. 44-47

7. Желтоухов И. В. Разработка интеллектуальной системы автоматического управления [Текст] / И. В. Желтоухов, Г.В. Абрамов // XIV международная научно-техническая конференция «Кибернетика и высокие технологии XXI века» - Воронеж - 2013. - № 1. - С. 245-249

8. Желтоухов И. В. Структура интеллектуальной системы автоматического управления [Текст] / И. В. Желтоухов, Г.В. Абрамов // I международная научно-практическая интернет-конференция «Моделирование энергоинформационных процессов» - Воронеж - 2012. - № 1. - С. 21-23

9. Желтоухов И.В. Исследование работы интеллектуальной системы автоматического управления [Текст] / И. В. Желтоухов, Г.В. Абрамов, М.А. AL-Maitah // II международная научно-практическая интернет-конференция «Моделирование энергоинформационных процессов» - Воронеж - 2014. -№ 1.-С. 19-22

10.Zheltoukhov I.V. Development of the structure of intellectual automatic control system [Текст] / I.V. Zheltoukhov, G.V. Abramov// Acta universi-tatis cibiniensis series e: food technology - Sibiu - 2013. - № 2. - С. 115-120

11. Zheltoukhov I.V. Development of the structure of intellectual automatic control system [Текст] / I.V. Zheltoukhov, G.V. Abramov // International conference "Integrated systems for agri-food production SIPA 2013" - Sibiu -2013. - № 1. - C. 24-29

12. Желтоухов И. В. Разработка математической модели интеллектуальной системы автоматического управления [Текст] / И. В. Желтоухов,

Г.В. Абрамов // Международная научно-практическая Интернет-конференция «Современные направления теоретических и прикладных исследований» - 2014. - № 30. - С. 68-71

13. Желтоухов И. В. Разработка алгоритмического обеспечения устройства мониторинга системы автоматического управления [Текст] / И. В. Желтоухов, Г.В. Абрамов // Международная научно-практическая конференция «Актуальные вопросы в научной работе и образовательной деятельности» - 2014. - № 1. - С. 9-11

14. Желтоухов И. В. Исследование вероятностей состояний интеллектуальной системы автоматического управления [Текст] / И. В. Желтоухов, Г.В. Абрамов // XV международная научно-студенческая конференция «Кибернетика и высокие технологии XXI века» - Воронеж - 2014. - № 1.-С. 135-141

15. Желтоухов И. В. Разработка набора команд для интеллектуальной системы автоматического управления [Текст] / И. В. Желтоухов // Международная конференция «Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики» - Воронеж - 2013. - № 1. - С. 15-18

Подписано в печать 21.10.2014г. Формат 60x84/1 б.Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ № 177. ФГБОУВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14