автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Модель системы распределенного мониторинга небесных объектов

004610593

На правах рукописи

Дмитриев Николай Владимирович

МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ РАСПРЕДЕЛЕННОГО МОНИТОРИНГА НЕБЕСНЫХ ОБЪЕКТОВ

05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 ОКТ 2010

Ставрополь — 2010

004610593

Работа выполнена на кафедре теоретической физики ГОУ ВПО «Ставропольский государственный университет»

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук

Витковский Владимир Валентинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Горохов Владимир Леонидович

доктор физико-математических наук, профессор Панчук Владимир Евгеньевич

Ведущая организация:

Карачаево-Черкесская государственная технологическая академия (г. Черкесск)

Защита состоится «21» октября 2010 г. в 16 часов 40 минут на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.256.08 при ГОУ ВПО «Ставропольский государственный университет» по адресу: 355009, г.Ставрополь, ул. Пушкина 1а, ауд. 416.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Ставропольского государственного университета.

Автореферат разослан сентября 2010 г.

Ученый секретарь

совета по защите докторских

и кандидатских диссертаций Д 212.256.08

Копыткова Л.Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность научной задачи. Проблема создания географически распределенных мониторинговых систем актуальна для многих областей науки - астрономии, геофизики, метеорологии и др.

Развитие современных компьютерных технологий - распределенных вычислительных систем, web-ориентированных средств доступа к экспериментальным данным, - требует реализации нового подхода к информационно-вычислительному обеспечению наземных астрономических экспериментов. Необходимо учитывать информационную открытость мирового астрономического сообщества, которая определяет выбор форматов данных, методологию и технологию организации наблюдательного процесса.

В России весьма перспективно создание географически распределенной системы автоматизированных телескопов. Большая протяженность территории по долготе позволит осуществить непрерывную в течение суток цепочку наблюдений, с помощью которых можно будет последовательно наблюдать, например, уникальные транзиентные объекты, отслеживая их изменяющиеся физические особенности. Широтное распределение способствует абстрагированию от погодных условий. Географическая протяженность нашей страны предоставляет возможность проведения уникальных экспериментов и равноправного участия в международных мониторинговых проектах.

Современные телескопы весьма дорогостоящие сооружения. Их эксплуатация, сбор, хранение, доступ к полученным данным требует значительных затрат, а следовательно, эффективного использования временного ресурса - наблюдательного времени, для чего необходима правильная организация всего наблюдательного процесса. Используя современные информационные технологии, требуется пересмотреть всю технологическую цепочку проведения наблюдения и взаимосвязи отдельных этапов, формализовать определение этапов наблюдательного процесса, необходимых для этого ресурсов и стандартизовать информационные потоки.

Актуальность диссертационного исследования определена необходимостью разработки средств и методов проведения и контроля распределенного эксперимента (наблюдательного цикла). Важное значение имеет развитие алгоритмического и программного обеспечения для автоматизированных устройств мониторинга небесных объектов. Использовать для решения данных задач реализованные за рубежом специализированные проприетарные программные продукты нецелесообразно, ввиду высокой цены лицензий, а также ввиду отсутствия возможности модификации, интеграции с уже разработанным, свободным астрономическим программным обеспечением. Идея использования open source, разработки собственных программных средств для реализации экспериментальной системы автоматизированных те-

лескопов была неоднократно поддержана потенциальными участниками и инвесторами проекта на семинарах-совещаниях «Информационные системы в фундаментальной науке», проводимых в CAO РАН, и конференциях, посвященных проблематике виртуальных обсерваторий.

Объектами исследования выступают телескопы малого и умеренного диаметра, обладающие различными средствами автоматизации и объединенные каналом передачи информации.

Предмет исследования — методы математического и имитационного моделирования процессов распределенного мониторинга небесных объектов, осуществляемого автоматизированными астрономическими комплексами.

Цель настоящего исследования состоит в повышении эффективности использования наблюдательного времени при проведении распределенных мониторинговых экспериментов.

Общая научная задача - моделирование процессов распределенного мониторинга небесных объектов, осуществляемого астрономическими станциями,

В процессе выполнения диссертационной работы были поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследование применимости методов моделирования систем массового обслуживания к новому типу объектов (системам малых телескопов) для анализа характеристик качества обслуживания.

2. Разработка алгоритма и программы имитационного моделирования группового взаимодействия телескопов (дисциплина обслуживания - с явными потерями), проведение вычислительного эксперимента, адекватно описывающего процессы, происходящие в реальных системах.

3. Разработка алгоритмов и программ имитационного моделирования процессов группового взаимодействия телескопов, соответствующих требованиям концептуальной модели, в целях повышения эффективности использования наблюдательного времени при проведении распределенного мониторинга (дисциплина обслуживания — с ожиданием и с раздельными очередями).

4. Моделирование и разработка системы, обеспечивающей планирование и перераспределение задач в ходе удаленных наблюдений на основе наиболее подходящей дисциплины обслуживания и стратегии управления (по результатам вычислительных экспериментов и статистических исследований, с учетом географической распределенности и прочих особенностей группового мониторинга).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель оценки runtime-потерь в системе, состоящей из телескопов и центра на основе цепей Маркова, отличающаяся методикой решения уравнения Колмогорова для случая непрерывного времени работы системы.

2. Алгоритм и программа имитационного моделирования распределенного мониторинга небесных объектов (дисциплина обслуживания - с явными потерями), а также полученные в ходе вычислительного эксперимента выводы и результаты.

3. Алгоритмы и программы имитационного моделирования, адаптированные, согласно требованиям концептуальной модели и улучшенные с целью более эффективного использования наблюдательного времени, сравнительный анализ результатов вычислительных экспериментов.

4. Программная реализация системы планирования и контроля распределенных наблюдений, обеспечивающая перераспределение задач в системе телескопов.

Научная новизна

1. Впервые методы теории массового обслуживания применены для исследования объектов нового типа(систем распределенного астрономического мониторинга).

2. Разработаны новый алгоритм и программа анализа распределенного мониторинга и характеристик качества обслуживания, использующие имитационное моделирование и результаты измерений вероятностных характеристик случайных процессов в реальных системах малых телескопов.

3. Разработано новое алгоритмическое и программное обеспечение имитационного моделирования процессов распределенного мониторинга, соответствующее требованиям концептуальной модели (зарегистрировано в установленном порядке).

4. На основании результатов проведенных вычислительных экспериментов, в соответствии с выбранной стратегией взаимодействия и дисциплиной обслуживания, разработана новая система планирования и перераспределения задач для группы малых телескопов.

Практическая значимость состоит в том, что разработанные математические модели и программное обеспечение, а также рекомендации и статистические данные могут быть использованы при создании новых систем автоматизированных телескопов. Кроме того, созданное автором программное обеспечение может быть применено при автоматизации системы управления телескопа обсерватории СГУ, малого телескопа CAO РАН, а также цифровой метеостанции RST CAO РАН. Внедрение результатов в учебный процесс в СГУ и в CAO РАН подтверждено соответствующими актами внедрения. Программное обеспечение зарегистрировано в установленном порядке.

Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, обеспечивается использованием современного математического аппарата и инструментальных средств, в частности, пакетов MathCAD 14, Arena 10 для расчетов ряда характеристик, а также использованием актуальных баз астрономических данных, для сравнения с результатами работы программ.

Производилась обработка открытой, доступной информации о характеристиках работы существующих за рубежом систем и сетей автоматизированного астрономического мониторинга.

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы и вопросы их практического использования докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

- 5 и 6 семинарах-совещаниях «Информационные системы в фундаментальной науке», проводимых в CAO РАН (Нижний Архыз, 2007,2009);

- всероссийских конференциях «Научный сервис в сети Интернет» (г. Новороссийск, 2006,2008);

- 7 всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (г. Йошкар-Ола, 2006);

- 7 международной конференции «Вероятностные методы в дискретной математике» (г. Петрозаводск, 2008);

- международной конференции «Современные методы физико-математических наук» (г. Орел, 2006);

- 1 Инновационном конвенте (г. Москва, 2008);

- 51-55 научно-методических конференциях «Университетская наука - региону», проводимых в СГУ (2006-2010);

- 10 всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (г. Сочи, 2009). Выступление с докладом на симпозиуме поддержано РФФИ в рамках инициативной программы «Мобильность молодых ученых». Автором работы получен грант 09-07-16021-моб_з_рос;

- 11 всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (г. Кисловодск, 2010).

Личный вклад автора.

Автору принадлежат:

- результаты исследований существующих проектов автоматизированных сетей телескопов и характеристик каналов связи с негарантированным временем доставки требований;

- аналитические выражения, полученные при моделировании потерь в системах телескопов;

- разработка алгоритмов и программ имитационного моделирования для систем телескопов с явными потерями, с ожиданием и с раздельными очередями, результаты вычислительных экспериментов и выводы получены лично автором;

- разработанная программа, реализующая базовые функции системы контроля и управления распределенным экспериментом.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 12 работах (3 - в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК для представления результатов кандидатских и докторских диссертаций, 4 - в трудах международных и всероссийских конференций, 5 - в материалах

региональных конференций). Общий объем публикаций составляет 1.48 п.л., из них автору принадлежит 0.95 п.л.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений; всего 168 страниц (основной текст составляет 126 страниц), 28 рисунков, 8 таблиц. Список литературы включает 101 наименование.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, сформулированы ее цель и решаемые в работе задачи, определена новизна полученных результатов, их практическая значимость, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертационного исследования рассмотрены основные тенденции развития, стратегии управления и стандарты взаимодействия систем и сетей, ориентированных на распределенный мониторинг небесных объектов, выделены наиболее перспективные принципы организации и стратегии управления. Рассмотрен спектр астрономических задач, решаемых системами автоматизированных телескопов малого диаметра. Также в главе приведены способы поэтапной реализации распределенной системы малых телескопов.

Во второй главе построена модель группового мониторингового эксперимента. Предложенные автором математические и имитационные модели процессов мониторинга, основанные на методах исследования систем массового обслуживания, описывают составные части комплексной модели оценки характеристик качества обслуживания.

Предложена концептуальная модель группового взаимодействия малых телескопов, базирующаяся на принципах распределенности, децентрали-зованности, открытости, унификации форм запросов.

В главе приведены способы оценки и решения проблем, которые мо1уг возникнуть в результате группового мониторинга. К ним относятся: негарантированная доставка требований (оценена статистически), гипите-потери (требования с неудовлетворительным результатом, полученным в ходе реализации, оценены при помощи математической модели с использованием уравнения Колмогорова, преобразований Лапласа, методов матричной алгебры), потери требований в результате перегруженности системы и простоя системы (оценены при помощи разработанных автором алгоритмов и программ имитационного моделирования).

Согласно результатам статистической оценки передачи информации, полученным в процессе обмена 1СМР-пакетами с \уеЬ-узлами организаций - потенциальных участников проекта, доставка запросов является негарантированной (потеряно около 19% запросов). Для реализации проек-

та необходимо свести к минимуму потери данных и задержки обмена. В связи с этим требуется детальное изучение маршрутизации телекоммуникационного трафика, сотрудничество с магистральными провайдерами.

Для анализа runtime-потерь воспользуемся следующей методикой.

Взаимодействие узлов системы целесообразно рассматривать как марковский процесс (случайный процесс, в котором вероятность перехода системы в каждое последующее состояние зависит только от предыдущего состояния) с непрерывным временем.

Потоками событий в данной модели являются потоки пользовательских заявок, исходящие из центра системы и обслуживающиеся на узлах, под воздействием которых система в случайные моменты времени непрерывно переходит в различные состояния. Такие потоки можно охарактеризовать распределением Пуассона (простейший пуассоновский поток). При этом интенсивности переходов Ху из состояния xt в состояние хр i=J,m являются постоянными. Обозначим также /?, - интенсивность выполнения заявки на /-м узле. При рассмотрении потока требований к узлу необходимо учитывать Fj и F* - вероятности успешной или неуспешной обработки заявки.

Следовательно, ft(F{— интенсивность успешного выполнения, а ДF* - интенсивность неуспешного выполнения потока заявок на г-м узле системы. Данные интенсивности выполнения характеризуют процессы, происходящие в системе телескопов, когда затрачено время, отведенное на обслуживание пользовательского запроса, но при этом результат оказался неудовлетворительным, вследствие внезапно изменившихся погодных условий или ошибок, произошедших в процессе автоматизированных наблюдений. Заявка считается ошибочно исполненной (runtime error).

Or»;s! j

Рисунок 1. Граф состояний системы телескопов, состоящей из Т^-узлов и

центра.

Для системы, состоящей из N (N=2,3,4,5) узлов, согласно предложенной автором методике, решена система уравнений Колмогорова при помощи преобразований Лапласа и методов матричной алгебры. Решение имеет следующий вид:

. П (р+м

..I * (р+р,)

а»=р[[(РШ (2) П (Р+А) _

«1, = Рх, ---.} =2,я-1, (3)

7 ' (р+Р,)

П (р+А)

а, =У[\Р,К-——-] . (4)

1Т (р+Д)

С,, = (5)

В данных выражениях /'/(У - вероятность пребывания системы в одном из возможных состояний.

Вычислив, например, при помощи среды МаШСАБ обратные преобразования Лапласа от данных уравнений, мы можем определить уровень потерь в данной системе. Полученные выражения позиционируются как теоретическая основа для разработки методов автоматизации группового взаимодействия роботизированных телескопов.

Чтобы определить состояние системы, нужно оценить параметры Б и И . Для определения данных параметров необходим анализ данных об аппаратных сбоях, а также сбор и анализ статистических сведений о погодных условиях и астроклимате места размещения автоматизированного астрономического комплекса. Подобная статистика ведется некоторыми зарубежными обсерваториями.

Оперативный анализ статистической информации при помощи данной модели позволит перераспределять потоки требований между узлами системы с целью сокращения совокупной доли потерь.

Выражения (1-6) подходят для оценки потерь при интенсивности входящего потока требований, не превышающего интенсивность их обработки. Однако в реальных условиях могут возникать ситуации, когда возникают потери по вызовам (невозможность исполнения заявок), ввиду того,

что все узлы системы заняты. Оценим характеристики качества обслуживания при помощи методов имитационного моделирования.

Для того, чтобы обосновать выбор экспоненциального распределения для моделирования входящего потока заявок проанализируем экспериментальные данные, предоставленные Ливерпульской обсерваторией, входящей в проект сети ЯоЬопе1. Гистограмма, построенная по 186 значениям времени прихода заявок представлена на рисунке 2.

0.6 . |

(1.5 -

¿ал -

о -

£ \

|о-г -

0.1

Длительность, е

О 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5 20 22.5 25

Рисунок 2. Входящим поток требований сети КоЬопе1

Данные можно аппроксимировать экспоненциальным распределением. Тесты с вычислением критериев согласия Пирсона и Колмогорова-Смирнова дают приемлемые результаты.

Продолжительность обслуживания моделируется исходя из данных Ливерпульской обсерватории. Поток длительностей исполнения заявок имеет распределение, отличное от экспоненциального, с коэффициентом вариации >1. Для его аппроксимации воспользуемся гиперэкспоненциальным распределением (рисунок 3). Подбор параметров осуществлялся по моментам распределения (сверялись математическое ожидание, дисперсия, коэффициенты вариации, асимметрии и эксцесса). Кроме того, сверялись минимумы и максимумы значений.

0.5л

|ал-

в

0.1

Длительность, мни

96 108 Ив

Рисунок 3. Гистограмма потока обслуживания, построенная по данным

Г*оЬопе1

Параметр X входящего потока требований изменялся от 0.8 до 2.4. Данный диапазон изменения X характеризует изменение поведения систе-

мы от недозагруженной (потери отсутствуют) до предельно загруженной (увеличение интенсивности потока требований приводит лишь к увеличению потерь, при отсутствии роста числа реализованных заявок).

Характеристики потока длительностей обслуживания: минимальная длительность - 5 мин, максимальная - 120 мин, коэффициент вариации -1.08, коэффициент асимметрии - 3.1±0.13, коэффициент эксцесса -10.6±0.45, среднее квадратичное отклонение - 16.1±1.2, математическое ожидание - 15±2.3.

В случае выхода моментов распределения выходных значений модели за границы 95%-ных доверительных интервалов прогон имитационной модели повторялся до достижения приемлемых результатов.

Продолжительность этапа наблюдений - 600 минут (10 часов), что соответствует продолжительности ночи (если моделируем систему, сосредоточенную в одном часовом поясе, или распределенную по долготе, но с условием, что оператор при обработке посылает поступившие заявки на узлы с учетом того, что исполнение ее не будет прервано ввиду наступления восхода Солнца). Длительность обслуживания была задана гиперэкспоненциальным распределением со следующими параметрами: ßi = 2.068,/?2= 20.095,pi = 0.56, р2 = 0.48. Было задано большое число итераций (30), для построения одной точки графика.

Прогоны совершались для трех возможных видов обслуживания — с явными потерями, с ожиданием, с раздельными очередями. Результаты, полученные в ходе вычислительных экспериментов представлены ниже.

0,5 п 0.5 ч

47 60 72 84 96 107 121 132 145 45 65 85 105 125 145

Л, Эрл Л, Зрл

Рисунок 4. Характеристики качества обслуживания (система с явными потерями)

В зависимости от величины загрузки системы возникают различные значения потерь по числу заявок - поступившие заявки не могут быть обработаны из-за того, что все астрономические инструменты заняты. Также возникают ситуации, когда отдельные сегменты системы простаивают из-за недостаточной загруженности. Целесообразно в процессе моделирования отслеживать не только количество потерянных вызовов, но и длины интервалов простоя отдельных узлов.

Рисунок 5. Блок-схема алгоритма обслуживания с явными потерями

Это необходимо для того, чтобы определить параметры системы, при которых возможно ее занятие в моменты простоя фоновыми заданиями -вторичными астрономическими задачами, не требующими непосредственного решения в данный момент времени, и исполнение которых может быть прекращено или отложено. К такого рода задачам можно отнести мониторинг всего неба с целью получения полного цифрового обзора, поиск оптических транзиентов.

Качество обслуживания можно представить графически. На рисунке 4 изображена зависимость доли потерь запросов от входящей нагрузки. Погрешность представлена в виде квадратов ошибок. Наличие ошибки по X обусловлено тем, что величина итоговой нагрузки в результате каждой итерации не была постоянной величиной.

На графике (рисунок 4Б) представлены несмещенные оценки средних значений и доверительные интервалы с использованием t-критерия. Величина маркера соразмерна области квадрата ошибок (по осям х и у). Зависимость носит практически линейный характер.

На диаграмме (рисунок 4А) более светлым цветом выделены величины больших (>5 мин.) интервалов простоя, длительности которых хватило бы для исполнения хотя бы одной пользовательской заявки, темным цветом -величины малых интервалов простоя. Согласно результатам вычислительного эксперимента, величина малых интервалов простоя не зависит от нагрузки, в то время, как величина больших интервалов уменьшается.

Блок-схема на рисунке 5 описывает алгоритм взаимодействия телескопов в системе с явными потерями.

Исходя из результатов вычислительного эксперимента, можно сделать вывод о том, что при недостаточной загруженности системы большие интервалы (промежутки времени, соразмерные со временем исполнения заявок) преобладают над малыми интервалами простоя. Следовательно, целесообразно, помимо исполнения текущих запросов занять систему фоновыми задачами, для полезного использования времени простоя.

Еще более эффективным способом повышения производительности является смена дисциплины обслуживания. Алгоритм (рисунок 5) модифицирован следующим образом: при отсутствии в системе свободных узлов (K=V), заявка не теряется, а ставится в очередь, а при освобождении узла программа проверяет условие наличия или отсутствия требований в очереди и при наличии - направляет на обслуживание, согласно дисциплине FIFO. Результаты моделирования представлены на рисунке 6. Модификация алгоритма приведена на рисунке 7.

с

Л

49 ео 73 84 87 108 121 132 145

Л, Эрл Д. Зря

Рисунок 6. Характеристики качества обслуживания (система с ожиданием)

Согласно исследованиям, приведенным в диссертации, доставка требований является негарантированной.

, > 1 I * / у!>

л и _ ?

■ ■! »

чч I 1

1,1 !

* 1

^ Г ! I I ! I

I I 1С |

Рисунок 7. Блок-схема алгоритма с ожиданием

Возможны разрывы сетевых соединений между узлами и центром, ответственным за сбор заявок. Необходимо делегировать ряд функций центра конечным узлам, в целях обеспечения непрерывной автономной работы до возобновления соединения. Исходя из данных требований, был разработан алгоритм взаимодействия телескопов в системе с раздельными очередями.

Сравним полученные результаты с итогами предыдущих этапов моделирования. С учетом погрешностей вычислительных экспериментов, величины потерь запросов в зависимости от повышения нагрузки в системах с единой очередью и с раздельными очередями различаются незначительно (рисунки 6 и 8).

0.5 0.4

ос о

о 0.3 а.

|о,2

<и о. Ш

0.1 0.0

п А

С

г

1 р 1

1 * ш У Я Я 1« я «

0.5 0,4

Е.0'3 5

с 0,2 0.1 -0

45 63 £5 105 125 145 Л, Э[ Л

48 60 72 84 96 108 120 132 143 Л. Эрл

Рисунок 8. Характеристики качества обслуживания (система с раздельными очередями)

Блоки проверки адекватности (рисунок 9А) и коррекции числа заявок с учетом незавершенных наблюдений (рисунок 9Б) приведены ниже.

ВХО,4 |

В*од

г<*ьм у.

ч ю у т /

т

0;~П+1 !

\

/

» .

Г "( «

| Выжщ

Рисунок 9. Блоки проверки адекватности и коррекции числа заявок

На рисунке 10 представлены величины задержки запросов в очередях в вычислительных экспериментах с различными дисциплинами обслуживания. При недостаточной загруженности системы задержки требований практически отсутствуют, при умеренной — различаются незначительно. Существенные различия возникают лишь при перегрузке системы.

250

200

¥ 150

*

С.

1 о 100

60

0

48 60 72 84 56 108 120 132 144 Л. Эрл и Единая очередь о Раздельные очёредй

Рисунок 10. Зависимость задержки запроса в очереди (в мин.) от величины входящей нагрузки для различных дисциплин обслуживания

Согласно результатам имитационного моделирования, наиболее предпочтительной является система обслуживания с раздельными очередями.

Таким образом, целесообразно ведение раздельных очередей астрофизическими мониторинговыми комплексами, входящими в распределенную систему.

В третьей главе сформулированы основные требования к системе обеспечения контроля, перераспределения задач, и управления распределенным экспериментом, реализована базовая часть данных требований с привлечением полученных во 2-й главе результатов имитационного моделирования. Разработаны алгоритм и программа моделирования группового взаимодействия с учетом географической распределенности эксперимента. Рассмотрены методы вычисления и аппроксимации величин, влияющих на планирование наблюдений. К факторам, влияющим на планирование наблюдений, относятся: -положение Солнца для выбранного места наблюдения; -положение целевого объекта относительно местного горизонта; -предельная видимая звездная величина для системы телескоп-светоприемник;

-астроклимат места наблюдения, величины атмосферной рефракции, экстинкции.

При выборе методов, положенных в основу системы планирования, предпочтение отдавалось тем, с помощью которых можно было бы получить результат оперативно и с небольшой погрешностью.

На основе выбранной стратегии взаимодействия, а также стандарта RTML разработаны алгоритм и тестовая программная реализация системы планирования и контроля распределенного астрономического эксперимента. Данная система (рисунок 11) реализована на языке программирования FreePascal, с возможностью дальнейшей адаптации в средах объектно-ориентированного програм-мирования(Ое1рЫ, Kylix).

Текст программы выполнен в соответствии с принципами структурного программирования - основные этапы работы (вычисления эфемерид Солнца, времени восхода и захода объекта, чтения из RTML-файла, записи в RTML-файл, обработки входящего запроса, генерирования файла отчета) реализованы в виде отдельных процедур, обращение к которым происходит в основном тексте.

Файл с инструкциями на языке Remote Telescope Markup Lan-guage(RTML) содержит информацию, частично или полностью характеризующую пользовательский запрос. Для автоматизированной системы планирования распределенных наблюдений особую важность представляют данные о небесных координатах и длине экспозиции, так как координаты требуются для расчета положения объекта, а время экспозиции - для определения продолжительности исполнения заявки, с учетом поправок, учитывающих технические особенности процесса наблюдения и возможные ошибки программного расчета времени.

Процедура считывает данные из RTML-файла и передает их в подпрограмму обработки запроса, где производится нахождение промежутков времени, в которые он мог бы быть исполнен на данном телескопе. Данные временные интервалы ищутся, исходя из следующих соображений:

Рисунок 11. Блок-схема алгоритма системы планирования и контроля распределенного астрономического

-Солнце находится под горизонтом, -объект наблюдений взошел,

-длительность исполнения заявки не выходит за определенный диапазон значений.

Подпрограмма обработки запроса генерирует файлы очередей и файлы отчетов. Файл очередей (сШ_тт.рго) представляет собой именованную совокупность одномерных массивов, длиной 1440 элементов каждый (1440 - количество минут в сутках). Число массивов в файле равно числу телескопов. Таким образом, каждому астрофизическому инструменту отводится своя очередь заданий. Элементы массива равны 0 (если в данный момент телескоп свободен) либо 1 (если занят). При обращении к файлу подпрограмма вычисляет местное время для конкретной обсерватории, заполняет единицами элементы массива, характеризующие прошедшее время, а также время нахождения Солнца над горизонтом. Далее осуществляется поиск последовательности незанятых элементов массива, длиной, равной продолжительности исполнения текущего требования. При положительном результате поиска время, которое может быть затрачено на реализацию заявки помечается в файле очереди, как занятое, в файл отчетов (id_dd_mm.log) добавляется запись, содержащая данные о пользователе, проекте, объекте и выделенном интервале времени. При отсутствии файла отчета генерируется новый. Также происходит создание выходного ЯТМЬ-файла, в который вносится необходимая информация из исходного, а также данные, характеризующие телескоп и интервал наблюдений, вносимые с учетом стандартов ЛТМЬ.

Погрешности вычислений времен восхода/захода Солнца и объекта модулями программы составили 1-3 минуты, что допустимо.

Описаны этапы разработки программы на основе вышеперечисленных методов, оценена погрешность вычислений. Особое внимание уделено использованию стандартов ЛТМЬ. Также рассмотрена система управления сегментом астрофизической обсерватории СГУ, комплексом «Старс».

В заключении обобщаются результаты данной работы и оцениваются перспективы использования систем и сетей автоматизированного мониторинга.

В приложении приведены листинги программ имитационного моделирования, а также программы, позволяющей реализовать базовые средства контроля, перераспределения задач и управления мониторинговым экспериментом. Также в приложении приведены таблицы, содержащие характеристики малых автоматизированных телескопов мира.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Впервые теория СМО применена для анализа характеристик качества обслуживания в системах малых телескопов. Построена математическая модель шпите-потерь в системе, состоящей из телескопов и центрального узла на основе цепей Маркова с непрерывным временем. Полученные выражения позиционируются как теоретическая основа для разработки методов автоматизации взаимодействия роботизированных телескопов.

2. Разработаны алгоритм и программа имитационного моделирования системы телескопов с явными потерями и с ожиданием, с учетом особенностей обслуживания, адекватно описывающие процессы взаимодействия, происходящие в реальных системах. Произведено сравнение результатов. При проведении вычислительных экспериментов показано, что ведение очереди заданий существенно повышает эффективность использования наблюдательного времени (сокращается длительность больших интервалов простоя, сокращается процент потерь). В отдельных вычислительных экспериментах ожидаемый прирост производительности составил 12%.

3. Согласно результатам вычислительных экспериментов предпочтительной является реализация модели с раздельными очередями, нежели с единой очередью и центром. Потери заявок и времени в данных системах различаются несущественно, но при этом ведение раздельных очередей наделит узлы системы большей степенью автономии и обеспечит бесперебойную работу в случае временной потери связи с центром. (По результатам исследования потери составляют около 19% от общего числа запросов.) Алгоритм и программа адаптированы с учетом географической распределенности.

4. Разработана модель системы планирования распределенных наблюдений (на базе алгоритма с раздельными очередями), способная осуществлять контроль и распределение задач для системы малых телескопов, а также ее тестовая программная реализация, планирующая наблюдения для системы телескопов.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах из перечня ВАК:

1. Витковский В.В, Дмитриев Н.В. Сети малых телескопов. // Обозрение прикладной и промышленной математики. Т. 14, вып. 2,2007. С. 269-270.

2. Витковский. В.В. Дмитриев Н.В. Исследование модели распределенной сети с негарантированным временем доставки. // Обозрение прикладной и промышленной математики. Т. 16, вып. 1, 2009г. С. 69-70.

3. Витковский В.В, Дмитриев Н.В. Разработка модели распределенного автоматизированного мониторинга небесных объектов. И Обозрение прикладной и промышленной математики. Т. 16, вып. 4, 2009г. С. 626.

Статьи в сборниках по итогам проведения международных и всероссийских конференций:

4. Витковский В.В., Дмитриев Н.В., Жимаев И.В., Иванов A.A., Калинина H.A., Комаринский СЛ., Комаров В.В., Малхасян C.B., Назаренко А.Ф., Окунев И.Ф., Пляскина Т.А., Черненков В.Н., Шергин B.C. Проблемы организации Интернет-доступа на примере WEB-трансляции полного солнечного затмения. Труды всероссийской конференции «Научный сервис в сети Интернет». Новороссийск, 2006. С. 208-211.

5. Дмитриев Н.В., Падалка В.В. Разработка содержания элективного курса «Элементы астрофизики» для учащихся 11 классов физико-математического профиля // Современные методы физико-математических наук. Труды международной конференции. Т.З. Орел: изд-во Орловского госуниверситета, 2006. С. 305-309.

6. Витковский В В., Дмитриев Н.В., Жимаев И.В., Комаров В.В., Назаренко А.Ф., Шергин B.C. Система передачи данных при наблюдении солнечного затмения. Труды всероссийской конференции «Научный сервис в сети Интернет». Новороссийск, 2006. С. 237.

7. Витковский В.В., Дмитриев Н.В. Калинина H.A., Комаров В.В., Ма-рухно A.C., Пляскина Т.А., Черненков В.Н. Опыт и проблемы мультика-стовой Интернет-трансляции полного солнечного затмения 01.08.2008. Труды всероссийской конференции «Научный сервис в сети Интернет». Новороссийск, 2008. С. 211.

Статьи в сборниках по итогам проведения региональных конференций:

8. Витковский В.В., Дмитриев Н.В., Жимаев И.В. Роботизация малых телескопов. // Физико-математические науки на современном этапе развития Ставропольского государственного университета. Материалы 51-й научно-практической конференции «Университетская наука - региону». Ставрополь: изд-во СГУ, 2006. С. 114-115.

9. Дмитриев Н.В. Проблема удаленного управления роботизированными телескопами. // Научно-инновационные достижения ФМФ в области физико-математических и технических дисциплин. Материалы 52-й научно-методической конференции «Университетская наука - региону». Ставрополь: изд-во СГУ, Ставропольское книжное изд-во, 2007. С. 114-115.

Ю.Дмитриев Н.В. Астрономический роботизированный комплекс как система массового обслуживания // Научно-инновационные достижения ФМФ в области физико-математических наук. Материалы 53-й научно-методической конференции «Университетская наука - региону». Ставрополь: изд-во «Мысль», 2008. С. 125-126.

11 .Витковский В.В., Дмитриев Н.В. Оценка параметров сети автоматизированных телескопов, ориентированной на мониторинг оптических

транзиентов. Материалы 54-й научно-методической конференции «Университетская наука - региону». Ставрополь, изд-во СГУ, 2009. С. 173-174.

12.Дмитриев Н.В. Система поддержки принятия решений о возможности наблюдений для распределенного астрофизического эксперимента. // Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных исследований в области физики, математики и компьютерных наук. Материалы 55-й научно-методической конференции «Университетская наука - региону». Ставрополь: изд-во «Фабула», 2010. С.31-34.

Зарегистрированные в ФГУ ФИПС РФ программы: 13.Starsnet planner. Программа планирования астрономического мониторингового распределенного эксперимента и обработки RTML. Зарегистрировано в ФГУ ФИПС РФ 2 февраля 2010, №2010610581.

14.MGMW processing. Имитационное моделирование процессов в сетях с ожиданием. Зарегистрировано в ФГУ ФИПС РФ 2 февраля 2010, №2010610614.

Подписано в печать 14.09.10 Формат 60x84 1/16 Усл.печ.л. 1,28 Уч.-изд.л. 1,21

Бумага офсетная_Тираж 130 экз._Заказ 331

Отпечатано в Издательско-полиграфическом комплексе Ставропольского государственного университета. 355009, Ставрополь, ул.Пушкина, 1.

ВВЕДЕНИЕ.

1. Общая характеристика работы.

2. Содержание работы.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ, СТРАТЕГИЙ УПРАВЛЕНИЯ И СТАНДАРТОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АСТРОНОМИЧЕСКИХ СИСТЕМ И СЕТЕЙ.

1.1 Тенденции развития.

1.2 Обзор существующих систем и сетей робот-телескопов.

1.2.1 Глобальный проект мониторинга гамма-всплесков GCN.

1.2.2 Проект ROBONET.

1.2.3 Сеть телескопов MONET.

1.2.4 ROTSE.

1.3 Особенности организации сетей робот-телескопов и стратегии группового управления.

1.4 Статистический анализ информации о существующих сетях.

1.5 Стандарты и программное обеспечение сосредоточенных систем и сетей робот-телескопов.

1.5.1 INDI-интерфейс, как стандарт сосредоточенных сетей.

1.5.2 АСР (Astronomer's Control Panel), как пример программного обеспечения для работы с очередью задач сосредоточенной системы.

1.6 Стандарты и программное обеспечение распределенных систем и сетей робот-телескопов.

1.6.1 Стандарт RTML.

1.6.2 Стандарт ATIS.

1.7 Спектр астрономических задач, решаемый системой телескопов с различными степенями автоматизации.

1.8 Постановка задачи исследования.

1.9 Выводы к главе 1.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ И ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАСПРЕДЕЛЕН! ЮГО МОНИТОРИНГА НЕБЕСНЫХ ОБЪЕКТОВ;.

2.1 Концептуальная модель системы телескопов;.55'

2.2 Исследование особенностейфаспределенной астрономической системы .;.

2.3 Моделирование взаимодействия системы астрономических роботизированных комплексов; состоящей; из узлов и центра, на основе цепей Маркова с непрерывным временем4.

2.4 Имитационное моделирование системы телескопов с потерями.

2.4.1 Моделирование потока требований.

2.4.2 Моделирование процесса1 обслуживания.,73

2.4.3 Алгоритм имитационного моделирования

214.4 Моделирование системы с ожиданием.

2.4.5 Моделирование системы с раздельными очередями

2.5 Выводы к главе

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЬГ ПЛАНИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ТЕЛЕСКОПОВ.

3.1 Моделирование системы планирования с учетом особенностей, влияющих на результаты,распределенного мониторинга.

3.2 Алгоритмы расчета времени и координат.

3 .3 Аппаратные и физические особенности.

3.3.1 Расчет предельного значения видимой звездной величины.

3.3.2 Учет атмосферного ослабления света и фона ночного неба.

3.4 Программная реализация модели.

3.4.1 Модуль расчета эфемерид Солнца.

3.4.2 Модуль расчета восхода и захода объекта.

3.4.3 Подпрограммы обработки и модификации ЯТМЬ-запроса.

3.4.4 Подпрограмма генерирования исполняемого кода для Meade Autostar II совместимых систем.

3.5 Автоматизированный комплекс «Старс», как пример узла системы распределенного астрономического мониторинга.

3.5.1 Аппаратное обеспечение комплекса «Старс».

3.5.2 Программное обеспечение для локального и удаленного управления мониторинговым экспериментом.

3.6 Выводы к главе 3.

1. Общая характеристика работы

Актуальность научной задачи. Проблема создания географически распределенных мониторинговых систем актуальна для многих областей науки - астрономии[16,17,46], геофизики[5], метеорологии и др. Развитие современных компьютерных технологий» — распределенных вычислительных систем, луеЬ-ориентированных средств доступа к экспериментальным данным, - требует реализации нового подхода к информационно-вычислительному обеспечению наземных астрономических экспериментов. Необходимо учитывать информационную открытость мирового астрономического сообщества, которая определяет выбор форматов данных, методологию и технологию организации наблюдательного процесса.

В России весьма перспективно * создание географически распределенной системы автоматизированных телескопов. Большая протяженность территории по долготе позволит осуществить непрерывную в течение суток цепочку наблюдений, с помощью которых можно будет последовательно наблюдать, например, уникальные транзиентные объекты, отслеживая их изменяющиеся физические особенности. Широтное распределение способствует абстрагированию от погодных условий. Географическая протяженность нашей страны предоставляет возможность проведения уникальных экспериментов и равноправного участия в международных мониторинговых проектах.

Современные телескопы весьма дорогостоящие сооружения. Их эксплуатация, сбор, хранение, доступ к полученным данным требует значительных затрат, а следовательно, эффективного использования временного ресурса - наблюдательного времени, для чего необходима правильная организация всего наблюдательного процесса[45]. Используя современные информационные технологии, требуется пересмотреть всю технологическую цепочку проведения наблюдения и взаимосвязи отдельных этапов, формализовать определение этапов наблюдательного» процесса, необходимых для этого ресурсов и стандартизовать информационные потоки.

Актуальность диссертационного исследования определена необходимостью разработки средств и методов проведения и контроля сетевого эксперимента (наблюдательного цикла). Важное значение имеет развитие алгоритмического и программного обеспечения для автоматизированных устройств мониторинга небесных объектов. Использовать для решения данных задач реализованные за рубежом специализированные проприетарные программные продукты нецелесообразно, ввиду высокой цены лицензий, а также ввиду отсутствия возможности модификации, интеграции с уже разработанным, свободным астрономическим программным обеспечением. Идея использования, open source, разработки собственных- программных средств для реализации экспериментальной распределенной системы автоматизированных телескопов была неоднократно поддержана потенциальными участниками и инвесторами проекта на семинарах-совещаниях «Информационные системы в фундаментальной науке», проводимых в CAO РАН, и конференциях, посвященных проблематике виртуальных обсерваторий.

Цель исследования состоит в повышении эффективности использования наблюдательного времени при проведении распределенных мониторинговых экспериментов.

Общая научная задача - моделирование процессов распределенного мониторинга небесных объектов, осуществляемого астрономическими станциями.

В процессе выполнения диссертационной работы были поставлены и решены следующие задачи.

1. Исследование применимости методов моделирования систем массового обслуживания, к новому типу объектов (системам малых телескопов) для анализа характеристик качества обслуживания.

2. Разработка алгоритма и программы имитационного моделирования процессов сетевого взаимодействия (дисциплина обслуживания - с явными потерями), проведение вычислительного эксперимента, адекватно описывающего процессы, происходящие в реальных системах.

3. Разработка* алгоритмов и программ имитационного моделирования процессов < сетевого' взаимодействия, соответствующих требованиям концептуальной модели, в целях повышения'эффективности использования наблюдательного времени при проведении распределенного мониторинга (дисциплина обслуживания — с ожиданием и с раздельными очередями).

4. Моделирование и разработка системы, обеспечивающей планирование и перераспределение задач в ходе удаленных наблюдений на основе наиболее подходящей дисциплины обслуживания и стратегии управления (по результатам вычислительных экспериментов • и' статистических исследований, с учетом географической распределенности и прочих особенностей группового мониторинга).

Объектами исследования выступают распределенные системы натурного мониторинга.

Предмет исследования - методы математического и имитационного моделирования процессов распределенного мониторинга небесных объектов, осуществляемого автоматизированными астрономическими комплексами.

Методы исследований. Решение поставленных задач основывается на математическом аппарате методов математического и имитационного моделирования, в частности, методов исследования систем и сетей массового обслуживания, использовании методов теории вероятностей и математической статистики.

Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, обеспечивается использованием современного математического аппарата и инструментальных средств, в частности, пакетов MathCAD 14, Arena 10 для расчетов ряда характеристик, а также использованием актуальных баз астрономических данных, для сравнения с результатами работы программ. Производилась обработка открытой, доступной информации о характеристиках работы существующих за рубежом систем и сетей автоматизированного астрономического мониторинга.

Научная новизна.

1. Впервые методы теории массового обслуживания применены для исследования объектов нового типа (систем распределенного астрономического мониторинга).

2. Разработаны новый алгоритм и программа анализа распределенного мониторинга и характеристик качества обслуживания, использующие имитационное моделирование и результаты измерений вероятностных характеристик случайных процессов в реальных системах малых телескопов.

3. Разработано новое алгоритмическое и программное обеспечение имитационного моделирования процессов распределенного мониторинга, соответствующее требованиям концептуальной модели (зарегистрировано в установленном порядке).

4. На основании' результатов проведенных вычислительных экспериментов, в соответствии с выбранной стратегией взаимодействия и дисциплиной обслуживания, разработана новая система планирования и перераспределения задач для группы малых телескопов.

Научная и практическая значимость работы состоит в том, что разработанные математические модели и программное обеспечение, а также рекомендации и статистические данные могут быть использованы при создании новых систем автоматизированных телескопов. Кроме того, созданное автором программное обеспечение может быть применено при автоматизации системы управления телескопа обсерватории СГУ, малого телескопа CAO РАН, а также цифровой метеостанции RST CAO РАН. Внедрение результатов в учебный процесс в СГУ и в CAO РАН подтверждено соответствующими актами внедрения. Программное обеспечение зарегистрировано в установленном порядке.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Математическая модель оценки гипйше-потерь в системе, состоящей из телескопов и центра на основе цепей Маркова, отличающиеся методикой решения уравнения Колмогорова для случая непрерывного времени работы системы.

2. Алгоритм и программа имитационного моделирования распределенного мониторинга небесных объектов (дисциплина обслуживания - с явными потерями), а также полученные в ходе вычислительного эксперимента выводы и результаты.

3. Алгоритмы и программы имитационного моделирования, адаптированные, согласно требованиям концептуальной модели и улучшенные с целью более эффективного использования наблюдательного времени, сравнительный анализ результатов вычислительных экспериментов.

4. Программная реализация системы планирования и контроля распределенных наблюдений, обеспечивающая перераспределение задач в системе малых телескопов.

Апробация результатов.

Результаты исследований опубликованы в 12 работах (3 - в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК для представления результатов кандидатских и докторских диссертаций, 4 - в трудах международных и всероссийских конференций, 5 — в материалах региональных конференций).

Статьи в журналах из перечня ВАК:

1. Витковский В.В, Дмитриев Н.В. Сети малых телескопов. // Обозрение прикладной и промышленной математики. -Т. 14, вып. 2, 2007. -269-270. I

2. Витковский. B.B. Дмитриев H.B. Исследование модели распределенной сети с негарантированным временем доставки. // Обозрение прикладной и промышленной математики. —Т. 16, вып. 1, 2009г. -69-70:

3. Витковский В.В, Дмитриев Н.В.Разработка модели-распределенного автоматизированного мониторинга небесных объектов. // Обозрение прикладной и промышленной математики. —Т. 16, вып. 4, 2009г. -626.

Статьи в сборниках по итогам проведения международных и всероссийских конференций:

4. Дмитриев Н.В., Падалка В.В. Разработка содержания элективного курса "Элементы астрофизики" для учащихся 11 классов физико-математического профиля' // Современные методы физико-математических наук. Труды международной конференции, Т.З - г. Орел, изд-во Орловского госуниверситета, 2006. -305-309.

5. Витковский В.В., Дмитриев Н.В., Жимаев И.В., Иванов A.A., Калинина H.A., Комаринский C.JL, Комаров В.В., Малхасян С.В.,~Назаренко А.Ф., Окунев И.Ф., Пляскина Т.А., Черненков В.Н., Шергин B.C. Проблемы организации Интернет-доступа на примере WEB-трансляции полного солнечного затмения. Труды всероссийской конференции «Научный сервис в сети Интернет». - Новороссийск, 2006. -208-211.

6. Витковский В.В., Дмитриев Н.В., Жимаев И.В., Комаров. В.В., Назаренко А.Ф., Шергин B.C. Система передачи данных при наблюдении солнечного затмения. Труды всероссийской конференции «Научный сервис в сети Интернет». - Новороссийск, 2006. -237.

7. Витковский В.В., Дмитриев Н.В. Калинина H.A., Комаров В.В., Марухно A.C., Пляскина Т.А., Черненков В.Н. Опыт и проблемы мультикастовой Интернет-трансляции полного солнечного затмения 01.08.2008. Труды всероссийской конференции «Научный сервис в сети Интернет» - Новороссийск, 2008. —211.

Статьи в сборниках по итогам проведения региональных конференций:

8. Витковский В.В;, Дмитриев Н:В:, Жимаев И.В. Роботизация малых телескопов. // Физико-математические науки на современном этапе развития Ставропольского государственного университета. Материалы 51-й научно-практической конференции "Университетская наука-региону". - Ставрополь, изд-во СГУ, 2006. -376с.

9. Дмитриев Н.В. Проблема удаленного' управления роботизированными- телескопами:. // Научно-инновационные: достижения ФМФ в области физико-математических и технических дисциплин. Материалы 52-й научно-методической конференции «Университетская наука-региону». - Ставрополь, изд-во СГУ, Ставропольское книжное изд-во, 2007. -446с.

Ю.Дмитриев Н.В. Астрономический роботизированный комплекс как система массового обслуживания // Научно-инновационные достижения ФМФ'1 в области физико-математических наук. Материалы 53-й научно-методической конференции «Университетская наука-региону»; -Ставрополь, изд-во «Мысль», 2008.-252с.

11 .Витковский В.В:, Дмитриев Н;В. Оценка параметров-, сети автоматизированных телескопов, ориентированной на мониторинг оптических транзиентов. Материалы 54-й научно-методической конференции «Университетская наука-региону». - Ставрополь, изд-во СГУ, 20091 -292'с.

12.Дмитриев Н.В. Система поддержки принятия решений о возможности наблюдений для распределенного астрофизического эксперимента. // Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных исследований в области физики, математики, и компьютерных наук. Материалы 55-й научно-методической конференции «Университетская наука-региону». - Ставрополь, изд-во «Фабула», 2010. - 172с.

Разработанные автором программные средства зарегистрированы в ФГУ Федеральном институте промышленной собственности РФ 2 февраля 2010г. Присвоены регистрационные номера: №2010610614, №2010610581.

Результаты исследований докладывались на:

- V и VI семинарах-совещаниях «Информационные системы в фундаментальной науке», проводимых в CAO РАН (Нижний Архыз, 2007, 2009);

- международных конференциях «Научный сервис в сети Интернет» (г. Новороссийск, 2006, 2008);

- VII всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (г. Йошкар-Ола, 2006);

- VII международной конференции «Вероятностные методы в дискретной математике» (г. Петрозаводск, 2008);

- международной конференции «Современные методы физико-математических наук» (г. Орел, 2006);

- I Инновационном конвенте (г. Москва, 2008);

- 51-55 научно-методических конференциях «Университетская наука -региону», проводимых в СГУ (2006-2010);

- X всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (г. Сочи, 2009). Выступление с докладом на симпозиуме поддержано РФФИ в рамках инициативной программы «Мобильность молодых ученых». Автором работы получен грант 09-07-16021-мобзрос;

- XI всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (г. Кисловодск, 2010).

Автору принадлежат:

- результаты исследований существующих проектов автоматизированных систем телескопов и характеристик каналов связи с негарантированным временем доставки требований; аналитические выражения, полученные при моделировании потерь в системах телескопов; разработка алгоритмов и программ имитационного моделирования для систем телескопов с явными потерями, с ожиданием и- с раздельными очередями, результаты вычислительных экспериментов и выводы получены лично автором; разработанная программа, реализующая базовые функции системы планирования распределенного мониторинга.

Разработанные автором программы для ЭВМ зарегистрированы в Роспатенте.

2. Содержание работы

Работа состоит из1 введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений; всего 168 страницы (основной текст составляет 126 страниц), 28 рисунков, 8 таблиц. Список литературы включает 101 наименование.

В первой главе диссертационного исследования рассмотрены основные тенденции развития, стратегии управления и стандарты взаимодействия систем и сетей, ориентированных на распределенный мониторинг небесных объектов, выделены наиболее перспективные принципы организации и стратегии управления. Рассмотрен спектр астрономических задач, решаемых системами автоматизированных телескопов малого диаметра. Среди стратегий управления отмечена коллективная, так как она позволит интегрировать в себя интеллектуальные узлы.

Во второй главе приведена концептуальная модель системы малых телескопов, базирующаяся на принципах распределенности, децентрализованности, открытости, унификации форм запросов. Построена модель группового мониторингового эксперимента. Предложенные автором математические и имитационные модели процессов мониторинга, основанные на методах исследования систем и сетей массового обслуживания, описывают составные части комплексной модели оценки характеристик качества обслуживания.

В главе приведены способы оценки и решения проблем, которые могут возникнуть в результате группового мониторинга. К ним относятся: негарантированная доставка требований (оценена статистически), гип1лте-потери (требования с неудовлетворительным результатом, полученным в ходе реализации, оценены при помощи1 математической модели с использованием уравнения Колмогорова, преобразований Лапласа, методов матричной алгебры), потери требований в результате перегруженности системы и простоя системы (оценены при помощи разработанных автором алгоритмов и программ имитационного моделирования).

В третьей главе сформулированы- основные требования1 к системе планирования, перераспределения задач, реализована базовая часть данных требований с привлечением полученных во 2-й главе результатов имитационного моделирования, с учетом географической распределенности эксперимента. Рассмотрены методы вычисления и аппроксимации величин, влияющих на возможность проведения наблюдений.

Описаны этапы разработки программы на основе вышеперечисленных методов, оценена погрешность вычислений. Особое внимание уделено использованию стандартов ЫТМЬ. Также рассмотрена система управления сегментом астрофизической обсерватории СГУ, комплексом «Старс».

В заключении обобщаются результаты данной работы и оцениваются перспективы использования систем автоматизированного мониторинга.

В приложении приведены листинги программ имитационного моделирования, а также программы, позволяющей реализовать базовые средства контроля, перераспределения задач. Также в приложении

I приведены таблицы, содержащие характеристики малых автоматизированных телескопов мира. I

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Впервые теория СМО применена для анализа характеристик качества обслуживания в системах малых телескопов. Построена математическая модель гипйше-потерь в системе, состоящей из телескопов и центрального узла на основе цепей Маркова с непрерывным временем. Полученные выражения позиционируются как теоретическая основа для разработки методов автоматизации взаимодействия роботизированных телескопов.

2. Разработаны алгоритм и программа имитационного моделирования системы телескопов с явными потерями и с ожиданием, с учетом особенностей обслуживания, адекватно описывающие процессы группового распределенного мониторинга в реальных системах. Произведено сравнение результатов. При проведении вычислительных экспериментов показано; что ведение очереди заданий существенно повышает эффективность использования наблюдательного времени (сокращается длительность больших интервалов простоя, сокращается процент потерь заявок). В отдельных вычислительных экспериментах ожидаемый прирост производительности составил 12%.

3. Согласно результатам вычислительных экспериментов предпочтительной является реализация модели с раздельными очередями, нежели с единой очередью и центром. Потери заявок и времени в данных системах различаются несущественно, но при этом ведение раздельных очередей наделит узлы системы большей степенью автономии и обеспечит бесперебойную работу в случае временной потери связи с центром. (По результатам статистического исследования негарантированной доставки требований, потери составляют около 19% от общего числа запросов.) Алгоритм и программа адаптированы с учетом географической распределенности и могут использоваться для оценки характеристик качества обслуживания в проектируемой системе автоматизированных телескопов.

4. Разработана модель системы планирования распределенных наблюдений (на базе алгоритма с раздельными очередями), способная осуществлять контроль и распределение задач для системы малых телескопов, а также ее тестовая программная реализация. Данная программа отличается от аналогов прежде всего тем, что планирует наблюдения не для одной обсерватории, а для системы телескопов.

Таким образом, все задачи, поставленные в начале исследования, решены. Цель исследования можно считать достигнутой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Baruch, John E.F., Robots in Astronomy, Vistas in Astronomy, vol. 35, 1993, pp. 399-438.

2. Breger M. Observational polarimetry programs for small telescopes.// In1.strumental and research programmes for small telescopes», ed. by J.B. Hearnshaw and P.L. Cottrell, IAU 118th Symp. Proc. -1986. 149-155.

3. Gehrels T. CCD scanning with a small telescope. // In «Instrumental and research programmes for small telescopes», ed. by J.B. Hearnshaw and P.L. Cottrell, IAU 118th Symp. Proc. -1986. -285.

4. Gorohov V., Vitkovskiy V., Komarinskiy S. The research and development of cognitive visualization technology for the large volumes of getherogenious observation data "Astonomical Data Analysis Software and systems" Quebec Canada November 2-5, 2008.

5. Handbook of geophysics and space environments, ed. by S. Valley, N.Y. a.o.. -1995.

6. Honeycutt R.K., Adams B.R., Swearingen D.J. Kopp W.R. Devices for observatory automation.//Publ. of Astr. Soc. of Pacific. -1994. vol. 106. -670-674.

7. Kemeny J.G., Snell J.L. Finite Markov chains. -The University Series in Undergraduate Mathematics. -Princeton: Van Nostrand, 1960.

8. Komarov V.V., Vitkovskij V.V., Fomenko A.F., Fomenko N.A., Shergin V.S., Inside/Outside dome monitoring video system of the 6m optical telescope BTA. Bull. Spec. Astrophys. Obs., 2002, 54, p. 134-139.

9. Mark J. Cox. Robotic Telescopes: An Interactive Exhibit on World Wide Web. University of Bradford, 1994.

10. McCool Rob. The Common Gateway Interface. National Center for Supercomputer Applications, 1993.

11. Putz, Steve. Interactive Information Services Using World-Wide Web Hypertext," Proceedings of the First International Conference on WorldWide Web, Geneva, May 25-27 1994.

12. Takach L. Introduction to the theory of queues. Oxford University Press, Oxford, 1962.

13. Vianello* G., Gotz D:, Mereghetti S. The updated spectral catalogue of Integral gamma-ray bursts. // Astronomy and Astrophysics, №1. Jan. 2009. — 34.

14. Vitkovskij, V.; Dluznevskaja, O.; Malkov, O.; Piskunov, A. The Russian Virtual Observatory: Principles and Realization, Astronomical Data Analysis Software and Systems XI. Astronomical Society of the Pacific Conference Series v. 281 2002p.77-80.

15. Hall, London, United Kingdom Print ISBN: 978-1-58381-658-5 e-Book ISBN: 978-1-58381-659-2, p.347-350.

16. Warner B. The research potential of small telescopes.// In «Instrumental and research programmes for small telescopes», ed. by J.B. Heamshaw and P.L. Cottrell, IAU 118th Symp. Proc. -1986. 3-15.

17. Алиев Т.И. Основы моделирования дискретных систем. -С. Пб.:ИТМО, 2009.-363с.

18. Афанасьев В.Н., Колмановский В.Б., Носов В.Р. Математическая теория конструирования систем управления. — М.: Высшая школа,2003.-448с.

19. Бакулин П.И. Общий курс астрономии. М.: Наука, 1977. - 831с.

20. Бакулин П.И., Кононович Э.В., Мороз В.И. Общий курс астрономии. — М.: Наука, 1974.

21. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического управления. С. Пб.: Изд-во «Профессия», 2003. - 768с.

22. Вызов JI.H. Моделирование. Калининград.: Изд-во Балтийского ГТУ им Д.Ф. Устинова, 1998.

23. Вентцель А.Д. Курс теории случайных процессов. М.: Наука, 1996. -320с.

24. Вентцель Е.С., Овчаров JI.A. Теория вероятностей. — М.: Наука, 1969. — 363с.

25. Витковский В.В, Дмитриев Н.В.Разработка модели распределенного автоматизированного мониторинга небесных объектов. // Обозрение прикладной и промышленной математики. —Т. 16, вып. 4, 2009. — 626.

26. Витковский В.В., Дмитриев Н.В., Жимаев И.В., Комаров В.В., Назареико А.Ф., Шергии B.C. Система передачи данных при наблюдении солнечного затмения. Труды всероссийской конференции «Научный сервис в сети Интернет». — Новороссийск, 2006. 237.

27. Витковский В.В., Желенкова О.П., Кайсина Е.И., Калинина H.A., Малькова Е.И., Малхасян C.B., Щергин B.C., Чепурных А.Ю., Черненков В.Н. Проект Российской Виртуальной Обсерватории. Труды конференции «Научный сервис в сети Интернет». Новороссийск. — 2002.

28. Витковский В.В., Желенкова О.П., Калинина H.A., Черненков В.Н., Шергин B.C., Российская виртуальная обсерватория как национальный распределенный информационный ресурс, Труды ГАИШ, т. LXXV, Тезисы докладов на ВАК-2004. МГУ, ГАИШ, 3-4 июня 2004г. -17-19.

29. Витковский. В.В. Дмитриев Н.В. Исследование модели распределенной сети с негарантированным временем доставки. // Обозрение прикладной и промышленной математики. —Т. 16, вып. 1, 2009г. 6970.

30. Витковский В.В., Желенкова О.П., Калинина H.A., Черненков В.Н., Шергин B.C., Виртуальный эксперимент в фундаментальной науке. Труды Всероссийской научной конференции «Научный сервис в сети Интернет». Новороссийск, 2001г. - 34-35.

31. Витковский В.В., Желенкова О.П., Малхасян C.B., Комплексная web-система подачи заявки на наблюдательное время и, работы с расписанием, наблюдений на телескопах CAO РАН. Научно-технический отчет CAO РАН N293, 2003. 23с.

32. Волков Е.А. Численные методы: учеб. пособие для вузов. М.: Лань, 2004. 248с.

33. Волков И.К. Канатников А.Н. Интегральные преобразования и операционное исчисление. М.: Изд-во МГТУ, 2002. - 228с.

34. Волков И.К., Зуев С.М., Цветкова Г.М. Случайные процессы. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2000. - 264с.

35. Гаранин М.В., Журавлев В.И., Кунегин C.B. Системы и сети передачи информации. — М.: Радио и связь, 2001. — 446с.

36. Гнеденко Б.В. Курс теории вероятностей. -М.: Наука, 1988. 448с.

37. Гнеденко Б.В., Коваленко И.Н. Введение в теорию массового обслуживания. М.: Высшая школа, 1987. - 431с.

38. Говорухин В.Г. Компьютер в математическом исследовании. Maple, Matlab, Latex. СПб.: Питер, 2001. - 624с.

39. Готшальк О.А. Системы автоматизации и управления. — СПб.: СЗПИ, 1998.-28с.

40. Даффет-Смит П. Практическая астрономия с калькулятором. —М: Мир, 1982.- 175с.

41. Дмитриев Н.В. Система поддержки принятия решений о возможности наблюдений для распределенного астрофизического эксперимента. //

42. Современное состояние и приоритеты развития фундаментальныхисследований в области физики, математики и компьютерных наук. Материалы 55-й научно-методической конференции «Университетская наука-региону». Ставрополь, изд-во «Фабула», 2010. - 31-34.

43. Дудин А.Н., Медведев Г.А., Меленец Ю.В. Практикум на ЭВМ потеории массового обслуживания Электронный ресурс.: «Электроннаякнига БГУ», 2003. -Режим доступа: http://anubis.bsu.by/ publications/elresources/

44. Дырда В.Ю., Дырда О.В. Об эффективности генераторов псевдослучайных чисел. // Научные труды Одесской государственной академии им. О.С. Попова. —Одесса. -2002. —№1. —71.

45. Емельянов Э.В. Математическое моделирование процессов регистрации астрономических спектров на телескопах малых и умеренных размеров: Дисс. канд. техн. наук. — Ставрополь. —2006. -187с.

46. Жаров В.Е. Сферическая астрономия. -М.: Наука, 2002. 176с.

47. Желенкова О.П., Витковский В.В., Пляскина Т.А. Качество астрономических данных в контексте интеграции ресурсов в виртуальную обсерваторию. Тезисы международной конференции, 1719 октября 2006. Суздаль. - 309-317.

48. Желенкова О.П., Витковский В.В, Величко A.C. Заявки на наблюдательное время телескопов CAO РАН. Электронный ресурс., № госрегистрации ресурса 0220208342. - Режим доступа: http ://www. sao .ru/request/

49. Засов A.B. Постнов K.A. Общая астрофизика. Фрязино: Век-2, 2006. -192с.68.3ахарченко Н.В., Нудельман П.Я., Кононович В.Г. Основы передачи дискретных сообщений. -М.: Радио и связь, 1990. — 240с.

50. Кельтон В.Д., Jloy A.M. Имитационное моделирование. М. Литер, 2004. - 848с.

51. Кениг Д., Штойян Д. Методы теории массового обслуживания. — М.: Радио и связь, 1981. 128с.

52. Клейнрок JI. Теория массового обслуживания: Пер с англ. — М.: Машиностроение, 1979.-432с.

53. Климишин И.А. Элементарная астрономия — М.: Наука, 1991. 462с.

54. Климов Г. П. Стохастические системы обслуживания. М.: Наука, 1966.-243с.

55. Колмогоров А.Н. Избранные труды. Математика и механика. — М., Наука. -1985.-470с.

56. Кононович Э.В., Мороз В.И. Общий курс астрономии. — М., Едиториал УРСС. 2004. - 544с.

57. Корнышев Ю. Н: Потоки вызовов и нагрузка. Одесса: ОЭИС, 1975.

58. Кофман А., Крюон Р. Массовое обслуживание. Теория и приложения. М.: Мир, 1965. -303с.

59. Курт В.Г. Экспериментальные методы изучения космических гамма-всплесков. // Соросовский образовательный журнал, 1998, №6, с. 71-76.

60. Ланкастер П. Теория матриц. М.: Наука, 1973. — 280с.

61. Леонова Ю.В. Федотов A.M. Требования, предъявляемые к информационным системам для научного сообщества. Труды конференции «Научный сервис в сети Интернет». — Новороссийск,2005.

62. Лившиц Б.С., Пшеничников А.П., Харкевич А.Д. Теория телетрафика. -М.: Связь, 1979.-163с.

63. Марков A.A. Распространение закона больших чисел на величины, зависящие друг от друга. Известия физико-математического общества при Казанском университете. -1906. —Т. 15. -135-136.

64. Мартынов Д.Я., Курс практической астрофизики, 3 изд. -1977.

65. Матвеев В.Ф., Ушаков В.Г. Системы массового обслуживания. — М.: Изд-во МГУ, 1984. 184с.

66. Медведев Ю.Д., Свешников М.Л., Сокольский А.Г. Астероидно-кометная опасность. — СПб.: Изд-во ин-та теоретической астрономии,2006. 244с.

67. Минин И.Н. Теория переноса излучения в атмосферах планет. -М.: Наука, 1988.-264с.

68. Миронов A.B. Прецизионная фотометрия. -М.: изд-во МГУ. -1997.

69. Монтенбрук О. Пфлегер Т. Астрономия на персональном компьютере. СПб.: Питер. -2002. - 320с.

70. Окулов С.М. Программирование в алгоритмах. -М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2002. 341с.

71. Риордан Дж. Вероятностные системы обслуживания. М.: Связь. 1966. — 184с.

72. Романовский П.И. Ряды Фурье, теория поля, преобразования Лапласа. —М.: Физматгиз, 1961. 335с.

73. Соколов H.A. Телекоммуникационные сети. Монография. Ч. 3. -М.: Альварес Паблишинг, 2004.

74. Терез Г. А. Об учете релеевского рассеяния при разделении атмосферной экстинкции на составляющие // Известия АН СССР, серия «Физика атмосферы и океана». -1990. -Т 26. № 5. -550-553.

75. Терез Э.И., Терез Г.А., Лагунова М.И. Учет релеевского рассеяния земной атмосферы при фотометрических наблюдениях. Ученые записки Таврического ГУ им. В.И. Вернадского. -2008. -Т. 21. -117124.

76. Цимеринов Е.Ю. Космическая метеорология и цифровые технологии. Результаты экспедиции в ГАС ГАО РАН. —М.: 2007.

77. Черненков В.Н., Витковский В.В., Калинина H.A. Интернет-доступ к web-pecypcaM географически распределённой системы мониторинга ближнего и дальнего космоса. // Астрофизический бюллетень. Т. 62, вып. 4, 2007.-414-418.

78. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем — искусство и наука. -М.:Мир, 1978.-421с.

79. Шергин B.C., Максимова В.М. Алгоритм работы управляющего вычислительного комплекса БТА. п. Нижний Архыз. -2000. -50с.

80. Шергин B.C., Витковский В.В. Метеопараметры Верхней научной площадки CAO РАН. Электронный ресурс., № госрегистрации ресурса 0220208345. - Режим доступа: http://www.sao.ru/btacontrol/

81. ЮО.Шнепс М.А. Системы распределения информации. Методы расчета: Справ, пособие. М.: Связь, 1979. - 344с.

82. Яглом A.M., Яглом И.М. Вероятность и информация. -М., Наука, 1973.-512с.