автореферат диссертации по документальной информации, 05.25.05, диссертация на тему:МОДЕЛИ И МЕТОДЫ АНАЛИЗА ПРОЦЕССОВ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБМЕНА В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ ДИСПЕТЧЕРСКОГО УПРАВЛЕНИЯ МЧС РОССИИ

¿Х- '"./-Л'

' -Х-: н.<

■і .V.-!

л

Л-г'.-Х. '•А

.«Л

тШШт

МшОЯДОк*-

-КС Шт*^'.

тШіЩі'-.'-л?;

ЙТОЙК*»-

-

ф.

і.: >

ЇЙ1

Щ

щ

"Ш

щщтщ ШтШ

ь- * X*" Т.

На правах рукописи

Й^Й^ІІііі'.--:-;

тт^їм ■

05201351283

ІШ.Т

Кру^ШШвйАлександр Сергеевич

.

р-.

ш

щ

ш

|ї^рдели щщщщы анализа процессов

обмена в автоматизированных

^^^^^^ТУХ ' ^^^пЧтгт -Т~/» /Ч Т—< /~У Г-Ж-Т-«^ Т-Ж- «-"Ч Т/ГТТ/^1 1 ) л л тг -г

•'■Г ■ ф!

•Г?)1:..' 1-ї' • >'3і

ш

ф

чПК^'Ч !. Лг"1

!ШКг

жтФ-л

.25.05 - информационные системы и процессы

¡у;.

4-і ■

.'Ш'?.-^;»";- -г

..... !

•і-Щйссерт|^Щщфискание ученой степени

,1'':> ДрщсЩ^ехнических наук

•. Г'1

"•і .С

•Ь-

ш > -i.il

,. -І-Г

чЛіі *>!

- . - 5г- . і^* - •

^'«КЙЛ1». . V»'

,5" і

Ж]

^ІЙІ т

і'Ч;-]] \ * '' ! і.» .і'

и

И';..;

'¡■4К

ч - _

І у

а

щ --Й"»

^»•■Ь: і»«.

л

р||р|нкт-Петербург - 2013

ршщ^ !

СОДЕРЖАНИЕ

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 5

ВВЕДЕНИЕ 6

ГЛАВА 1. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ ПОСТРОЕНИЯ 18 И ЭКСПЛУАТАЦИИ СЕТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ АСДУ

1.1. Основные концепции совершенствования средств 18 информационного обмена. Постановка задачи исследования

1.2. Сети передачи данных на основе полевых шин 28

1.3. Обеспечение работоспособности сетей передачи данных 34

1.4. Обеспечение качества информационного обслуживания 36 в распределенных сетях передачи данных объектов

Выводы по 1 главе 50

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПИСАНИЯ 53 ПРОЦЕССОВ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБМЕНА

2.1. Системы массового обслуживания 53

2.1.1. Теория массового обслуживания в математических 53 моделях информационного обмена

2.1.2. Модели оптимизации сети при проектировании 63

2.2. Конечные автоматы 75

2.3. Маркированные потоковые графы 84

2.3.1. Формализованное представление потоковой модели 84

2.3.2. Анализ свойств информационного обмена 89 на размеченных графах

2.3.3. Разметка маркированного потокового графа 94 как способ их анализа

2.3.4. Нахождение стационарной и не избыточной 100 разметки графа

Выводы по 2 главе 107

ГЛАВА 3. ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССОВ 110 ИНФОРМАЦИОННОГО ОБМЕНА В СЕТЯХ АСДУ НА ОСНОВЕ ПОЛЕВЫХ ШИН

3.1. Схема имитационной модели 111

3.2. Алгоритмы поиска оптимальной пропускной 118 способности сети

3.3. Реализация программно-аппаратного комплекса 126

3.4. Результаты эксперимента 132

Выводы по 3 главе 140

ГЛАВА 4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ 142 РАБОТОСПОСОБНОСТИ СПД ТЕРРИТОРИАЛЬНО-РАСПРЕДЕЛЕННЫХ АСДУ

4.1. Методики и формальные правила автоматизации 143

4.2. Алгоритмическая модель поддержки работоспособности 162

4.3. Прототип системы поддержки работоспособности 183

Выводы по 4 главе 213

ГЛАВА 5. АЛГОРИТМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССОВ 214

ИНФОРМАЦИОННОГО ОБМЕНА В СЕТЯХ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ПРИ НАЛИЧИИ ПРЕРЫВАНИЙ ВНЕ ПРОТОКОЛА

5.1. Процедура обнаружения и коррекции прерываний 214 вне протокола

5.2. Вычислительная сложность предложенной процедуры 227

5.3. Алгоритмическое моделирование процессов 230 информационного обмена

5.4. Адекватность предложенной алгоритмической модели 242

Выводы по 5 главе 245

ГЛАВА 6. ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА 246 ИНФОРМАЦИОННОГО ОБМЕНА НА ОСНОВЕ МАРКИРОВАННЫХ ПОТОКОВЫХ ГРАФОВ

6.1. Обоснование выбора модели 246

6.2. Содержание модели 254

6.3. Моделирование сети с заданными размерами буферов 266 Выводы по 6 главе 288

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 291

ЛИТЕРАТУРА 295

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

АСДУ - автоматизированные системы диспетчерского управления. БД - базы данных.

ВВХ - вероятностно-временные характеристики.

ГПС - государственная противопожарная служба.

ЛГТР - лицо принимающее решение.

ОТМ - организационно-технические мероприятия.

ПИО - процесс информационного обмена.

ПБД - последовательность блоков данных.

ПрИО - протокол информационного обмена.

ПС - приметив сетевой.

ПСК - пропускная способность канала.

ПСС — пропускная способность сети.

ПрС - примитив сервиса.

СМО - система массового обслуживания.

СПД - сети передачи данных.

СП - сети Петри.

ClilIP - системы поддержки принятия решений.

СПШ — сети на основе полевых шин.

СИО - средства информационного обмена.

ФМ - функциональный модуль.

УМ - управляющий модуль.

УП - уникальная последовательность.

УВО - уникальная входная область.

ХП - характеристическая последовательность.

FC - процедура управления потоком (Flow Control).

PN - пакетная сеть (Packet Network).

TN - транспортная сеть (Transport Network).

TP - транспортный протокол (Transport Protocol).

ВВЕДЕНИЕ

Современные условия поднимают на новый уровень сложности и многофункциональности инженерно-технические системы объектов, защиту которых обеспечивают подразделения МЧС России. Широкое применение в таких случаях находят автоматизированные системы диспетчерского управления (АСДУ), которые отличаются использованием современных информационных технологий для управления аварийными технологическими системами, системами пожарной безопасности, контроля доступа, сохранности имущества и информации, жизнеобеспечения и т.п.

Такие АСДУ основаны на использовании сетей передачи данных (СПД), построенных на основе комплекса аппаратных и программных средств, устройств связи, оповещения, информационных ресурсов и обеспечивающих обработку (сбор, хранение и передачу) данных. Основная задача АСДУ состоит в поддержании эффективной и безопасной работы инженерных систем охраняемого объекта, предотвращение и оперативное устранение возможных чрезвычайных ситуаций (ЧС), а также максимальное снижение последствий от их возникновения.

Информация с устройств контроля и датчиков пересылается в режиме реального времени на пульты централизованного контроля и управления. Речь также идет и о пультах оперативно-диспетчерской связи объектовых подразделений МЧС России, задействованных в поддержании требуемого уровня безопасности объектов защиты. Своевременное поступление полной и объективной информации о работоспособности жизненно важных систем объекта охраны позволяет на много сократить время принятия решений по ликвидации аварий, пожаров и появлению ЧС. Использование полевых шин в качестве коммуникаций для инфраструктуры АСДУ обеспечивает в полной мере применение достижений современных цифровых технологий.

Организация ПИО в системах управления самого разного назначения основана на солидной научной поддержке. Анализ трудов ведущих ученых в этой области свидетельствует о солидных научных предпосылках для постановки и

решения задач по реализации информационного процесса в автоматизированных системах диспетчерского управления МЧС России.

Между тем существующие подходы к решению перечисленных задач носят локальный характер по сферам применения и разрозненный по методам реализации, поскольку не имеют четкого математического и алгоритмического базиса, что позволяет сформировать суждение о существовании проблемной ситуации в рассматриваемой предметной области.

Системный анализ предполагает разработку оптимального и жизнеспособного комплекса аппаратурных и программных средств, реальных с технической, экономической, функциональной и социальной точки зрения.

Вначале решаются задачи структурного исследования, которые на базе системного анализа с использованием обобщенных характеристик отдельных компонентов позволяют выбрать базовую топологию сети из известного класса структур и решить задачу группирования абонентов, размещения хостмашин и коллективных баз данных (БД).

Далее, на базе более детальных моделей выбранная топология уточняется, определяются параметры ее компонентов. В качестве основных функциональных характеристик рассматриваются достоверность передачи информации, живучесть СПД, время реакции системы.

Сложность СПД обусловлена наличием в составе системы технических средств, предоставляющих вычислительные ресурсы, обеспечивающих коммутацию сообщений, хранение и передачу данных, а также программных средств, которые позволяют реализовать функции прикладного и сетевого программного обеспечения, включающего в свой состав протоколы взаимодействия различных сетевых уровней.

Начальным этапом разработки СПД является анализ технического задания, в результате которого выясняется, относится разработка к созданию новой системы, либо модернизируется уже существующая СПД, определяется состав основных параметров внешних характеристик - технических, экономи-

ческих, социальных и т.д., характеризующих сеть в целом. При описании состава функций используют понятия семиуровневой модели ее архитектуры.

Физический уровень может обеспечить различную среду передачи сигналов (витую пару, коаксиальный кабель, волоконно-оптическую линию связи, среду для передачи радиосигналов и т.д.).

Канальный уровень может применять различные протоколы обмена кадрами (протоколы BSC, Х25, Х75 и т.д.), различные методы контроля безошибочного приема (контроль по четности, контроль методами циклического кодирования и т.д.).

Сетевой уровень может реализовать различные методы маршрутизации сообщений (централизованный, децентрализованный, адаптивный).

Транспортный уровень может использовать различные способы передачи данных (в виде цепочек или датаграмм, в виде срочного или нормального потока и т.д.).

Сеансовый уровень в СПД может обеспечивать различные режимы взаимодействия с прикладными процессами (монопольный или виртуальный), контроль за исправным состоянием сетевых ресурсов (циклический, случайный, по событиям и т.д.), организацию и прекращение сеансов, изменение конфигурации технических средств, управление ресурсами сетевого и сессионного программного обеспечения.

Уровень представления может содержать в своем составе реализацию различных функций, которые обеспечивают согласованное взаимодействие оконечного пользователя с сетевыми и сессионными ресурсами. В состав функций этого уровня входят, например, различные средства обеспечения диалога, средства согласования форматов и сигналов и т.д.

Прикладной уровень может включать различные прикладные программы и БД, использование которых и определяет эффективность СПД, так как именно для широкого применения прикладных программ и баз данных она и разрабатывается.

Каждый уровень, разрабатываемой СПД, должен содержать в своем составе набор функций, характеристики которых существенно влияют на внешние характеристики системы в целом.

Даже краткий анализ практики исследования СПД показывает сложность стоящей перед исследователем проблемы. Для того чтобы достичь конкретных результатов, необходимо ее упростить, сделать более конкретной. С этой целью в работе были выбраны отдельные задачи, каждая из которых доведена до конкретного результата, начиная от теории и кончая примером практического применения. Рассмотрим каждую из задач более подробно.

Сети передачи данных. Современный этап развития сетей передачи данных отличается расширением их функционального насыщения и предназначен для организации единого информационного пространства объекта охраны. Резкому росту возрастающих информационных потоков мешают технические барьеры между разной степенью автоматизации, которая возникает из-за самостоятельного становления АСДУ. По данным специалистов, только сбор и хранение данных в масштабе реального времени об аспектах объектов охраны вызовет в ближайшие годы почти тридцатикратный рост трафика в различных системах АСДУ МЧС России. Во многом увеличатся потоки данных между датчиками и устройствами управления.

Находит применение новый уровень технологий, произошел возврат к разработке средств комплексной автоматизации объектов охраны, которые позволяют контролировать децентрализованные эволюционирующие структуры с определенным взаимодействием, и способны обеспечивать в случае необходимости установление новых связей между уровнями информационного обмена или совершенствовать их взаимодействие. При этом основная задача связана с разработкой системы управления процессами информационного обмена (ПИО). Распространение на охранные системы задач автоматизации управления технологическими процессами выдвигает определенные требования к функционированию АСДУ:

- обеспечение работы в реальном времени;

- наивысший приоритет при контроле состояния объекта охраны;

- полная надежность протоколов связи с объектами охраны;

- самостоятельное тестирование системы на случай нарушения связи с охраняемым объектом.

В этом случае СПД с использованием полевых шин можно представить как совокупность совместно и целенаправленно работающих функционально и пространственно распределенных подсистем и можно их классифицировать (согласно современной теории систем) как сложные динамические системы.

Пропускная способность. Увеличивается число пользователей, количество и функциональность сетевых приложений, растет интенсивность информационного обмена и, как следствие, повышаются требования к производительности. Что формирует необходимость создания для отдельных компонент: показателя их эффективности, моделей описания их работы, методик обработки данных. Особое значение с целью поддержания высокого качества обслуживания приобретает задача, связанная с повышением пропускной способности СПД АСДУ.

Существуют необходимые научные предпосылки, которые указывают на возможность решения такой задачи. В диссертации рассмотрены методы и приемы выявления и исправления столкновений в СПД для улучшения качества обслуживания. С позиций практики решение такой задачи требует разработки модели ПИО и расчета на ее основе вероятностно-временных характеристик (ВВХ) как в процессе разработки, так и работы отдельных устройств АСДУ.

Internet-Intranet технологии. Применение Internet-Intranet технологий позволяет обеспечить взаимосвязь отдельных территориально рассредоточенных систем. При этом стоит задача создания распределенной в пространстве информационной среды. Подобные тенденции связаны с резким увеличением количества пользователей такой среды, числа и назначения сетевых приложений и, как результат, интенсивности ПИО.

В процессе построения АСДУ возникает необходимость задания производительности оборудования и полосы пропускания КПД. Изучение нагрузки

на узлы глобальной и локальных СПД говорит о том, что интенсивность ПИО неравномерна во времени. Задание производительности оборудования и полосы пропускания КПД, следуя максимально возможному значению нагрузок, вызывает значительное увеличение первоначальных затрат. Значительную часть времени заложенные возможности используются частично. Последующее увеличение количества пользователей и объема передаваемой информации вызывает необходимость поддерживать работу АСДУ при наличии кратковременных и длительных перегрузок. Обеспечение работы системы при наличии перегрузки это одна из задач обеспечения качества обслуживания.

В диссертации предложен метод исследования качества обслуживания при наличии перегрузки при работе пользователя, который основан на содержательном анализе приоритетов. Осуществить разработанный подход позволяет формальная модель, призванная обеспечить необходимое качество обслуживания на уровне контроля задержки. Математические модели и алгоритмы, реализующие управление на уровне диспетчеризации и обработки заявок на обслуживание, позволяют практически использовать разработанную модель. Создан прототип систем управления последовательностью распределения информационных ресурсов в СПД среды АСДУ, который позволяет поддерживать необходимое качество обслуживания отдельных пользователей.

Между тем существующие подходы к решению перечисленных проблем являются ограниченными по областям применений и разрозненными по используемым методам. В диссертации приведены результаты исследований АСДУ с позиций общей задачи повышения эффективности, протекающих в них ПИО.

Отсюда вытекает необходимость разработки математических моделей, методов и алгоритмов, обеспечивающих реализацию постоянно ужесточающихся требований к реализации процессов информационного обмена в сетях передачи данных АСДУ. Сказанное свидетельствует об актуальности направления диссертационных исследований.

Цель работы состоит в повышении эффективности процессов информационного обмена в сетях передачи данных АСДУ территориально-

распределенных и информационно независимых объектов, охраняемых силами МЧС России, за счет разработки и применения новых моделей и методов.

Научная проблема, подлежащая решению при проведении исследований, заключается в формировании методологического аппарата, направленного на исследование и оптимизацию сетей передачи данных АСДУ и протекающих в них информационных процессов. Из нее вытекает ряд следующих укрупненных научных задач:

-разработка моделей и методов исследования процессов информационного обмена в сетях передачи данных на основе полевых шин;

-разработка моделей и алгоритмов автоматизации обеспечения работоспособности СПД территориально-распределе�