автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Проблемно-ориентированная система поддержки принятия решений с использованием гетерогенной беспроводной среды

На правах рукописи

ФИНОГЕЕВ Антон Алексеевич

ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННАЯ СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕТЕРОГЕННОЙ БЕСПРОВОДНОЙ СРЕДЫ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (приборостроение)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 1 ДЕК 2011

ПЕНЗА 2011

005002907

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет».

доктор технических наук, профессор БЕРШАДСКИЙ Александр Моисеевич.

доктор технических наук, профессор САХАРОВ Юрий Серафимович;

доктор технических наук, профессор ЛЕБЕДЕВ Виктор Борисович.

ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет электроники и математики (технический университет)».

Защита диссертации состоится 23 декабря 2011 года, в часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.04 в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет», автореферат размещен на сайте Министерства образования и науки Российской Федерации.

Автореферат разослан «оЭ- / » ЬСРЛ Ь/г 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Научный руководитель -Официальные оппоненты:

Ведущая организация -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На сегодняшний день при создании автоматизированных систем на первый план выходят решение задач диспетчерского управления и поддержки принятия решений, а также наблюдение за процессами и явлениями антропогенного, техногенного и природного характера. Несмотря на то что на процесс принятия решений огромное влияние оказывает человеческий фактор, эффективность и качество управления зависят от того, насколько оперативно и своевременно будет получена необходимая и достоверная информация об объектах и процессах.

Особое место занимает достаточно критичная с точки зрения состояния и аварийности область жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) Российской Федерации. Хотя системы поддержки принятия решений активно внедряются в сферу ЖКХ, следует отметить достаточно низкую эффективность управления инженерными коммуникациями коммунального хозяйства в целом. Немаловажным фактором здесь является недостаточная оперативность получения достоверной информации в системах диспетчерского контроля инженерных коммуникаций и прочих техногенных объектов ЖКХ. Поэтому решение задач поддержки принятия решений на основе оперативного сбора, обработки, анализа данных об объектах и процессах в инженерных сетях и сооружениях, а также передачи информации по гетерогенной беспроводной среде является актуальной научно-исследовательской и прикладной проблемой.

. Научные исследования и результаты, изложенные в диссертации, основаны на работах А. Б. Мархасина, А. Н. Ляхова, Д. А. Новикова, М. Б. Гузаирова, A. JI. Умнова, А. М. Бершадского, В. П. Кулагина, Я. Е. Львовича, В. А. Камаева, И. П. Норенкова и других российских ученых, а также зарубежных ученых, среди которых Petri Myllymaki, Timo Hamalainen, Georgios В. Giannakis, Alejandro Ribeiro, Chun-hung Li и др.

Диссертационная работа направлена на решение научной задачи, заключающейся в создании проблемно-ориентированной системы управления и поддержки принятия решений на основании информации, получаемой с датчиков и приборов промышленной автоматики, установленных на объектах инженерных коммуникаций. Актуальность исследований подтверждается необходимостью решения проблем теоретического и прикладного характера, связанных с диспетчерским управлением объектов, контролем процессов, внештатных и аварийных ситуаций на объектах ЖКХ с целью обеспечения лиц, принимающих решения, (ЛПР) оперативной информацией с использованием гетерогенных беспроводных сетей и компьютерными средствами обработки данных с модулями беспроводной связи.

Дели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является создание проблемно-ориентированной системы управления,

поддержки принятия решений и дистанционного оперативного контроля инженерных коммуникаций в плане предотвращения аварийных, и внештатных ситуаций. Для достижения цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Провести анализ предметной области, методов поддержки принятия решений, методов диспетчерского контроля и управления инженерными коммуникациями ЖКХ.

2. Разработать формализацию процесса поддержки принятия решений и сформулировать методику сбора, обработки и передачи информации об объектах и процессах диспетчерского управления в системе теплоснабжения ЖКХ.

3. Разработать компоненты математического обеспечения для управления процессами информационного обмена, энергопотребления и временной синхронизации в среде передачи и обработки информации в системе поддержки принятия решений (СППР).

4. Разработать архитектуру СППР и диспетчерского управления, описать методы сбора, аналитической обработки и передачи информации с датчиков и приборов промышленной автоматики на примере городской тепловой сети ЖКХ.

5. Разработать программно-аппаратные средства беспроводного дистанционного контроля инженерных коммуникаций для СППР городской службы теплоснабжения, провести испытания и экспериментальные исследования работы системы.

Объектом исследования диссертационной работы является система поддержки принятия решений при управлении службами ЖКХ и дистанционного контроля инженерных коммуникаций в сфере городского теплоснабжения.

Предметом исследования являются компоненты специального математического и алгоритмического обеспечения СППР, структура беспроводной транспортной подсистемы, алгоритмы сбора и обработки данных, архитектура системы.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы системного анализа, оперативной аналитической обработки данных (OLAP), мониторинга, теории принятия решений, теории управления, геоинформационных технологий, математического анализа, теории графов, объектно-ориентированного проектирования, теории баз данных, теории передачи данных, теории радиосвязи.

Научная новизна:

1. Предложено программно-техническое решение для проблемно-ориентированной системы поддержки принятия решений и диспетчерского управления, которое, в отличие от существующих, использует разработанное специальное математическое и алгоритмическое обеспечение для решения задач сбора, обработки и анализа информации с приборов промышленной автоматики инженерных объектов и коммуника-

ций теплоснабжающих предприятий с использованием беспроводной транспортной среды, включающей беспроводные сенсорные сети (БСС), сеть сотовой связи и спутниковой навигации.

2. Разработаны компоненты специального математического обеспечения для управления процессами информационного обмена, энергопотребления и временной синхронизации в среде передачи и обработки информации в СППР, которые, в отличие от известных, учитывают динамику изменения состояний узлов сенсорной сети, временных характеристик передачи и обработки информации, энергосберегающие режимы работы узлов и всей транспортной среды.

3. Разработаны алгоритмы управления процессами сбора и обработки информации от датчиков и приборов промышленной автоматики, установленных на блочно-модульных котельных (БМК) и теплоцентралях, для решения задач поддержки принятия решений, которые, в отличие от известных, предоставляют возможность выбора и управления процессом передачи информации в гетерогенной беспроводной среде, и позволяют оперативно реагировать на возникновение внештатных ситуаций и определять местоположение аварий на инженерных объектах теплоснабжения ЖКХ.

4. Предложена проблемно-ориентированная система диспетчерского управления и поддержки принятия решений для решения задачи дистанционного контроля тепловых инженерных коммуникации ЖКХ, которая, в отличие от существующих, использует технологию самоорганизующейся БСС и технологии сотовой связи при организации гетерогенной транспортной среды сбора, аналитической обработки и передачи информации.

Практическая значимость. Диссертационные исследования выполнены в рамках приоритетного направления «Информационно-телекоммуникационные системы» и способствуют развитию критических технологий: создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии, снижения риска и уменьшения последствий природных и техногенных катастроф, обработки, хранения, передачи и защиты информации.

Результаты исследований позволяют внедрять инновационные методы диспетчерского управления инженерных коммуникаций для поддержки принятия решений в структурах ЖКХ на основе сбора и обработки данных в режиме реального времени, в транспортной среде беспроводных сенсорных и сотовых сетей. Внедрение СППР позволит комплексно решать проблемы энергосбережения, оптимизации распределения, потребления и утилизации энергетических ресурсов.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается совпадением результатов моделирования и экспериментальной проверки, внедрением и опытной эксплуатацией разработанных средств.

Соответствие паспорту специальности. Работа выполнена в соответствии с паспортом специальности ВАК РФ 05.13.01 — Системный анализ, управление и обработка информации, пункт 5, частично 4,9.

На защиту выносятся:

1. Компоненты специального математического обеспечения для системного анализа гетерогенной беспроводной среды передачи и обработки информации в СППР.

2. Алгоритмы сбора, обработки и анализа информации с возможностью управления процессами передачи данных.

3. Проблемно-ориентированная система поддержки принятия решений с использованием гетерогенной беспроводной среды.

4. Программно-техническая реализация системы поддержки принятия решений с использованием гетерогенной транспортной среды на базе БСС и сотовой связи для диспетчерского контроля инженерных коммуникаций.

Внедрение результатов работы и связь с научными программами. Диссертационные исследования проводились на кафедре «Системы автоматизированного проектирования» Пензенского государственного университета (ЛГУ) и выполнялись в процессе четырех НИР в рамках АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (20092011 гг.)» (заказчик - Минобрнауки РФ).

Также исследования проводятся в процессе двух НИР в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.

По результатам диссертационной работы выполняется НИОКР по теме «Разработка программно-аппаратных средств и новых материалов для повышения надежности, качества и экономичности технических систем» в рамках программы «У.М.Н.И.К.» (государственный контракт № 8741 р/13176 от 14.01.2011 г.).

Результаты исследования внедрены в опытную эксплуатацию для МУП «Гортеплосеть» (г. Кузнецк Пензенской области), а также в учебный процесс ПТУ, Пензенского филиала РГУИТП, ПРЦЦО.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: 34, 35, 36, 37, 38-й международных конференциях «Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе» (IT+S&E07) (Украина, Ялта-Гурзуф, 2007-2011); International Conference «Electronic Imaging & the Visual Arts - EVA-2008» (Florence, Italy), 14th International Conference on Virtual Systems and Multimedia (Limassol, Cyprus, 2008); Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2009-2010); Международной конференции ИНФО-2009 (Сочи, 2009); Международной научно-методической конференции «Новые образовательные технологии в вузе», НОТВ-2010 (Екатеринбург, 2010); V Международной научно-технической конференции «Ана-

литические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем» (Пенза, 2010); Всероссийской конференции «Проведение научных исследований в области информационно-телекоммуникационных технологий» (Москва, 2010); XVII Всероссийской научно-методической конференции «Телематика-2010» (Санкт-Петербург, 2010); IX Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии и системы» (Пенза, 2010).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 27 работ, в том числе 9 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Наиболее значимые работы приведены в конце автореферата.

В основных статьях, выполненных в соавторстве, лично соискателю принадлежат: в [1] - описание архитектуры системы и методики событийного управления мобильными устройствами; в [2] - описание структур сенсорных и ячеистых сегментов гетерогенного информационного пространства и метода сбора информации на Bluetooth устройства;, в [3] - описание архитектуры виртуальной среды и методики передачи информации по самоорганизующимся сегментам; в [4, 6, 7] - описание системы оперативного дистанционного мониторинга городских тепловых сетей, способ удаленного детектирования и локализации повреждений тепломагистралей с помощью ZigBee моделей БСС; в [5, 9] - описание архитектуры гетерогенного информационного пространства и его сенсорных сегментов для поддержки процесса обучения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 169 страницах, списка литературы из 111 наименований, 3 приложений, содержит 44 рисунка, 55 формул и 1 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован выбор направления научного исследования, показана актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, рассмотрены объект, предмет и методы исследований, отражены научная новизна и практическая значимость результатов, приведены сведения о внедрении и использовании результатов.

В первой главе приводится постановка проблемы и решаемых научно-практических задач, связанных с разработкой способов сбора и обработки информации на объектах инженерных коммуникаций, методов диспетчерского управления на примере городской системы теплоснабжения, а также других объектов ЖКХ.

В главе представлен аналитический обзор автоматизированных информационных систем для управления службами ЖКХ, систем учета и контроля энергоресурсов в ЖКХ, SCADA систем для автоматизации управления технологическими процессами в сфере ЖКХ, проводных и беспроводных сенсорных систем для сбора информации. Определены

границы их применимости. Проведен сравнительный анализ основных характеристик систем, выявлены их достоинства и недостатки.

Далее в главе приводится характеристика процессов сбора данных, диспетчерского управления, дистанционного оперативного контроля и диспетчеризации объектов ЖКХ, поддержки принятия решений. Показано, что задачей диспетчерского управления является не столько сбор данных от различных датчиков и устройств промышленной автоматики, сколько их своевременная обработка, накопление, интерпретация и интеллектуальный анализ с целью предоставления необходимой информации ЛПР, сотрудникам предприятий, а также выработка и передача управляющих воздействий исполнительным механизмам. Прогнозирование развития событий внештатного характера и разработка рекомендаций поведения ЛПР и сотрудников, алгоритмов ситуационного управления на основе получаемой информации открывают широкий спектр возможностей для эффективного применения и повышения качества принятия управленческий решений. Определены требования, предъявляемые к системе учета и контроля теплопотребления, к транспортной сетевой среде передачи данных, к техническому, программному и информационному обеспечению разрабатываемой системы.

В ходе исследований было предложено новое программно-техническое решение по созданию комплекса инструментальных средств для оперативного диспетчерского управления и информационной поддержки ЛПР (диспетчеров и руководителей) в системе городского теплоснабжения с передачей информации посредством сенсорной сети ZigBee, сотовой связи GSM/GPRS, использованием спутниковой навигации для транспортного мониторинга работы теплоснабжающих предприятий.

Во второй главе рассматриваются вопросы теоретико-информационного анализа системы поддержки принятия решений, которая относится к сложным системам, в плане моделирования системных компонент и информационных процессов в распределенной беспроводной транспортной среде.

В беспроводной транспортной среде СППР информационные взаимодействия между сетевыми подсистемами осуществляется по технологии создания виртуальных соединений, на управление которыми влияние оказывают особенности процесса самоорганизации, динамической реконфигурации, маршрутизации и стохастической динамики процессов коммутации в БСС. Для создания методики управления информационными процессами в таких средах необходимо учитывать то, что влияние различных факторов может приводить к возникновению сложной динамики процессов передачи данных.

Анализ процессов информационного взаимодействия между сенсорными компонентами показывает, что вся информация в СППР включает два принципиально различных типа данных, которые предъявляют

к телекоммуникационной сети разные требования. Информация первого типа представляет собой данные о физическом процессе (объекте управления). Информация второго типа - это параметрические данные для управления узлами сети.

Процессы информационного обмена данными внутри СППР при наличии мобильных узлов и их возможными стохастическими отказами и отключениями можно представить в виде модели обобщенного броуновского движения В„{0- Процесс В„{1) является функцией переменной I, приращение которой имеет гауссовское распределение с нулевым математическим ожиданием М и асимптотической дисперсией:

м[дВя(/)]~Л/2я, где Д/- временной интервал наблюдения; Я = {0,1} -

параметр. При значении параметра Я = 0,5 процесс является классическим броуновским движением, приращение которого соответствует некоррелированному гауссовскому «белому» шуму. При Я > 0,5 приращение имеет положительную, а при Н< 0,5 - отрицательную ковариацию. Для исследования особенностей процессов взаимодействия сенсорных сегментов существенно то, что корреляционная структура В„(() сохраняется на большом временном интервале.

В главе проведены исследования по использованию аппарата дифференцирования при моделировании беспроводной сенсорной среды СППР. Для моделирования передачи трафика через промежуточные узлы, с интеграцией в трафик информации от собственных сенсоров, математическая модель ретрансляторов с буферными накопителями представлена в виде множества интеграторов (рис. 1).

Рис. 1. Модель управления передачей трафика q>(,') через БСС

Тогда для оценки суммарного трафика в БСС математическая модель можно представить как вычисление и-кратного интеграла по известной формуле Коши:

ххх , х

у(х)= \dx\dxK^ix)dx^-~-— J(jc-On_1<P(0. (О

а а а ' а 1

Так как («-!)!= Г(л), где Т(п) - гамма функция Эйлера, правой части формулы можно придать смысл и при нецелых значениях п. В ре-

зультате левосторонним интегралом дробного порядка а > 0 будем называть

(1° + Ф)(х) = -1- {(.г - ()а~] Ф(/)<Й,

Г(а)

(2)

а

а решение уравнения

(!>)(*) = /(х),х>а,аб [0,1],

(3)

можно использовать для оценки скорости передачи трафика через сенсорную сеть с ретрансляторами.

Использование аппарата интегрирования для всей транспортной среды позволяет построить математическую модель процессов информационного обмена, в которой учитываются смена маршрутов и изменение скорости трафика, что связано с вариациями задержек в ретрансляторах.

Важной задачей диссертационных исследований стало моделирование процессов энергопотребления распределенной БСС при сборе и передаче данных в системе поддержки принятия решений. При большом числе объектов управления и росте размеров распределенной телекоммуникационной среды без использования беспроводных сенсорных технологий суммарное энергопотребление сети может превысить энергопотребление самих объектов управления, что является недопустимым. Преимуществом использования беспроводных сенсорных сетей является сверхнизкое энергопотребление их узлов за счет использования «спящего» режима и переключения между несколькими режимами энергопотребления.

В рамках теоретико-множественного анализа представим сегмент БСС, состоящий из п узлов (и-1 сенсорного узла и 1 координатора), как связный неориентированный граф ЩУ, Е, IV), где V = {уь у2, ..., у„} -множество вершин графа О (VI, у2, ..., гVI - сенсорные узлы; у„ - координатор); Е= {еь е2, ..., е„) - множество ребер графа С ({>',, V/} е Е, если между V, и V) возможна прямая радиосвязь); V,) - вес ребра.

В модель вводится функция мощности г)) как вес ребер, показывающий минимально необходимый уровень мощности радиопередатчика, при котором возможна устойчивая прямая радиосвязь между V, и у,. Это обусловлено тем, что модули БСС поддерживают возможность использования нескольких уровней мощности сигнала при работе в режиме передачи в зависимости от дальности связи. Так как для передачи данных между узлами БСС максимальный уровень мощности требуется не всегда, за счет снижения мощности отдельных узлов может быть достигнута экономия энергии во всей сети.

Математическая модель управления суммарного расхода энергии всеми сенсорными узлами БСС за цикл сбора данных:

Е = (и -l)i/| TrI, +1„,(!„, +1„ - Л) + 'Л'. ~ + 'г(4г- Ч +

I

Н2п - ч -1)' Л1. -Л х/+(» - «УД- + и-1.V +

{

('„ + /,-о +

+ 2г/г/,У(г,+/„-/,) + (2г-1Х + +

. I.'

1-1

л V л. V Л. V

В

(4)

где L - время, необходимое АЦП для измерения параметров; tc - время, необходимое микропроцессору для обработки значений, полученных от АЦП; Cw - время перехода микропроцессора в рабочий режим из спящего; tp - максимальное время ожидания сигнала приемником; tr - время перехода радиомодуля в режим приемника; /, - время перехода радиомодуля в режим передатчика; Л - ток, потребляемый микропроцессором в спящем режиме; 1т - ток, потребляемый АЦП во время измерения; -ток, потребляемый микропроцессором в рабочем режиме; 1Г - ток, потребляемый радиомодулем в режиме приемника; I, - ток, потребляемый радиомодулем в режиме передатчика; В - скорость обмена данными по радиоканалу; Vp - объем служебной информации, передаваемой при передаче данных; Vc - размер пакета отклика; V, - размер одного пакета синхронизации времени; V„, - размер одного пакета одного измерения; Тг - реальная длительность цикла сбора данных; г - ожидаемое среднее количество попыток связи; г, - количество узлов, у которых узел i принимает данные в течение цикла сбора данных; k - количество пакетов измерений, принимаемых узлом i в течение цикла сбора данных; h -сумма значений энергопотребления радиопередатчика /-го узла при передаче откликов во все узлы, передающие данные напрямую узлу ¡'; г,- -энергопотребление передатчика ¡-го узла при передаче; U - напряжение, необходимое для работы узла сети.

В главе рассмотрены вопросы имитационного моделирования БСС с целыо определения параметров ее функционирования и энергопотребления в процессе передачи разных объемов данных. Для исследований использована система моделирования и проектирования вычислительных сетей OpNet Modeler. По результатам моделирования была собрана статистика, отображающая нагрузку на БСС. В диссертации представлены графики изменения объемов принятого трафика в БСС для трех сценариев работы в зависимости от подключения промежуточных ретрансляторов, представлено изменение задержек при передаче данных для разных сценариев работы и др. Имитационные модели БСС позволяют

отладить синхронизированный канальный уровень сети без привязки к конкретному оборудованию.

В третьей главе рассматриваются формализованная постановка задачи, модель, методика и архитектура системы сбора, обработки данных и поддержки принятия решений для диспетчерского контроля при эксплуатации и ремонте инженерных коммуникаций системы теплоснабжения ЖКХ.

С позиции теории системного анализа весь комплекс задач Z„, управления ЖКХ образует многоуровневую структуру, состоящую из последовательности подсистем, объединенных информационными потоками. Тогда для формализованного описания методики управления и поддержки принятия решений следует использовать множество информационно-логических моделей (ИЛМ): М - (dh К, dh К, Р\, К, Pj,..., ps), где М- оператор ИЛМ; d\, К, dN - множество данных ИЛИ; рь К, ps - множество правил и продукционных моделей (ПМ) поддержки принятия решений. Продукционные правила ПМ строятся по типу: если (if) ... (условия выполняются), то (then)... (реализация следствия), и их можно записать как:

. рк:...Л„_,[dl4yn))then(dlMM)}• (5)

гдеЛ[, А( б {=,>,>,<,<},/ = 1, п, -арифметический оператор; Л,е{Л,К} -» «

логический оператор; ds,dim - входные и выходные данные модели; Zfc— ..., Z|| — множество значений входных данных;

dj; zf e jzf],..., zfm| - значение для выходных данных d\t$ ; п - количество условий; к- индекс продукционного правила.

В связи со сложностью разработки ИЛМ и ПМ для поддержки принятия решений во всей структуре ЖКХ были предложены модель и методика поддержки принятия решений только для системы городского теплоснабжения. Основными отличиями и преимуществами методики являются использование: а) систем диспетчерского контроля и управления с использованием беспроводных гетерогенных сенсорных и сотовых сетей для сбора и обработки информации о состоянии объектов тепловой сети; б) способов доставки JII1F с возможностью визуализации оперативных результатов полученной и обработанной информации; выработка рекомендаций в виде продукционных правил на компьютерные средства обработки информации.

Для реализации методики поддержки принятия решений была предложена, реализована и введена в опытную эксплуатацию архитектура беспроводной распределенной СППР для решения задач дистанционного диспетчерского контроля объектов и процессов в системе городского теплоснабжения (рис. 2).

Атрибут!

Диспетчер ский ц остр йора данных и мониторинга

X

£

т

Подсистема мониторинга состояния теплоцентрали Подсисгемамонигоринга блочно-модульных иэтельных Подсистема мобильной поддержки ЛПР и аварийных бригад

Г 1 г Т^_

Сбор данных с теплоцентрали Сбор денных с блочно-модульных нательных Мониторинг автотранспорта, передача данных на мобильные устройства ЛПР

Рис. 2. Обобщенная схема СППР тепловых сетей города

СППР включает- четыре основные подсистемы.

Подсистема мониторинга состояния теплоцентралей. В работе предложен способ оперативного и постоянного контроля состояния магистралей посредством модулей ZigBee, которые устанавливаются на выносных терминалах труб. Модули измеряют волновое сопротивление теплоизоляции труб на различных участках и передают значения на диспетчерский компьютер, где в случае изменения параметров сопротивления регистрируется внештатное событие в момент его возникновения и производится локализация повреждения методом сравнения значений сопротивления, измеренных на оконечных терминалах участка протечки.

Подсистема мониторинга и управления БМК. Подсистема включает сенсорные сегменты сети, которые устанавливаются на БМК для сбора и передачи данных с контроллеров, теплосчетчиков, датчиков охранно-пожарной сигнализации и др. Данные передаются на диспетчерский пункт для накопления, представления в виде НМЛ, отображения на цифровой картографической основе (ЦКО) с целью интеллектуального и пространственного анализа и подготовки ПМ принятия решений для ЛПР.

Диспетчерский центр сбора данных и мониторинга. Данная подсистема включает сервера с геоинформационной системой (ГИС) для пространственного анализа тепловых сетей и визуализации результатов

мониторинга на ЦКО города, многомерной БД, модулем интеллектуального анализа данных, системой позиционирования автотранспорта на базе сервера Wialon и т.д. В качестве технических средств контроля и диспетчерского управления установлены центральный координатор ZigBee сети со шлюзами ZigBee-Ethemet, ZigBee-ТСРЯР, GSM/GPRS модемы для получения данных с модулей распределенной сенсорной и сотовой сети, навигационных трекеров.

Подсистема мобильной поддержки руководителей и аварийно-ремонтных бригад. Подсистема включает вычислительные средства ЛПР с модулями мобильной связи GSM/GPRS, ZigBee и GSM/TJIOHACC/GPS для получения результатов мониторинга и рекомендаций, а также установленные автомобильные трекеры для транспортного мониторинга аварийно-ремонтных бригад.

Методика диспетчерского управления включает следующие этапы:

- сбор данных в узлах, установленных в БМК и на магистралях;

- передачу данных на диспетчерский сервер;

- накопление данных в многомерной БД;

- многомерный анализ данных (Data Mining);

- представление результатов на ЦКО;

- доступ к результатам с мобильных средств связи ЛПР;

- определение местоположения ЛПР и аварийно-ремонтных служб;

- оповещение ЛПР и других лиц о внештатных и аварийных ситуациях.

В четвертой главе приведены результаты практической реализации и экспериментальные исследования предложенного программно-технического решения, разработанных моделей и методик, архитектуры СППР, введенной в опытную эксплуатацию в системе городского теплоснабжения.

Для практических исследований и апробации использованы модули JN5 ] 39-Zxx-Mxx компании Jennie с модифицированной прошивкой XN-AN-1016-ZigBee-Wieless-UART для подключения регуляторов БМК типа ТРМ32-Щ4 и теплосчетчиков типа ВКТ-5, датчиков загазованности, охранной и пожарной сигнализации, а также выносных терминалов труб. Для повышения дальности связи в условиях городской застройки при отсутствии промежуточных ретрансляторов к узлам подключаются направленные антенны ANT 2.4 YA-R03 (Pro-Cell). Для опытной эксплуатации СПГ1Р были выбраны две БМК в разных районах города и тепловые магистрали.

Для проверки основных параметров функционирования системы разработана имитационная модель и проведено моделирование в среде OPNET Modeller. Испытания в реальных городских условиях показали, что поведение узлов сети отличается от поведения модельных узлов на допустимые погрешностью значения (рис. 3). В среднем, задержки при передаче трафика через БСС с использованием мощной направленной

антенны составили не более 20 мс. При передаче трафика через три промежуточных ретранслятора, установленных на выносных терминалах тепловой магистрали между БМК и координатором йдВее сети диспетчерского центра, время отклика между запросом к координатору удаленного сенсорного сегмента БМК и получением ответа на сервере составило в среднем не более 60 мс, что согласуется с результатами имитационного моделирования данного сегмента, приведенными во второй главе. При использовании сотовой сети для опроса модемов, сопряженных с тепловыми счетчиками типа ВКТ 5 на удаленной котельной, процесс обмена данными занимает более продолжительное время, что связано с длительным процессом установления модемного соединения (в среднем около 2 мин).

-е- Направленная антенна (реал! -в-Регранслирующиеугяы |реал) — модем (реэл)*1000 —«-Направленная антенна !мыгаи) ретранслирующие узлы (имигзц) —Модем (имягац)*1(Ю0____

Рис. 3. Задержки при передаче трафика: реал. - результаты, полученные при измерениях городских условиях; имитац. - результаты, полученные при имитационном моделировании

Таким образом, результаты опытной эксплуатации СППР для контроля работы БМК и состояния теплотрасс показывают, что для повышения эффективности принятия решений в плане оперативного сбора и обработки информации, снижения аварийности, временных и финансовых затраты на их ликвидацию наиболее целесообразно использовать технологии БСС с направленными антеннами или промежуточными ретрансляторами, а для слишком удаленных объектов - технологии сотовой связи. Существующая потребность в разработке подобных систем и достигнутый уровень развития беспроводных технологий обуславливает широкий спектр применения СППР. Она может применяться для диспетчерского управления и контроля объектов жилшцно-коммуналь-

ной сферы в областях газоснабжения, водоснабжения, электроснабжения, инженерных подземных и наземных коммуникаций и т.д.

В заключении приводятся обобщение и систематизация результатов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведенный анализ предметной области и существующих систем поддержки принятия решений, моделей, методов и инструментальных средств диспетчерского контроля и управления показал, что для создания и эффективного применения автоматизированных информационных СППР целесообразно использовать современные беспроводные технологии (БСС и сотовой связи) в качестве транспортной среды при сборе, анализе и обработке информации от датчиков и приборов промышленной автоматики.

2. Предложено формализованное описание процессов поддержки принятия решений и сформулирована методика сбора, обработки и передачи информации об объектах и процессах диспетчерского управления в системе теплоснабжения ЖКХ.

3. Разработаны компоненты специального математического обеспечения для управления процессами информационного обмена, энергопотребления и временной синхронизации в среде передачи и обработки информации в СППР, которые, в отличие от известных, учитывают динамику изменения состояний узлов сенсорной сети, временных характеристик передачи и обработки информации, энергосберегающие режимы работы узлов и всей транспортной среды.

4. Предложено программно-техническое решение для проблемно-ориентированной системы поддержки принятия решений и диспетчерского управления, которое, в отличие от существующих, использует разработанное специальное математическое и алгоритмическое обеспечение для решения задач сбора, обработки и анализа информации с приборов промышленной автоматики инженерных коммуникаций теплоснабжающих предприятий с использованием беспроводной транспортной среды, включающей беспроводные сенсорные сети, сеть сотовой связи и спутниковой навигации.

5. Разработаны алгоритмы управления процессами сбора и обработки информации от датчиков и приборов промышленной автоматики, установленных на блочно-модульных котельных и теплоцентралях, для решения задач поддержки принятия решений, которые, в отличие от известных, предоставляют возможность выбора и управления процессом передачи информации в гетерогенной беспроводной среде и позволяют оперативно реагировать на возникновение внештатных ситуаций и определять местоположение аварий на инженерных объектах теплоснабжения ЖКХ.

6. Предложена проблемно-ориентированная система диспетчерского управления и поддержки принятия решений для решения задачи дистан-

ционного контроля тепловых инженерных коммуникаций ЖКХ, которая, в отличие от существующих, использует технологию самоорганизующейся БСС и технологии сотовой связи при организации гетерогенной транспортной среды сбора, аналитической обработки и передачи информации.

7. Архитектурные и программно-технические решения СППР введены в опытную эксплуатацию для диспетчерского контроля и управления в городской системе теплоснабжения ЖКХ. Результаты эксплуатации показывают незначительное расхождение с результатами имитационного моделирования.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Финогеев, А. А. Оперативный дистанционный мониторинг в системе городского теплоснабжения на основе беспроводных сенсорных сетей / А. Г. Финогеев, В. Б. Дильман, В. А. Маслов, А. А. Финогеев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2010. -№ 3. - С. 27-36.

2. Финогеев, А. А. Гетерогенное информационное пространство для поддержки учебного процесса на базе технологий беспроводной связи / А. Г. Финогеев, В. А. Маслов, А. А. Финогеев // Информатизация образования и науки.-2011.-Xsl (9).-с. 44-55.

3. Финогеев, А. А. Система оперативного дистанционного мониторинга и управления тепловыми сетями на основе беспроводных сенсорных сетей / А. Г. Финогеев, В. Б. Дильман, В. А. Маслов, А. А. Финогеев // Прикладная информатика. - № 3 (33). - 2011. - С. 83-93.

4. Финогеев, А. А. Поддержка принятия решений на основе результатов распределенного мониторинга в системе городского теплоснабжения / А. А. Финогеев // Информационные технологии в образовании, науке и бизнесе : Междунар. конф. // Прилож. к журн. «Открытое образование» (Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 2011). - 2011. - № 2 (86). - Ч. 2. - С. 178-181.

5. Финогеев, А. А. Мегодика идентификации и событийного управления мобильными устройствами на основе технологии Bluetooth / А. Г. Финогеев, В. А. Маслов, А. А. Финогеев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2008. - № 1. - С. 108-120.

6. Финогеев, А. А. Построение информационного пространства вуза с использованием беспроводной технологии Bluetooth / А. Г. Финогеев, Д. А. Кувшинников, В. А. Маслов, А. А. Финогеев // Прикладная информатика. - 2008. - № 6 (18). - С. 101-109.

7. Финогеев, А. А. Архитектура виртуальной обучающей среды с поддержкой технологий беспроводного доступа к информационным ресурсам / А. Г. Финогеев, В. А. Маслов, А. А. Финогеев//Дистанционное и виртуальное обучение. - 2010. - № 6 (36). - С. 76-98.

8. Финогеев, А. А. Мониторинг и поддержка принятия решений в системе городского теплоснабжения на базе гетерогенной беспроводной сети / А. Г. Финогеев, В. Е. Богатырев, В. А. Маслов, А. А. Финогеев // Известия Волгоградского государственного технического университета - 2011. - Т. 3, № 10.- С. 73-81.

9. Финогеез, А. А. Структура электронной образовательной среды с использованием гетерогенных сетей для доступа к информационным ресурсам / А. Г. Финогеев, В. А. Маслов, А. А. Финогеев // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. -2011. -№ 1. -С. 106-115.

Публикации в других изданиях

10. Finogeev, Anton A. Interactive system for information support museum visitors on base Bluetooth technologies / Alexey. G. Finogeev, Vladinir A. Maslov, Anton A. Finogeev, Kirill A. Bukin // EVA 2008 Florence; Cappellini,Vito; Hem-s!ey, James (2008) (Eds.): Electronic Imaging & the Visual Arts. Proceedings of the EVA 2008 conference, April 16—18. - Florence, Italy : Le Officine Grafiche Tech-noprint, Bologna, 2008. - P. 194-200;

11. Финогеев, А. А. Базовые принципы построения ячеистых сетей для передачи информации / А. Г. Финогеев, А. А. Финогеев // Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе (IT+S&E'09) (Майская сессия) : тр. 36-й Междунар. конф. // Прил. к журн. «Открытое образование» (Украина, Крым, Ялта-Гурзуф, 20-30 мая, 2009). - 2009. - С. 100-102.

12. Финогеев, А. А. Принцип построения системы промышленного мониторинга на основе современных беспроводных технологий / А. М. Бершад-ский, А. А. Финогеев // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. - 2009. -T. 1.-С. 101-102.

13. Финогеев, А. А. Мобильные сенсорные сети для поддержки принятия решений / А. Г. Финогеев, А. А. Финогеев Н ИНФО-2009 : сб. материалов Междунар. конф. (1-10 октября 2009). - Сочи, 2009. - С. 146-149.

14. Финогеев, А. А. Применение современных беспроводных технологий в организации учебного процесса и аттестации // Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем : сб. ст. V Междунар. конф. (25-28 октября 2010). - Пенза : Изд-во ПГУ, 2010. - С. 295-296.

15. Финогеев, А. А. Применение гетерогенных беспроводных сетей при построении информационных пространств структурных подразделений вузов / А. Г. Финогеев, В. А. Маслов, А. А. Финогеев // Новые образовательные технологии в вузе : сб. материалов VII Междунар. науч.-метод. конф. НОТВ-2010. - Екатеринбург : Изд-во УГТУ-УПИ, 2010. - Ч. 1. - С. 68-71.

16. Финогеев, А. А. Разработка теоретического и алгоритмического методов позиционирования, мониторинга и визуализации состояния мобильных объектов в адаптивном пространстве на основе самоорганизующихся беспроводных сетей / А. М. Бершадский, А. А. Финогеев // Информационно-телекоммуникационные технологи : сб. тр. Всерос. конф. «Проведение научных исследований в области информационно-телекоммуникационных технологий». - М., 2010. - С. 49-50.

17. Финогеев, А. А. Мониторинг тепловых сетей ЖКХ на базе экспериментальной беспроводной ячеистой сети / А. А. Финогеев // Новые информационные технологии и системы : сб. тр. IX Междунар. науч.-техн. конф. -Пенза, 2010.-С. 176-182.

18. Финогеев, А. А. Методы управления потоками мультимедийной информации в самоорганизующихся ячеистых сетях / А. Г. Финогеев, А. М. Бершадский, А. С. Бождай, А. А. Финогеев [и др.] // Информационная карта заключительного отчета о научно-исследовательской работе по теме X» 2.1.2/4089, Москва, 2010.

Научное издание ФИНОГЕЕВ Антон Алексеевич

ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННАЯ СИСТЕМА ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕТЕРОГЕННОЙ БЕСПРОВОДНОЙ СРЕДЫ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (приборостроение)

Подписано в печать 18.11.2011. Формат 60х84,/!й. Усл. печ. л. 0,93. Заказ № 712. Тираж 100.

Пенза, Красная, 40, Издательство ПТУ Тел./факс: (8412) 56-47-33; e-mail: iic@pnzgu.ru

Введение.

Глава 1. Аналитические исследования методов и средств мониторинга и поддержки принятия решений в социально-экономических системах.

1.1 Цели и задачи мониторинга и поддержки принятия решений.

1.2 Методы, инструментарий и этапы в системе поддержки принятия решений (СПГГР) для ЖКХ.•.

1.3 Мониторинг инженерных объектов для облегчения принятия решений в системе городского теплоснабжения.

1.4 Технологии сенсорных сетей для сбора данных и под держки принятия решений.

1.5 Мониторинг инженерных коммуникаций в плане обеспечения поддержки принятия решений в системе теплоснабжения ЖКХ.

1.6 Технологии сенсорных сетей для сбора данных с промышленных объектов и инженерных коммуникаций.

1.7. Применение беспроводных сенсорных сетей для мониторинга поддержки принятия решений в ЖКХ.

Выводы по разделу.

Глава 2. Разработка компонент специального математического обеспечения для построения беспроводных' сенсорных сетей при решении задач сбора данных и поддержки принятия решений.

2.1. Краткая характеристика беспроводной технологии стандарта 802.15.4. ZigBee.

2.2. Особенности построения БСС.

2.3. Управление процессами информационного обмена сенсорными данными в БСС.

2.4. Управление процессами ретрансляции трафика через БСС.

2.5. Анализ поведения сенсорного узла в БСС.

2.6. Управление процессами энергопотребления в БСС.

2.7. Управление процессами временной синхронизации в БСС.

2.8. Анализ имитационных моделей БСС для поддержки работы СППР в среде ОрЫЕТ.

Выводы по разделу.

Глава 3. Формализация поддержки принятия решений и архитектурные принципы организации беспроводной СППР ЖКХ (на примере системы теплоснабжения).

3.1 Формализация методики поддержки принятия решений и модель СППР при управлении службами ЖКХ.

3.2 Разработка требований к беспроводной СППР.

3.3 Требования к данным в СППР.

3.4 Информационно-логическая модель данных для поддержки принятия решений в СППР.

Оглавление

Введение.

Глава 1. Аналитические исследования методов и средств мониторинга и поддержки принятия решений в социально-экономических системах.

1.1 Цели и задачи мониторинга и поддержки принятия решений.

1.2 Методы, инструментарий и этапы в системе поддержки принятия решений (СППР) для ЖКХ.

1.3 Мониторинг инженерных объектов для облегчения принятия решений в системе городского теплоснабжения.

1.4 Технологии сенсорных сетей для сбора данных и поддержки принятия решений.

1.5 Мониторинг инженерных коммуникаций в плане обеспечения поддержки принятия решений в системе теплоснабжения ЖКХ.:.

1.6 Технологии сенсорных сетей для сбора данных с промышленных объектов и инженерных коммуникаций.

1.7. Применение беспроводных сенсорных сетей для мониторинга поддержки принятия решений в ЖКХ.

Выводы по разделу.

Глава 2. Разработка компонент специального математического обеспечения для построения беспроводных сенсорных сетей при решении задач сбора данных и поддержки принятия решений.

2.1. Краткая характеристика беспроводной технологии стандарта 802.15.4.21£Вее.

2.2. Особенности построения БСС.

2.3. Управление процессами информационного обмена сенсорными данными в БСС.

2.4. Управление процессами ретрансляции трафика через БСС.

2.5. Анализ поведения сенсорного узла в БСС.

2.6. Управление процессами энергопотребления в БСС.

2.7. Управление процессами временной синхронизации в БСС.

2.8. Анализ имитационных моделей БСС для поддержки работы СППР в среде ОрЫЕТ.

Выводы по разделу.

Глава 3. Формализация поддержки принятия решений и архитектурные принципы организации беспроводной СППР ЖКХ (на примере системы теплоснабжения).

3.1 Формализация методики поддержки принятия решений и модель СППР при управлении службами ЖКХ.

3.2 Разработка требований к беспроводной СППР.

3.3 Требования к данным в СППР.

3.4 Информационно-логическая модель данных для поддержки принятия решений в СППР.

3.5 Системный подход к созданию СППР для управления ЖКХ.

3.6 Типовые архитектурные решения СППР.

Выводы по разделу.

Глава 4. Программно-техническое решение для системы СППР на примере городской тепловой сети.

4.1. Описание приборов промышленной автоматики БМК для диспетчерского контроля и мониторинга.

4.2 Способ детектирования и локализации повреждений тепловых магистралей в беспроводной СППР.

4.3 Программные и технические средства для беспроводной СППР.

4.4 Экспериментальное тестирование дальности связи модулей JN5139-Zxx-Mxx с различными прошивками на удаленных объектах городской тепловой сети.

4.5 Практическая реализация архитектуры беспроводной СППР.

Выводы по разделу.

На сегодняшний день при создании автоматизированных систем на первый план выходят решение задач диспетчерского управления и поддержки принятия решений, а также наблюдение за процессами и явлениями антропогенного, техногенного и природного характера. Несмотря на то что на процесс принятия решений огромное влияние оказывает человеческий фактор, эффективность и качество управления зависят от того, насколько оперативно и своевременно будет получена необходимая и достоверная информация об объектах и процессах.

Особое место занимает достаточно критичная с точки зрения состояния и аварийности область жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ) Российской Федерации. Хотя системы поддержки принятия решений активно внедряются в сферу ЖКХ, следует отметить достаточно низкую эффективность управления инженерными коммуникациями коммунального хозяйства в целом. Немаловажным фактором здесь является недостаточная оперативность получения достоверной информации в системах диспетчерского контроля инженерных коммуникаций и прочих техногенных объектов ЖКХ. Поэтому решение задач поддержки принятия решений на основе оперативного сбора, обработки, анализа данных об объектах и; процессах в инженерных сетях и сооружениях, а также передачи информации по гетерогенной беспроводной среде является актуальной научно-исследовательской и прикладной проблемой.

Научные исследования и результаты, изложенные в диссертации, основаны на работах А. Б. Мархасина, А. Н. Ляхова, Д. А. Новикова, М. Б. Гузаирова, A. JI. Умнова, А. М. Бершадского, В. П. Кулагина, Я. Е. Львовича, В. А. Камаева, И. П. Норенкова и других российских ученых, а также зарубежных ученых, среди которых Petri Myllymaki, Timo Hamalainen, Georgios В. Giannakis, Alejandro Ribeiro, Chun-hung Li и др.

Диссертационная работа направлена на решение научной задачи, заключающейся в создании проблемно-ориентированной системы управления и поддержки принятия решений на основании информации, получаемой с 4 датчиков и приборов промышленной автоматики, установленных на объектах инженерных коммуникаций. Актуальность исследований подтверждается необходимостью решения проблем теоретического и прикладного характера, связанных с диспетчерским управлением объектов, контролем процессов, внештатных и аварийных ситуаций на объектах ЖКХ с целью обеспечения лиц, принимающих решения, (ЛПР) оперативной информацией с использованием гетерогенных беспроводных сетей и компьютерными средствами обработки данных с модулями беспроводной связи.

Цели и задачи исследования. Целью диссертационной работы является создание проблемно-ориентированной системы управления, поддержки принятия решений и дистанционного оперативного контроля инженерных коммуникаций в плане предотвращения аварийных и внештатных ситуаций. Для достижения цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Провести анализ предметной области, методов поддержки принятия решений, методов диспетчерского контроля и управления инженерными коммуникациями ЖКХ.

2. Разработать формализацию процесса поддержки принятия решений и сформулировать методику сбора, обработки и передачи информации об объектах и, процессах диспетчерского управления в системе теплоснабжения ЖКХ.

3. Разработать компоненты математического обеспечения для управления процессами информационного обмена, энергопотребления и временной синхронизации в среде передачи и обработки информации в системе поддержки принятия решений (СППР).

4. Разработать архитектуру СППР и диспетчерского управления, описать методы сбора, аналитической обработки и передачи информации с датчиков и приборов промышленной автоматики на примере городской тепловой сети ЖКХ.

5. Разработать программно-аппаратные средства беспроводного дистанционного контроля инженерных коммуникаций для СППР городской службы теплоснабжения, провести испытания и экспериментальные исследования работы системы.

Объектом исследования диссертационной работы является система поддержки принятия решений при управлении службами ЖКХ и дистанционного контроля инженерных коммуникаций в сфере городского теплоснабжения.

Предметом исследования являются компоненты специального математического и алгоритмического обеспечения СППР, структура беспроводной транспортной подсистемы, алгоритмы сбора и обработки данных, архитектура системы.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы системного анализа, оперативной аналитической обработки данных (OLAP), мониторинга, теории принятия решений, теории управления, геоинформационных технологий, математического анализа, теории графов, объектно-ориентированного проектирования, теории баз данных, теории передачи данных, теории радиосвязи.

Научная новизна.

1. Предложено программно-техническое решение для проблемно-ориентированной системы поддержки принятия решений и диспетчерского управления, которое, в отличие от существующих, использует разработанное специальное математическое и алгоритмическое обеспечение для решения задач сбора, обработки и анализа информации с приборов промышленной автоматики инженерных объектов и коммуникаций теплоснабжающих предприятий с использованием беспроводной транспортной среды, включающей беспроводные сенсорные сети (БСС), сеть сотовой связи и спутниковой навигации.

2. Разработаны компоненты специального математического обеспечения для управления процессами информационного обмена, энергопотребления и временной синхронизации в среде передачи и обработки информации в

СППР, которые, в отличие от известных, учитывают динамику изменения состояний узлов сенсорной сети, временных характеристик передачи и 6 обработки информации, энергосберегающие режимы работы узлов и всей транспортной среды.

3. Разработаны алгоритмы управления процессами сбора и обработки информации от датчиков и приборов промышленной автоматики, установленных на блочно-модульных котельных (БМК) и теплоцентралях, для решения задач поддержки принятия решений, которые, в отличие от известнь1х, предоставляют возможность выбора и управления процессом передачи информации в гетерогенной беспроводной среде, и позволяют оперативно реагировать на возникновение внештатных ситуаций и определять местоположение аварий на инженерных объектах теплоснабжения ЖКХ.

4. Предложена проблемно-ориентированная система диспетчерского управления и поддержки принятия решений для решения задачи дистанционного контроля тепловых инженерных коммуникаций ЖКХ, которая, в отличие от существующих, использует технологию самоорганизующейся БСС и технологии сотовой связи при организации гетерогенной транспортной среды сбора, аналитической обработки и передачи информации.

Практическая значимость.

Диссертационные исследования выполнены в рамках приоритетного направления «Информационно-телекоммуникационные системы» и способствуют развитию критических технологий: создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления тепла и электроэнергии, снижения риска и уменьшения последствий природных и техногенных катастроф, обработки, хранения, передачи и защиты информации.

Результаты исследований позволяют внедрять инновационные методы диспетчерского управления инженерных коммуникаций для поддержки принятия решений в структурах ЖКХ на основе сбора и обработки данных в режиме реального времени, в транспортной среде беспроводных сенсорных и сотовых сетей. Внедрение СППР позволит комплексно решать проблемы 7 энергосбережения, оптимизации распределения, потребления и утилизации энергетических ресурсов.

Достоверность и обоснованность результатов подтверждается совпадением результатов моделирования и экспериментальной проверки, внедрением и опытной эксплуатацией разработанных средств.

Соответствие паспорту специальности. Работа выполнена в соответствии с паспортом специальности ВАК РФ 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации, пункт 5, частично 4,9.

Внедрение результатов работы и связь с научными программами. Диссертационные исследования проводились на кафедре «Системы автоматизированного проектирования» Пензенского государственного университета (111 У) и выполнялись в процессе четырех НИР в рамках АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (20092011 гг.)» (заказчик - Минобрнауки РФ).

Также исследования проводятся в процессе двух НИР в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.

По результатам диссертационной работы выполняется НИОКР по теме «Разработка программно-аппаратных средств,, и новых материалов для повышения надежности, качества и экономичности технических систем» в рамках программы «У.М.Н.И.К.» (государственный контракт № 8741р/13176 от 14.01.2011 г.).

Результаты исследования внедрены в эксплуатацию при создании системы оперативного дистанционного диспетчерского контроля инженерных коммуникаций и транспортных средств муниципального унитарного предприятия «Гортеплосеть» города Кузнецк Пензенской области. Также результаты диссертации внедрены в учебный процесс Пензенского государственного университета, Пензенского филиала Российского государственного университета инновационных технологий и предпринимательства, Пензенского регионального центра дистанционного образования.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: 34, 35, 36, 37, 38-й международных конференциях «Информационные технологии в науке, социологии, экономике и бизнесе» (IT+S&F07) (Украина, Ялта-Гурзуф, 2007-2011); International Conference «Electronic Imaging & the Visual Arts - EVA-2008» (Florence, Italy), 14th International Conference on Virtual Systems and Multimedia (Limassol, Cyprus, 2008); Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 20092010); Международной конференции ИНФО-2009 (Сочи, 2009); Международной научно-методической конференции «Новые образовательные технологии в вузе», НОТВ-2010 (Екатеринбург, 2010); V Международной научно-технической конференции «Аналитические и численные методы моделирования естественнонаучных и социальных проблем» (Пенза, 2010); Всероссийской конференции «Проведение научных исследований в области информационно-телекоммуникационных технологий» (Москва, 2010); XVII Всероссийской научно-методической конференции «Телематика-2010» (Санкт-Петербург, 2010); IX Международной научно-технической конференции «Новые информационные технологии и системы» (Пенза, 2010).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 27 работ, в том числе 9 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Наиболее значимые работы приведены в конце автореферата.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 169 страницах, списка литературы из 111 наименований, 3 приложений, содержит 44 рисунка, 55 формул и 1 таблицу.

Выводы по разделу.

1. В . разделе даётся обзор приборов промышленной автоматики, используемых в ЖКХ, и основных параметров для диспетчерского контроля.

2. Рассмотрены тепловые магистрали с системой проводного оперативного диспетчерского контроля и оценки их возможностей. Предлагается новый способ детектирования и локализации места и характера повреждения с применением БСС.

3. Проанализированы известные технические и программные средства для работы СППР на основе БСС и выбраны наиболее эффективные.

4. Проведено экспериментальное тестирование дальности связи выбранных программных и технических средств в условиях городской застройки. Сделан вывод об эффективности работы БСС.

5. Проведено описание реализованной архитектуры СППР, методики её работы и результаты эксплуатации.

Заключение.

В диссертационной работе достигнуты следующие результаты:

2. Проведенный анализ предметной области и существующих систем поддержки принятия решений, моделей, методов и инструментальных средств диспетчерского контроля и управления показал, что для создания и эффективного применения автоматизированных информационных СППР целесообразно использовать современные беспроводные технологии (БСС и сотовой связи) в качестве транспортной среды при сборе, анализе и обработке информации от датчиков и приборов промышленной автоматики.

3. Предложено формализованное описание процессов поддержки принятия решений и сформулирована методика сбора, обработки и передачи информации об объектах и процессах диспетчерского управления в системе теплоснабжения ЖКХ.

4. Разработаны компоненты специального математического обеспечения для управления процессами информационного обмена, энергопотребления и временной синхронизации в среде передачи и обработки информации в СППР, которые, в отличие от известных, учитывают динамику изменения состояний узлов сенсорной сети, временных характеристик передачи и обработки информации, энергосберегающие режимы работы узлов и всей транспортной среды.

5. Предложено программно-техническое решение для проблемноориентированной системы поддержки принятия решений и диспетчерского управления, которое, в отличие от существующих, использует разработанное специальное математическое и алгоритмическое обеспечение для решения задач сбора, обработки и анализа информации с приборов промышленной автоматики инженерных коммуникаций теплоснабжающих предприятий с использованием беспроводной транспортной среды, включающей беспроводные сенсорные сети, сеть сотовой связи и спутниковой навигации*

155

6. Разработаны алгоритмы управления процессами сбора и обработки информации от датчиков и приборов промышленной автоматики, установленных на блочно-модульных котельных и теплоцентралях, для решения задач поддержки принятия решений, которые, в отличие от известных, предоставляют возможность выбора и управления процессом передачи информации в гетерогенной беспроводной среде и позволяют оперативно реагировать на возникновение внештатных ситуаций и определять местоположение аварий на инженерных объектах теплоснабжения ЖКХ.

7. Предложена проблемно-ориентированная система диспетчерского управления и поддержки принятия решений для решения задачи дистанционного контроля тепловых инженерных коммуникаций ЖКХ, которая,- в отличие от существующих, использует технологию самоорганизующейся БСС и технологии сотовой связи при организации гетерогенной транспортной среды сбора, аналитической обработки и передачи информации.

8. Архитектурные и программно-технические решения СППР введены в опытную эксплуатацию для диспетчерского контроля и управления в городской системе теплоснабжения ЖКХ. Результаты эксплуатации показывают незначительное расхождение с результатами имитационного моделирования.

1. Mann R.E. Global Environmental Monitoring System (GEMS) Action Plan for Phase 1 SCOPE. Rep 3. Toronto, 1973. 130 p.

2. Першиков В.И., Совинков B.M. Толковый словарь по информатике. М.: Финансы и статистика, 1995. 357 с.

3. Большой юридический словарь / Под ред. А.Я. Сухарева, В.Д. Зорькина, В.Е. Крутских. М., 1997. 378 с.

4. Иллюстрированный энциклопедический словарь. М: Большая Российская энциклопедия, 1999. 467 с.

5. Российская юридическая энциклопедия / Под ред. А.Я. Сухарева. М., 1999. 545 с.

6. Советский энциклопедический словарь. Изд. четвертое, испр. и доп. М.: Советская энциклопедия, 1989. 838с.

7. Крысин Л.П. Толковый словарь иноязычных слов. М.: Русская энциклопедия, 1998. 848 с.

8. Бушмелева Г.В. СОДЕРЖАНИЕ КАТЕГОРИИ «МОНИТОРИНГ СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ» / Г.В. Бушмелева // «Управление общественными и экономическими системами 2006 № 2», Ижевский государственный технический университет, г. Ижевск.

9. Новиков А.М., Новиков Д.А. Методология научного исследования. М.: Либроком, 2010.-280 с

10. Бершадский А.М. Геоинформационный подход к мониторингу региональных образовательных систем / А.М.Бершадский, А.С.Бождай // Информационные технологии. 1998. №12, стр. 39-43

11. Мониторинг. Материал из Википедии — свободной энциклопедии Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/MoHHTopHHr. Загл. с экрана

12. Технические средства диагностирования: Справочник/В.В. Клюев, П.П. Пархоменко, В.Е.Абрамчук и др.; под общ. Ред. В.В. Клюева. — М.: Машиностроение, 1989. — 672 с.

13. Алексеева, Т. В., Техническая диагностика гидравлических приводов / Т.В.Алексеева, В.Д.Бабанская, Башта Т.М. и др. М.: Машиностроение. 1989. —263 с.

14. Ерофеев, Б.В. Экологическое право России. Учебник. Издание второе, переработанное и дополненное / Б.В. Ерофеев М.: Юрист. 1996.

15. Коджаспирова Г.М. Педагогический словарь: для студ. высш. и сред. пед. учеб. заведений / Г.М.Коджаспирова, А.Ю.Коджаспиров М.: Издательский центр «Академия», 2000. - с.86.

16. Баранова, В.В. Мониторинг качества образовательного процесса / В.В. Баранова // Образование в современной школе.-2008.-№1.-С.З-8.

17. Головичер, Г.В. Теория и практика проведения мониторинга качества знаний обучающихся образовательных учреждений региона / Г.В. Головичер // Управление качеством образования.-2008.-№2.-С.48-58.

18. Рыбина, О.В. Мониторинг и диагностика качества знаний / О.В. Рыбина //Образование в современной школе.-2008.-№9.-С.5-8.

19. Аверкин, В. Региональная система управления образованием: мониторинг развития/ В. Аверкин, С. Аверкина, Е. Карданова Е. и др. //Народное образование.-2008.-№2.-С.156-164

20. Григуола, Е. Мониторинг здоровья дошкольников/ Е. Григуола//Педагогическая диагностика.-2008.-№3.-С.69-76

21. Ковалева Н.В. Мониторинг экономики образования /Н.В.Ковалева //Экономика образования.-2007.-№3. С.33-66

22. Бождай, A.C. Комплексная инфраструктура территории: методы и модели информационного мониторинга / А.С.Бождай // Информационные технологии, №9,2009, стр. 57 63

23. Данные. Материал из Википедии — свободной энциклопедии / Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki^aHHbie. Загл. с экрана

24. Бождай, A.C. Теория управления в технических и социальных системах. Учеб. пособие. / А.С.Бождай Пенза, изд-во ПТУ, 2003 г., 128 с.

25. Бурков В.Н., Новиков Д.А. Как управлять организациями. М.: Синтег, 2003, Губко М.В., Новиков Д.А. Теория игр в управлении организационными системами. М.: Синтег, 2002.

26. Новиков Д.А. Стимулирование в организационных системах. М.: Синтег, 2003.

27. Новиков Д.А. Стимулирование в социально-экономических системах (базовые математические модели). М.: ИПУ РАН, 1998.

28. Новиков Д.А., Чхартишвили А.Г. Активный прогноз. М.: ИПУ РАН, 2002.

29. Новиков Д.А., Чхартишвили А.Г. Рефлексивные игры. М.: Синтег, 2003.

30. Солодская М.С. Сущность управления и проблема управляемости. //Credo, Оренбург, 1997, N 3, с. 52-61.

31. Концепция федеральной системы мониторинга критически важных объектов и (или) потенциально опасных объектов инфраструктуры российской федерации. Одобрена распоряжением правительства российской федерации от 27 августа 2005 г. N 1314-р

32. SQL. Материал из Википедии — свободной энциклопедии / Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/SQL. Загл. с экрана.

33. Финогеев A.A. Мониторинг тепловых сетей ЖКХ на базе экспериментальной беспроводной ячеистой сети // «Новые информационные технологии и системы», статья в сб. трудов IX Международной научно-технической конференции Пенза, 2010, стр. 176-182.

34. Финогеев, A.A. Принцип построения системы промышленного мониторинга на основе современных беспроводных технологий / A.M. Бершадский, A.A. Финогеев //Труды международного симпозиума "Надежность и качество". 2009. - Т. 1. - с. 101-102.

35. Финогеев, A.A. Системы оперативного дистанционного контроля/ А.Г. Финогеев, A.A. Финогеев // Надежность и качество: Статья в сб. трудов Международного симпозиума. Пенза: Изд. ПГУ, 2009. - т. 2 - с. 124126.

36. Кузнецов, А. А. Механизация трудоемких процессов в ЖКХ / А. А. Кузнецов // Жилищное и коммунальное хозяйство. 2007. - N 3. - С. 3031

37. НПФ «Круг» ПТК ЭнергоГород - Режим доступа: http://www.krug2000.ru/decisibns/solutionszkx/energogorod.html.

38. Технология разработки информационных систем. М. : Компания разработки программного обеспечения Трисофт. - Режим доступа: "http://iob.trisoftrus.com/servise/devTech.asp1.

39. Тикунов, B.C. Исследования по искусственному интеллекту и экспертные системы в географии / B.C. Тикунов // Вестник Московского университета. Сер. География. 1989. - № 6. - С. 3 - 9.

40. Берлянт A.M., Геоиконика / А.М.Берлянт М.: Библион, 1996,208с.

41. Коновалова, Н.В. Введение в ГИС / Н.В.Коновалова, Е.Г.Капралов М.: ГИС-Ассоциация, 1997, 160с.

42. Иванников, А.Д. Геоинформатика / А.Д.Иванников, В.П.Кулагин, А.Н.Тихонов, ВЛ.Цветков М.: МАКС Пресс, 2001, 349 с.

43. Берлянт, A.M. Геоинформационное картографирование в экологических исследованиях / А.М. Берлянт // Геоинформатика : сб. статей. М. : Изд. МГУ, 1995.-С. 38-40.

44. Давыдчук, В. С. Организация геоинформационных систем для моделирования антропогенных нарушений природной среды крупных регионов / B.C. Давыдчук, В.Г. Линник, Н.Д. Чепурной // Сборник трудов ВНИИСИ. 1988. - № 5. - С. 163 - 167.

45. Лурье, И.К. Основы геоинформационного картографирования / И.К. Лурье. -М.: Изд-во МГУ, 2000. 143 с.

46. Малыгин, E.H. Использование ГИС-технологий для моделирования состояния экосистемы промышленного узла / E.H. Малыгин, В.А. Немтинов, М.В. Зуйков, Ю.В. Немтинова // Геоинформатика. 2003. - № З.-С. 16-21.7172,73.74,75,7677,78,79,80,81,82,83,84,

47. Немтинов, В.А. Информационный анализ и моделирование объектов природно-промышленной системы /В.А. Немтинов. М. : Машиностроение-1,2005. — 112 с.

48. Капралов, Е.Г. Введение в ГИС / Е.Г. Капралов, Н.В. Коновалова. — М. : ГИС-Ассоциация, 1997. 155 с.

49. Немтинов, В.А. Создание геоинформационной модели предприятия с использованием ГИС-технологий / В.А. Немтинов, М.В. Зуйков, A.C. Клейменов // Труды ТГТУ : сб. науч. статей молодых ученых и студентов. Тамбов, 2001. - Вып. 8. - С. 166 - 170.

50. Программный комплекс Zulu, компания «Политерм» / Режим доступа: http://politerm.com.ru/.

51. Капралов, Е.Г. Основы геоинформатики : в 2 кн. Кн. 1 : Учебное пособие для студентов Вузов / Е.Г. Капралов, A.B. Кошкарев, B.C. Тикунов и др. ; под ред. B.C. Тикунова. М. : Издательский Центр «Академия», 2004. — 352 с.

52. Тикунов, B.C. Моделирование в картографии / B.C. Тикунов. М. : Изд-воМГУ, 1997.-405 с.

53. Программный комплекс Парк, компания «Ланэко» / Режим доступа: rhttp://www.gisa.ru/12859.html.

54. Технология Bitbus / Режим доступа: http://www.bitbus.org/.

55. Технология Profibus / Режим доступа: http://www.profibus.com/.

56. Технология ASI / Режим доступа:http://www.asindexing.org/i4a/pages/index.cfm?pageid=3647.

57. ГОСТ Р 51856-2001 Электромагнитная совместимость техническихсредств. Средства радиосвязи малого радиуса действия, работающие начастотах от 3 кГц до 400 ГГц. Требования и методы испытаний.165 1

58. Институт точной механики и вычислительной техники имени С. А. Лебедева Российской Академии наук (ИТМиВТ) / Режим доступа: http://www.ipmce.ru/.

59. Финогеев А.Г. Моделирование исследование системно-синергетических процессов в информационных средах: Монография, Пенза: Изд-во ПГУ, 2004, 223 с.

60. Chen Y. Sensor Placement for Maximizing Lifetime per Unit Cost in Wireless SensorNetworks / Y. Chen, C. Chuan, Q. Zhao // in the Proceedings of the IEEE Military Communication Conference (MILCOM'05), October 2005. — Atlantic City, NJ.

61. Мочалов B.A. Построение расписания доступа в беспроводную сенсорную сеть / В.А. Мочалов // Электросвязь, 2009. — №10 — С.36-40.

62. Optimum Network Performance / Режим доступа: http://www.opnet.com/sitemap.htmll.

63. Финогеев А.Г. Моделирование исследование системно-синергетических процессов в информационных средах: Монография, Пенза: Изд-во ПГУ, 2004,223 с.

64. Месарович, М. Теория иерархических многоуровневых систем / М. Месарович, Д. Мако, И. Такахара. М.: Мир, 1973. - 344 с.

65. Цвиркун, А.Д. Основы синтеза структуры сложных систем / А.Д. Цвиркун. М.: Наука, 1982. - 200 с.

66. Бершадский A.M., Бождай A.C. Концепция мониторинга комплексной инфраструктуры территории. Монография Пенза, изд-во Пенз. гос. унта, 2010 г., 216 с.

67. Технология разработки информационных систем. М.: Компания разработки программного обеспечения Трисофт. / Режим доступа: http://job.trisoftrus.com/servise/devTech.asp.

68. Гаврилова, Т.А. Базы знаний интеллектуальных систем : учебник для вузов / Т.А. Гаврилова, В.Ф. Хорошевский. СПб.: Питер, 2001. -235 с.

69. Бершадский A.M., Финогеев А.Г., Бождай A.C. Разработка и моделирование гетерогенных инфраструктур для беспроводного информационного обеспечения процессов мониторинга // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. №1,2010.

70. Бождай A.C. Методы параметрической оптимизации математических моделей для системы мониторинга комплексной инфраструктуры территории // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. №2,2009, стр. 71-77.

71. Серапинас, Б.Б. Глобальные системы позиционирования / Б.Б. Серапинас. М.: ИКФ «Каталог», 2002. - 106 с.

72. Сербенюк, С.Н. Картография и геоинформатика — их взаимодействие / С.Н. Сербенюк. М.: МГУ, 1990. - 157 с.

73. Стафеев, К.Г. Геолого-экономические карты при решении управленческих и научных задач / Г.К. Стафеев. // Развитие и охрана недр. М., 2002. - С. 49 - 52.

74. Финогеев А.Г., Финогеев A.A. Мобильные сенсорные сети для поддержки принятия решений. // Материалы Науч-практической конф. «Инновации в условиях развития информационно-коммуникационных технологий» (ИНФО-2009). Россия, Сочи, 1-10 октября 2009г.

75. Бождай A.C. Комплексная инфраструктура территории: методы и модели информационного мониторинга // Информационные технологии, №9, 2009, стр. 57-63.

76. Технология: Система контроля увлажнения изоляции (оперативного дистанционного контроля ОДК / Режим доступа: "http://www.tvelteploross.ru/odk.html.

77. GPS-трекер / Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/GPS-TpeKepl.