автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка метода анализа канальных модулей системы мониторинга технологических процессов

На правах рукописи

Руденко Максим Владимирович

РАЗРАБОТКА МЕТОДА АНАЛИЗА КАНАЛЬНЫХ МОДУЛЕЙ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

05.13.06 - автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (нефтегазовая отрасль, технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тюмень - 2005

Работа выполнена на академической кафедре Технической кибернетики Тюменского государственного нефтегазового университета и Тюменского научного центра СО РАН.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Валерий Алексеевич Шапцев

Официальные оппоненты: доктор технический наук, профессор

Валерий Васильевич Лебедянцев

кандидат технических наук, доцент Сергей Михайлович Каратун

Ведущая организация: ОАО «Гипротюменнефтегаз»

Защита состоится 17 июня в 14.00 на заседании диссертационного совета Д212.273.02 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменского государственного нефтегазового университета по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Мельникайте, 72.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н.

С.И. Челомбитко

ё/J/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. При организации мониторинга техпроцессов в НТК, несмотря на большое многообразие используемых сред распространения сигналов и каналообразующего оборудования, значительная часть автоматических линий сбора данных отсутствует. Часто данные поступают на бумажном носителе, по факсу, по телефону. В связи с этим имеют место проблемы: неполнота, недостоверность, запаздывание критичной оперативной информации; высокая роль человеческого фактора в принятии решений.

Ситуацию можно объяснить, в частности, ограниченностью квалификации специалистов соответствующих служб при решении задач выбора и настройки систем связи в процессе эксплуатации, обеспечения надежности и качества их работы. Не весь спектр задач, связанных с применением каналообразующей техники, специалисты НТК могут решать с одинаковой эффективностью. Например, наблюдается слабое использование КВ-каналов для организации системы мониторинга распределенных техпроцессов. В тоже время имеются промышленные образцы датчиков с передающей аппаратурой, ориентированной на KB (например, в ОНИИП, г.Омск). Для их широкого использования нужна мобильная поддержка настройки (выбора параметров) каналообразующих модулей.

Сегодня эти задачи решаются в замедленном темпе: вызовом специалистов связи или многоэтапно, с использованием локально ориентированного и разрозненного математического обеспечения. Для улучшения ситуации необходим инструмент, позволяющий специалистам НТК самим «собирать» необходимое математическое обеспечение из совокупности доступных алгоритмов и моделей. Такой инструмент нужен как расширение функций АСУ верхнего уровня (систем типа SAP R/3) в сторону формирования компьютерной инфраструктуры поддержки деятельности специалистов по организации и обеспечению мониторинга техпроцессов в производственных комплексах НТК. Соответствующие специалисты - востребованы, а разработка инструмента поддержки их деятельности - актуальна.

Состояние проблемы. При проектировании математического обеспечения в мире укрепился принцип модульности. При этом в процессе создания программной системы определяется «множество элементов, необходимых и достаточных для решения требуемых задач ...» [А.Г. Мамиконов, В.В. Кульба]. Рассматриваемый нами процесс мониторинга -прежде всего процесс циркуляции данных в АСУТП НТК, т.е. информационный процесс (ИП) [Б.Я. Советов, В.М. Стах]. Поэтому множество элементов, на базе {этическое

обеспечение для канальных

является

структурным подмножеством множества компонентов, охватываемых понятием «информационный процесс». При разработке инструмента поддержки синтеза необходимого математического обеспечения необходимо учитывать, как минимум: (а) современные представления о существе ИП в АСУТП НТК; (б) тенденции эволюции средств математического и компьютерного моделирования ИП; (в) тенденции интеллектуализации пользовательского интерфейса средств моделирования.

(а) Ранее особое внимание вопросу о структуре ИП в НТК не уделялось. Интенсивное же развитие информатики и средств связи вызывает динамику этого понятия. Мы наблюдаем его эволюцию от определений, данных С.А. Бешенковым, Е.А. Ракитиной, М.П. Лапчиком и др., к результатам, изложенным у Л.Ф. Куликовского и В.В. Мотова; H.A. Кузнецова, В.А. Любецкого, A.B. Чернавского, А .Я. Фридланда. Однако в работах этих специалистов не затрагиваются особенности ИП в НТК. Их мы встречаем, например, у Б.Я. Советова и В.М. Стаха. Однако предстоит расширение декомпозиции ИП с учетом, в частности, появления интеллектуальных компонентов и средств жизнеобеспечения ИП.

(б) Вычислительная информатика стала действенным инструментом познания во всех сферах деятельности: создана фабрика машинного времени [В.П. Ильин], доступны вычислительные ресурсы (кластеры, суперкомпьютеры и пр.) и моделирующие программы (MATLAB, Maple и др., библиотеки моделей на их основе). Однако вопросы: (1) «какой должна быть архитектура вычислительной системы, инструментальных и прикладных программных комплексов?» и (2) «как на существующем техническом и программном обеспечении решать большие задачи?», активно обсуждаемые, например, еще в коллективе академика H.H. Яненко (80-е гт. ХХ-го века), остаются открытыми до сих пор. Новые возможности вычислительной техники и потребности ИТ-отрасли (например, появились интерфейсы к универсальным средствам моделирования) заставляют искать новые ответы на старые вопросы, по меньшей мере, в рассматриваемой сфере «ИП НТК».

(в) Вопрос об интеллектуализации пользовательского интерфейса впервые поставлен в 1968г. Г.И. Марчуком и А.П. Ершовым. С тех пор утвердился подход к автоматизации программирования с помощью библиотек стандартных программ [Э.З. Любимский, И.В. Поттосин, М.Р. Шура-Бура]. «С конца 70-х годов весьма стремительно развиваются и внедряются в практику интеллектуальные пакеты прикладных программ (RillIii)» [Д.А. Поспелов]. Однако созданные программы ориентированы на получение конкретных прикладных результатов. Между тем уровень развития информационного общества и насыщенность отрасли информационными процессами^ и системами позволяет требовать от специалистов ^^jjiiQPiWKJjbHO конструировать (формировать)

»» < и»« •'

необходимые проблемно-ориентированные компьютерные инструменты решения производственных задач, касающихся канальных компонентов, в частности.

Цель работы. Разработка компьютерного инструментария синтеза математического обеспечения для канальных модулей системы мониторинга ТП НТК, использующей среды передачи с переменным затуханием.

Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели потребовалось:

1. Обосновать репрезентативное множество модулей, отображение которых в виде моделей создаст адекватную базу моделирования канальных компонентов системы мониторинга ТП НТК.

2. С учетом современного состояния информатики выработать критерий качества для оценки средств работы с полученным множеством модулей, учитывающий адекватные требования к проектируемому инструментарию в сфере НТК.

3. Разработать отвечающий выработанным требованиям компьютерный инструментарий, ориентированный на профессиональный уровень специалиста НТК.

4. Разработать на базе инструментария математическое обеспечение для анализа канального модуля, обеспечивающего заданное качество передачи данных по КВ-каналу в мониторинге техпроцессов НТК.

Методы решения задач. Для решения перечисленных задач применены: аналитическое исследование публикаций; теоретические и технические основы информатики и АСУ ТП в НТК; системный анализ; численное и имитационное моделирование; теория связи, линейная алгебра, включая кронекеровскую алгебру матриц; программирование на языках java, javascript, actionscript и в среде MATLAB. Научная новизна работы:

1. Предложена обобщенная модель информационного процесса как минимальное множество модулей-моделей, используемых при идентификации, анализе, исследовании канальных модулей системы мониторинга ТП НТК. В модели впервые отражены интеллектуальные компоненты и компоненты жизнеобеспечения ИП.

2. Впервые разработана архитектура сетевой технологии, обеспечивающей использование нового вида контента - моделей и алгоритмов компонентов информационного процесса - для организации решения прикладных задач при построении систем мониторинга ТП НТК.

3. Впервые программно реализована процедура совместного решения системы двух известных неравенств, использующая точное выражение для вероятности ошибочного приема блока символов и позволяющая определять характеристики помехоустойчивого кода по физическим

параметрам канала связи с переменным параметром с учетом ограничений на качество передачи, характерных для НТК.

4. Впервые исследована сложность задачи вычисления вероятности двоичного вектора ошибки в канале с переменным параметром; предложены оригинальные алгоритмы, ускоряющие вычисления.

Практическая ценность работы и внедрение ее результатов. Разработанные на базе ВСИИП математические методы и алгоритмы могут быть использованы при проектировании и анализе линий связи со случайной структурой в комплексах автоматического мониторинга промысловых территорий.

Применение разработанного инструментария рекомендовано при организации единой инфосреды производства, науки и образования, в первую очередь, организациям, занимающимся исследованиями и разработками на базе готовых моделей-модулей. К их числу относятся научные и проектные организации НТК. Принято решение об использовании инструментария ВСИИП в ТюмГНГУ в виде центра коллективного пользования (Акт внедрения от 26 апреля 2005 года).

Апробация работы. Основное содержание диссертационной работы доложено на конференциях и семинарах:

- обл. науч.-метод. конф. «Информационные технологии в образовательном процессе» (Тюмень, апрель 2002г.);

- междунар. науч. коиф. «Компьютерная математика в фундаментальных и прикладных исследованиях и образовании» (Минск, сентябрь 2002г.);

- обл. науч.-метод. конф. «Роль информационных технологий в обучении: проблемы, перспективы, решения» (Тюмень, март 2003г.);

- междунар науч.-техн. конф. «Компьютерное моделирование 2003» (Санкт-Петербург, июнь 2003г.);

- междунар. науч.-техн. конф. «Новые информационные технологии в нефтегазовой промышленности и энергетике» (Тюмень, октябрь 2003г.);

- обл. науч.-практ. конф. «Информационные технологии в образовании» (Тюмень, май 2004).

Различные аспекты работы обсуждались на заседаниях научного семинара «Интеллектуальные информационные системы» ТюмГУ (Тюмень, 2003-2004 гт.) и в СибГУТИ (Новосибирск). Всего по теме работы опубликовано 8 работ, в том числе 2 статьи, 6 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 3 разделов, заключения, списка используемой литературы, включающего 98 наименований. Общий объем работы: 122 страницы текста, 26 рисунков, 23 таблицы.

Положения, выносимые на защиту: 1. Разработанная обобщенная модель информационного процесса отражает современные представления о нем в теории связи, в информатике и системологии и позволяет дополнить базу моделирования канальных

компонентов системы мониторинга ТП НТК интеллектуальными блоками и блоками жизнеобеспечения.

2. Разработанная и реализованная архитектура виртуальной сетевой среды на базе оп-Нпе-доступа к комплексу серверов, включая сервер МАТЬАВ, обеспечивает эффективное построение канальных модулей систем мониторинга ТП НТК и использование специализированного программного обеспечения АСУТП, содержащего модели и алгоритмы компонентов информационных процессов.

3. Созданное программное обеспечение вычисления параметров кода, использующее точное выражение для вероятности ошибочного приема блока двоичных символов, позволяет получать результат непосредственно по заданным характеристикам физического коротковолнового канала связи и исходя из требуемого качества передачи технологических данных.

4. Разработанный и реализованный алгоритм вычисления вероятности появления двоичного вектора ошибок, уменьшающий количество суммируемых вероятностных характеристических функций Лапласа, позволяет, как минимум на порядок уменьшить сложность соответствующих расчетов при сохранении точности на уровне 90%.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, приведены данные по апробации результатов.

В первом разделе - ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ -формируется обобщенная модель информационных процессов (ОМИП) и с ее помощью - множество объектов, на базе которых функционируют канальные модули системы мониторинга НТК. Анализируются современные компьютерные технологии, способные работать с обозначенным множеством объектов, выявляются их ограничения, обосновывается необходимость разработки новой технологии, формируются требования к качеству такой технологии.

В подразделе 1.1 осуществлена декомпозиция понятия «информационный процесс», что привело к формированию ОМИП в виде минимум 24-х элементарных традиционных и оригинальных компонентов (табл. 1).

Таблица 1: Сводная таблица компонентов ИП

№ | Наименование компонента ИП | № | Наименование компонента ИП

Система «восприятие»

1 Интерфейс с внешним миром: сенсоры, датчики 6 Декодер канала

2 Сигнальный фильтр 7 Декодер источника (включая ЦАП)

3 Управление фильтром и сенсорами 8 Преобразователь кода

4 Демодулятор 9 Подсистема синхронизации

5 Процессор сигнала 10 Подсистема жизнеобеспечения

Система «интерп ретация»

И Модель внешнего мира 15 Формирование запроса рецептивной системе

12 Распознавание ситуаций 16 Память воздействий (реакций)

13 Принятие решения 17 Подсистема жизнеобеспечения

14 Формирование реакции

Система «передача»

18 Преобразователь кода 23 Генератор синхросигналов

19 Кодер источника (включая АЦП) 24 Выходной фильтр

20 Кодер канала 25 Подсистема жизнеобеспечения

21 Формирующий фильтр 26 Сопряжение с внешним миром (исполнительные механизмы)

22 Модулятор

В подразделе 1.2 осуществлена формализация представления каналообразующего оборудования системы мониторинга ТП НТК компонентами ОМИП (табл. 2). При этом для дальнейшего рассмотрения в качестве примера выбрана часть системы мониторинга - канал передачи данных по среде с переменным параметром.

Таблица 2: Компоненты ОМИП в системе мониторинга ТП НТК

Компоненты ОМИП Технология

1,26 RS232, RS484, iec 61158-2, ieee 802.3, RG-6U, ISO 11898

6, 20 Проверка на четность, манчестерский, циклический код, код Хэмминга, Витерби-декодирование, 2B1Q, AMI, CMI, HDB3, NRZ, NRZI, NR

8, 18 TDMA, CSMA/CD, CSMA/CR, передача маркера, передача виртуального маркера, централизованное состязание за линию, доступ на основе планирования, сжатие данных, циклический опрос, CDMA

4, 22 FSK, ASK, PSK, QPSK, QAM, TCM, ИКМ, модуляция разделенной несущей, DMT, CAP, CERM, FM

2, 24 TDM, FDM

7, 19 Вокодеры (G.711, G.723, G.729A), скремблеры

2,3 Эквалайзеры, эхокомпенсаторы

2-5,21,22, 24 НЧ/ВЧ преобразование

2-4 Оптимальные приемники сигналов

Замечено, что эти компоненты (табл. 2) рассматриваются теорией передачи дискретных сообщений - дисциплиной, не содержащейся в ГОС ВПО нефтегазовых специальностей. Поэтому наблюдается неравномерность компетенции специалистов по компонентам ИП. По ТюмГНГУ, в частности, получена следующая картина, представленная в виде гистограммы на рис. 1.

3---

а со о н X

| 25 ------------------

123456789 1011121314151617181920212223242526

Номер компонента ИП (по табл. 1)

Рис. 1. Неравномерность компетенции специалистов инженерных специальностей ТюмГНГУ по компонентам ИП

В подразделе 1.3 отмечается, что для обеспечения работы с выявленными объектами адекватно использовать: (1) современные средства организации виртуальных лабораторий (ВЛ); (2) систему МАТЬАВ. Однако, распространенным средствам создания ВЛ свойственен ряд ограничений:

1. При наличии множества моделей доступ к ним вне среды, в которой они разработаны, отсутствует.

2. Открытость ядер универсальных средств моделирования не используется для расширения возможностей ВЛ и их продуктов.

3 Среди современных средств создания ВЛ, ориентированных на исследование/освоение средств передачи данных, нет доступных специалистам ТП НТК.

4. Возможность широкого распространения средств создания В Л и их продуктов в рассматриваемой предметной области ограничена по разным, в том числе перечисленным причинам.

В системе МАТЬАВ существенно меньше препятствий для формализации моделей объектов табл. 2 и их моделирования. Она имеет интерфейс, позволяющий задействовать ее функциональность через Интернет. Это позволяет говорить об этой системе как о средстве создания ВЛ Однако использование этого интерфейса потребует от специалиста НГК дополнительных знаний и умения программировать.

На основе анализа выявленных ограничений в существующих средствах работы с компонентами ИП и проблематики мониторинга распределенных ТП НГК в подразделе 1.4 обоснованы следующие показатели требуемого, создаваемого в работе инструмента' (1) полнота базы моделирования; (2) возможность ее расширения пользователем; (3) доступность средств разработки и исследования канальных компонентов через Интернет; (4) доступность для многократного использования существующих и вновь создаваемых моделей и алгоритмов работы канальных компонентов через Интернет; (5) достаточная точность расчетов на уровне научного ПО Эти показатели аддитивно объединены в функцию оценки качества инструмента с весами, оцененными совместно с экспертами. Показано, что, если перечисленные показатели станут свойствами инструментария, то он будет как минимум в полтора раза эффективнее существующих в смысле принятого критерия качества. В завершении подраздела перечислены задачи, которые должны быть решены в процессе создания такого инструмента, ориентированного на специалистов НГК.

Во втором разделе - теоретические основы ВСИИП (виртуальной среды исследования ИП) - уточняются требования к компьютерному инструменту, способному работать как минимум с объектами, перечисленными в табл. 1 и 2, и быть «дружественным» специалисту (технологу) АСУ ТП НГК. Представлена концепция ВСИИП совокупностью ее физической, логической и функциональной структур. Описывается созданный макет инструмента, представлен сценарий работы с ним, обосновывается встраиваемость инструмента в АСУ ТП НГК верхнего уровня.

В подразделе 2.1 обосновывается целесообразность формирования виртуальной среды по принципу организации коллективного доступа к ядрам стандартных средств моделирования (типа МАТЬ А В) и базам моделей. Технология работы виртуальной среды обеспечивает отображение и прогон функционально связанной совокупности объектов из ОМИП, собранных для решения конкретной задачи, сформулированной в свою очередь на одном из пользовательских рабочих мест посредством специализированного интерфейса.

В подразделе 2.2 конкретизируется проблемная область, которую покрывает ВСИИП. Выделено 19 типов задач, решение которых требует ее применения При этом пользователь оперирует моделями объектов из

табл.2. Перечень моделей открыт. Множеством объектов, доступных во ВСИИП, является совокупность моделей процессов, явлений, устройств, которые появляются при решении как оговоренных в подразделе, так и появившихся в будущем задач. Методами решения задач во ВСИИП являются численное и имитационное моделирование с использованием в потенциале любых универсальных пакетов моделирования, встраиваемых в среду типовым способом.

Для формирования архитектуры ВСИИП в подразделе 2.3 рассмотрены гипотетические сценарии взаимодействия с ней в процессе решения некоторых прикладных задач. Рассмотрены: этапы создания моделей сложных объектов, планирования и проведения имитационного эксперимента; задача изучения процесса передачи данных; задача интеграции ВСИИП в инфосреды производства, науки и образования; организация интеллектуального диалога пользователя с ВСИИП. В результате получен перечень технических решений по архитектуре ВСИИП (из 25 пунктов).

Следуя В.К. Морозову и A.B. Долганову, архитектура системы охватывает ее физическую, логическую и функциональную структуры. Эти структуры последовательно проектируются в подразделе2.4.

Предложения, касающиеся физической структуры (8 утверждений), определяют типы серверов, которые необходимо присутствуют в структуре ВСИИП (рис. 2).

Инструментарий исаииюмтвга

Клиентская часть среды

Рис. 2. Физическая структура ВСИИП

ВСИИП - клиент-серверная технология. Клиентом является web-браузер персонального компьютера конечного пользователя. В web-браузере реализована исследовательская оболочка (рис. 2), с помощью которой создаются продукты ВСИИП: численные модели, последовательно исполняемые программные модули, имитационные модели, задачи разработки/исследования. Клиентская часть выполняется в среде Internet Explorer 6.0. Браузер оснащается дополнительными, свободно распространяемыми модулями: Java plug-in (версия 1.4.2 и выше) и Flash player (версия 1.6 и выше). Новым здесь является возможность использовать в одном проекте модели, физически прогоняемые в различных средах моделирования (MATLAB, Maple, Mathcad, Mathematica, Lab View и др.).

Три предложения по архитектуре ВСИИП касаются ее логической структуры, концептуальной основы. Их реализация - наиболее трудоемка. Это - организация взаимодействия серверов, моделей, пользователей, баз данных и моделей и т.п. В основе логической структуры ВСИИП (рис. 3) -логика взаимодействия специалистов с объектами среды. Это взаимодействие организуют функциональные модели (ФМ), формируемые специалистом на клиентском рабочем месте (в ходе постановки задачи исследования). По ФМ среда компонует математическое обеспечение и комплексы программ для проведения исследований. Процедуры компоновки конечного продукта и подключения ресурсов серверов автоматизированы и являются существенной частью функциональной структуры ВСИИП.

СПЕЦИАЛИСТЫ

^ _____________.1__________

_ Инструментарий исследователя

WEB-интерфейсы к математическому обеспечению и комплексам программ I i I I i Функциональные модели (ФМ) математического обеспечения и комплексов программ

г L . , ----- -г -

Ресурсы серверов физической структуры ВСИИП, базы данных и моделей

Рис. 3. Логическая структура ВСИИП

Большинство предложений (14 утверждений) касается функциональной структуры ВСИИП. Большая часть функций реализуется конечным пользователем (рис. 4) посредством заложенного во ВСИИП инструментария. При этом системообразующими функциями самой ВСИИП являются (на рис. 4 выделены жирным): генерация по созданной ФМ математического обеспечения и задуманного комплекса программ-моделей, ведение истории работы в среде, загрузка/сохранение конечных продукюв синтеза, интерпретация и оформление результатов исследования. При их реализации во ВСИИП генерируется и обслуживается шесть потоков данных (рис. 4).

Рис. 4. Функциональная структура ВСИИП. Стрелками обозначены направления потоков данных, вид пересылаемых данных - текстом около стрелок, в скобках - в рамках какого потока данные пересылаются.

Системообразующие функции реализованы в макете ВСИИП (описан в подразделе 2.5), а именно: исполняемый код оболочки исследователя, модели-прецеденты, продукты ВСИИП, сценарии работы, шаблоны и графические примитивы, - физически расположены на одном сервере. В макете отсутствуют серверы приложений, баз данных и знаний,

индексации. В этих условиях продемонстрированы основные идеи, заложенные во ВСИИП. В качестве средства моделирования в этом прототипе используется сетевая версия системы МАТЬАВ. Технология взаимодействия клиента, продуктов и ресурсов ВСИИП с ядром системы моделирования МАТЬАВ отображена на рис. 5.

Работа во ВСИИП заключается в запуске ЫгЫ-файла с интерфейсом к созданному математическому обеспечению канального модуля, компонента информационного процесса. В интерфейсе заданы исходные условия работы ФМ, виды переменных, инициализируемые алгоритмы и функции. Интерфейс исполняется у пользователя (в браузере клиента), математическое обеспечение - на вычислительном сервере (серверах) под управлением соответствующей системы (систем) моделирования. При этом для организации взаимодействия клиента и серверов созданы: (1) шаблон-структура Ыш1-файла интерфейса; (2) обработчик клиентских запросов на стороне сервера.

Рис. 5. Взаимодействие клиента с ядром системы МАТЬАВ

При создании функциональной модели (ЬиЫ-файла с интерфейсом) автоматически генерируются необходимые тэги. Обработчик команд исполняется в выбранном средстве моделирования и обеспечивает: (а) анализ входных данных; (б) формирование очередности выполнения функций; (в) вызов функций согласно очередности и (г) пересылка результатов выполнения функций пользователю. Предложено обработчик команд выполнить в виде отдельного сервера. Это позволит распределять вычисления по множеству различных серверов и обрабатывать динамические массивы данных. Важно, что созданная структура Ыт1-файла интерфейса и алгоритм функционирования обработчика команд остаются неизменными при использовании ядер других систем моделирования.

В подразделе 2.6 представлен сценарий работы пользователя при исследовании канального модуля в макете ВСИИП.

Исследование экономической эффективности внедрения и использования инструментария не проводилось. Вместо этого в подразделе 2.7 обоснованы факторы экономической эффективности применения инструментария в АСУТП НТК, а также условия, при которых эффективность применения может иметь место.

В третьем разделе - ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕАЛИЗОВАННОЙ ВЕРСИИ ВСИИП - осуществлена постановка задачи выбора параметров помехоустойчивого кода для передачи данных мониторинга распределенного ТП по коротковолновому каналу и представлены результаты ее решения в макете ВСИИП (функциональная модель, аналитика, графики, таблицы, зависимости). Алгоритмы и модели, обеспечивающие отображение необходимых канальных модулей, реализованы в системе MATLAB. Результаты раздела подтверждают целесообразность применения ВСИИП для разработки математического обеспечения канальных модулей системы мониторинга ТП НТК.

В подразделе 3.1 решается задача выбора параметров каналообразующей аппаратуры по заданным значениям параметров (среднее значение соотношения сигнал/шум, автокорреляция замираний, параметр рассеяния) физической среды с переменным затуханием. Реализован оригинальный алгоритм вычисления исправляющей способности t и необходимого количества проверочных символов т с использованием точной формулы вероятности ошибочного приема в канале с памятью решается система двух неравенств:

т+к I

£ /*.(/,) = 1-£/>„(/,)< <хо

•/=1+' /=0 , (1)

7=1

где Рп(1,) - сумма вероятностей всех векторов ошибок (ВВО) длины я, содержащих / единиц (ошибок), Q(C) - заданная вероятность ошибочного приема кодового слова. На результат накладывается ограничение вида:

{/п-> min

t -»max ^2)

Время счета алгоритма, осуществляющего поиск решения, при большой длине вектора (л > 25) значительно (несколько часов). Это связано с тем, что формула расчета представляет собой сумму вероятностей многих векторов ошибок. Показано, что

Рп(1,)< /утах{/,}>А (3)

где ¿= с'п - число векторов длины п, содержащих по У единиц (вычисляется как число сочетаний из л по /). Если Рп(в (1) заменить на правую часть неравенства (3), то может возникнуть ситуация, когда первое неравенство системы (1) будет выполняться, хотя заданная вероятность ошибочного приема обеспечиваться не будет. Поэтому алгоритм, реализующий решение системы (1), целесообразно применять для быстрого отыскания исправляющей способности кода и необходимого количества проверочных символов по заданным к (число информационных разрядов) и 0(С). После получения этого приближенного решения логично проверить первое неравенство системы (1) перебором всех векторов ошибок.

В подразделе 3.2 для вычисления ВВО, входящих в состав системы (1), применен аппарат характеристических функций (ХФ) [В.И. Коржик, 8. Окш, N. Маппа§а, Т.Ыатека\уа, В.А. Шапцев], позволяющий связать ВВО с характеристиками среды распространения сигнала. При этом реализован уточненный алгоритм вычисления ХФ. Расчеты показали, что при увеличении длины вектора ошибки (л) время счета (<) растет экспоненциально (рис. 6).

Рис. 6. Зависимость между ¿и я при /е [1+16]. Ближайшая к оси ^кривая построена для /= 1, самая правая - для /= 16. /- число единиц в векторе ошибки.

Решена задача прогноза времени счета. В частности получено, что время счета / в наиболее трудоемких случаях (/= 1) связано с длиной вектора п зависимостью:

п

1= 0.641 + 9 381 10"6 ¿тг°.

(4)

Время расчета ВВО, содержащего одну единицу и имеющего длину л=16, составило 193 секунды. Это нельзя считать приемлемым для реализации алгоритма во ВСИИП. Поэтому для каналов с хорошими условиями распространения сигнала разработаны два алгоритма ускорения вычислений за счет уменьшения точности.

Алгоритм №1 использует выявленное в процессе вычислений свойство промежуточных значений характеристических функций: эти значения образуют знакопеременный убывающий ряд относительно искомой вероятности. По признаку Лейбница - он сходящийся, а остаток имеет знак первого отбрасываемого члена и меньше его по абсолютному значению. Замеченное свойство позволяет ускорить расчет ВВО с заданной точностью. В частности, зависимость времени счета toт а при е = 10% (/=1) стала следующей:

/ = 0.07+ 9.381-Ю-6 • е0 79 " (5)

Существенно изменился в меньшую сторону постоянный член и на 21,5% уменьшился показатель экспоненты. С ростом п это приводит к существенному ускорению вычислений. Хотя в целом сложность задачи осталась экспоненциальной. Так, время счета вероятности 16-ти разрядного вектора ошибки, в котором одна единица, уменьшено до 3.26 секунд против 193 секунд в случае точного расчета. Учитывая, что остальные векторы (состоящие из большего числа единиц) считаются за время порядка 0,01+0.73 секунды каждый, заключаем, что общее время счета для использования алгоритма в рамках ВСИИП является приемлемым.

Алгоритм №2 использует другую замеченную закономерность: с увеличением числа ненулевых аргументов ХФ значения необходимых для расчета промежуточных слагаемых уменьшаются предположительно экспоненциально (рис.7а).

Кривые, построенные в логарифмическом масштабе (рис. 76), хорошо аппроксимируются полиномами второй степени. Предложено в процессе счета оценивать параметры параболы, аппроксимирующей кривые, подобные изображенным на рис. 76, по трем точкам; по полученным результатам вычислять необходимые для счета ВВО промежуточные слагаемые Этот алгоритм обеспечивает вычисление ВВО для каналов с хорошими условиями распространения сигнала с точностью до двух значащих знаков. При этом время счета во всех случаях постоянно и составляет 0.03 секунды. Точность и время счета проверены для векторов ошибок размерности до 16 включительно.

Число ненулевых аргументов ХФ Число ненулевых аргументов ХФ

а) б)

Рис. 7. Суммы значений ХФ в зависимости от числа ненулевых аргументов ХФ. Масштаб: а) линейный; б) логарифмический.

Замечено, что эти алгоритмы не применимы для каналов с плохими условиями связи (большими вероятностями ошибок). В этом случае зависимости значений сумм ХФ от числа ненулевых аргументов имеют экстремум (рис. 8).

Число ненулевых аргументов ХФ

Рис. 8. Суммы ХФ от числа ненулевых аргументов для каналов с плохими условиями распространения сигнала.

Вычисления производились для наиболее трудоемких векторов при различных длинах векторов ошибок л. Числа на линиях характеризуют длину векторов ошибок, для которых построены соответствующие кривые. Попытка аппроксимации кривых, изображенных на рис. 8, известными функциями оказалась безуспешной Исследованы свойства этих кривых и сформулирована задача отыскания кривой нового типа.

В подразделе 3.3 на базе алгоритмов и результатов, полученных в пп. 3.1-3.2, разработан комплекс программ для анализа цифрового канала

связи. В частности, для целей мониторинга ТП НТК необходима достоверность передачи информационного блока бит {к = 11) с вероятностью искажения не хуже 10"6 [Советов]. Для этого необходимо дополнительно использовать 31 проверочный символ, что позволяет исправлять до 10 ошибок, если используется линейный блочный код. При увеличении скорость передачи в два раза, понадобиться 47 контрольных разрядов, которые смогут исправить до 16 ошибок.

Этот комплекс стал частью базы моделирования ВСИИП.

В ЗАКЛЮЧЕНИИ перечислены основные результаты, полученные в диссертационной работе. А именно:

1. Разработана обобщенная модель информационного процесса, позволившая обозначить базовый перечень объектов, которыми оперируют инженеры НТК, обеспечивающие функционирование канальных модулей системы мониторинга ТП НТК. В ОМИП обозначены интеллектуальные компоненты и компоненты жизнеобеспечения.

2. Выявлены ограничения существующих средств проведения компьютерных экспериментов, затрудняющие их непосредственное использование специалистами НТК.

3. Разработана архитектура среды синтеза программного обеспечения (ВСИИП) для поддержки функционирования канальных модулей систем мониторинга технологических процессов. Создан макет этой среды.

4. Показано, что макет ВСИИП адекватен сформулированным требованиям. С его помощью решены две научно-технические задачи по передаче данных по КВ-каналу в системе мониторинга техпроцессов НТК.

5. Разработано (в составе ВСИИП) специальное математическое обеспечение, а именно:

- машиноориентированная методика определения исправляющей способности кода / и необходимого количества проверочных символов т. Методика использована при определении качественных характеристик цифрового канала связи;

- алгоритмы ускорения вычислений, понижающие сложность задачи определения вероятности вектора ошибки заданной конфигурации.

Результаты работы проанализированы, сделан вывод о достижении поставленной цели. Обозначена научная новизна результатов и сформулированы две гипотезы:

1. Зависимость сумм значений характеристических функций от числа ненулевых аргументов соответствующих ХФ при расчете вероятности вектора ошибки заданной конфигурации для каналов с плохими условиями распространения сигнала описывается цепной линией.

2. Для отображения динамических данных на компьютере пользователя необходима технология, основанная на протоколе XII.

Даны рекомендации по использованию полученных результатов.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Руденко М.В. Требования к инструментарию для создания компьютерных средств сопровождения учебного процесса // Матер, обл. науч.-метод. конф. «Информационные технологии в образовательном процессе» (Тюмень, 5 апр. 2002г.). - Тюмень: Изд-во «Вектор Бук», 2002. -С. 199-201.

2. Руденко М.В. Сравнительный анализ современных средств компьютерного моделирования информационных процессов // Вестник кибернетики. Вып. 1. - Тюмень: ИПОС СО РАН, 2002. - С.23-33.

3. Руденко М.В. Алгебра кронекеровских произведений в системе МАТЬАВ /М.В.Руденко, В.А. Шапцев // Тез. докл. III междунар. науч. конф. «Компьютерная математика в фундаментальных и прикладных исследованиях и образовании» (Минск, 24-28 сент. 2002г.). - Минск: БГУ,

2002. - С.54.

4. Руденко М.В. Архитектура виртуальной лаборатории «Информационные процессы» // Матер, регион, межвуз. науч.-метод. конф. «Роль информационных технологий в обучении: проблемы, перспективы, решения» (Тюмень, 28 марта 2003г.). - Тюмень: ТюмГНГУ,

2003. - С.103-105.

5. Руденко М.В. Тестирование знаний с помощью виртуальных лабораторий // Тр. IV междунар. науч.-техн. конф. «Компьютерное моделирование 2003» (СПб, 24-28 июня 2003г.). - СПб: Нестор, 2003. -С.457-458.

6. Руденко М.В. Информационные процессы как объект изучения в вузе нефтегазового профиля (исследование) / М.В. Руденко, В.А. Шапцев /I Матер, междунар. науч.-техн. конф. «Новые информационные технологии в нефтегазовой промышленности и энергетике» (Тюмень, 7-9 окт. 2003г.). - Тюмень: ТюмГНГУ, 2003. - С.54-56.

7. Руденко М.В. Виртуальная среда для исследования информационных процессов в НТК / М.В.Руденко, В.А. Шапцев // Тез. докл. регион, науч.-практич. конф. «Информационные технологии в образовании» (20 мая 2004г.) - Тюмень: ТюмГНГУ, 2004. - С.41.

8. Руденко М.В. Проблема вычислимости вероятности вектора ошибки в > задаче синтеза помехоустойчивого кодека / М.В. Руденко, В.А. Шапцев II

Вестник кибернетики. Вып. 3. - Тюмень: ИПОС СО РАН, 2004. - С 27-36.

0190

РНБ Русский фонд

2006-4 6138

Подписано к печати / Заказ

Формат 60x84 '/16 Отпечатано на RISO GR 3750

Бум. писч. №1 Уч. - изд. л. Усл. печ. л. Тираж "fPC- экз.

Издательство «Нефтегазовый университет»

Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тюменский государственный нефтегазовый университет» 625000, Тюмень, ул. Володарского, 38 Отдел оперативной полиграфии издательства «Нефтегазовый университет» 625039, Тюмень, ул. Киевская, 52

Обозначения и сокращения

ВВЕДЕНИЕ

1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Обобщенная модель информационного процесса

1.2. Классификация канальных модулей системы мониторинга ТП НГК

1.3. Обзор компьютерных средств для работы с моделями

1.3.1. Ограничения средств создания виртуальных лабораторий применительно к НГК

1.3.2. Ограничения пакетов моделирования

1.4. Формулирование базовых требований к новому средству 44 Основные выводы первого раздела ^

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВСИИП

2.1. От понятия «виртуальная лаборатория» к понятию «виртуальная среда»

2.2. Конкретизация проблемной области ВСИИП в контексте НГК

2.3. Сценарии взаимодействия с ВСИИП

2.3.1. Процессы создания и исследования моделей сложных объектов с позиций системного анализа

2.3.2. Процессы обучения

2.3.3. ВСИИП как часть инфосреды производства, науки и образования

2.3.4. Интеллектуальный диалог пользователя с ВСИИП

2.4. Архитектура ВСИИП

2.4.1. Физическая структура ВСИИП

2.4.2. Логическая структура ВСИИП

2.4.3. Функциональная структура ВСИИП

2.5. Макет ВСИИП

2.5.1. Взаимодействие продуктов, инструментария ВСИИП и ядра системы моделирования MATLAB

2.5.2. Структура html-файла интерфейса специалиста

2.5.3. Алгоритмы работы программы-обработчика клиентских запросов

2.6. Базовый сценарий работы специалиста во ВСИИП

2.7. Условия и факторы экономической эффективности применения ВСИИП на предприятии НГК

Актуальность темы. В НТК, несмотря на большое многообразие используемых при организации мониторинга техпроцессов сред распространения сигналов, каналообразующего оборудования, часть автоматических линий сбора данных отсутствует. Часто данные поступают на бумажном носителе, по факсу, телефону. В связи с этим имеют место проблемы: неполнота, недостоверность, запаздывание критичной оперативной информации; высокая роль человеческого фактора в принятии решений.

Ситуацию можно объяснить, в частности, ограниченностью квалификации специалистов соответствующих служб при решении задач выбора и настройки систем связи в процессе эксплуатации, обеспечения надежности и качества их работы. Не весь спектр задач, связанных с применением каналообразующей техники, специалисты НТК могут решать с одинаковой эффективностью. По результатам анализа (например, [80]) наблюдается слабое использование КВ-каналов для организации системы мониторинга распределенных техпроцессов. В тоже время имеются промышленные образцы датчиков с передающей аппаратурой, ориентированной на KB (например, в ОНИИП, г.Омск). Для их широкого использования нужна мобильная поддержка настройки (выбора параметров) каналообразующих модулей.

Сегодня эти задачи решаются в замедленном темпе: вызовом специалистов связи или многоэтапно, с использованием локально ориентированного и разрозненного математического обеспечения. Для улучшения ситуации необходим инструмент, позволяющий специалистам НТК самим «собирать» необходимое математическое обеспечение из совокупности доступных алгоритмов и моделей. Такой инструмент нужен как расширение функций АСУ верхнего уровня (систем типа SAP R/3) в сторону формирования компьютерной инфраструктуры поддержки деятельности специалистов по организации и обеспечению мониторинга техпроцессов в производственных комплексах НТК. Соответствующие специалисты - востребованы, а разработка инструмента поддержки их деятельности - актуальна.

Состояние проблемы. При проектировании математического обеспечения в мире укрепился принцип модульности. При этом в процессе создания программной системы определяется «множество элементов, необходимых и достаточных для решения требуемых задач .» [46]. Рассматриваемый нами процесс мониторинга - прежде всего процесс циркуляции данных в АСУТП НТК, т.е. информационный процесс (ИП) [75]. Поэтому множество элементов, на базе которого проектируется математическое обеспечение для канальных модулей систем мониторинга, является структурным подмножеством множества компонентов, охватываемых понятием «информационный процесс». При разработке инструмента поддержки синтеза необходимого математического обеспечения необходимо учитывать, как минимум: (а) современные представления о существе ИП в АСУТП НТК; (б) тенденции эволюции средств математического и компьютерного моделирования ИП; (в) тенденции интеллектуализации пользовательского интерфейса средств моделирования. а) Ранее особое внимание вопросу о структуре ИП в НТК не уделялось. Интенсивное же развитие информатики и средств связи вызывает динамику этого понятия. Мы наблюдаем его эволюцию от определений, данных С.А. Бешенковым, Е.А. Ракитиной, М.П. Лапчиком и др., к результатам, изложенным у Л.Ф. Куликовского и В.В. Мотова; Н.А. Кузнецова, В.А. Любецкого, А.В. Чернавского, А.Я. Фридланда. Однако в работах этих специалистов не затрагиваются особенности ИП в НТК. Их мы встречаем, например, у Б.Я. Советова и В.М. Стаха. Однако предстоит расширение декомпозиции ИП с учетом, в частности, появления интеллектуальных компонентов и средств жизнеобеспечения ИП. б) Вычислительная информатика стала действенным инструментом познания во всех сферах деятельности: создана фабрика машинного времени

29], доступны вычислительные ресурсы (кластеры, суперкомпьютеры и пр.) и моделирующие программы (MATLAB, Maple и др., библиотеки моделей на их основе). Однако вопросы: (1) «какой должна быть архитектура вычислительной системы, инструментальных и прикладных программных комплексов?» и (2) «как на существующем техническом и программном обеспечении решать большие задачи?», активно обсуждаемые, например, еще в коллективе академика Н.Н. Яненко (80-е гг. ХХ-го века), остаются открытыми до сих пор. Новые возможности вычислительной техники и потребности ИТ-отрасли (например, появились интерфейсы к универсальным средствам моделирования) заставляют искать новые ответы на старые вопросы, по меньшей мере, в рассматриваемой сфере «ИП НТК». в) Вопрос об интеллектуализации пользовательского интерфейса впервые поставлен в 1968г. Г.И. Марчуком и А.П. Ершовым. С тех пор утвердился подход к автоматизации программирования с помощью библиотек стандартных программ [43]. «С конца 70-х годов весьма стремительно развиваются и внедряются в практику интеллектуальные пакеты прикладных программ (ИППП)» [60]. Однако созданные программы ориентированы на получение конкретных прикладных результатов. Между тем уровень развития информационного общества и насыщенность отрасли информационными процессами и системами позволяет требовать от специалистов НТК самостоятельно конструировать (формировать) необходимые проблемно-ориентированные компьютерные инструменты решения производственных задач, касающихся канальных компонентов, в частности.

Целью диссертационного исследования является разработка компьютерного инструментария синтеза математического обеспечения для канальных модулей системы мониторинга ТП НТК, использующей среды передачи с переменным затуханием. Достижение цели возможно решением следующих задач:

1. Обосновать репрезентативное множество модулей, отображение которых в виде моделей создаст адекватную базу моделирования канальных компонентов системы мониторинга ТП НТК.

2. С учетом современного состояния информатики выработать критерий качества для оценки средств работы с полученным множеством модулей, учитывающий адекватные требования к проектируемому инструментарию в сфере НТК.

3. Разработать отвечающий выработанным требованиям компьютерный инструментарий, ориентированный на профессиональный уровень специалиста НТК.

4. Разработать на базе инструментария математическое обеспечение для анализа канального модуля, обеспечивающего заданное качество передачи данных по КВ-каналу в мониторинге техпроцессов НТК.

Методика исследования. Для решения перечисленных задач применены: аналитическое исследование публикаций; теоретические и технические основы информатики и АСУ ТП в НТК; системный анализ; численное и имитационное моделирование; теория связи, линейная алгебра, включая кронекеровскую алгебру матриц; программирование на языках java, javascript, actionscript и в среде MATLAB.

Публикации. По теме работы опубликовано 8 печатных работ [64-71].

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее результаты обсуждались: на международных конференциях в г. Минске (2002г.), г. Санкт-Петербурге (2003г.), г. Новосибирске (2003г.), г. Тюмени (2003г.); на региональных конференциях. Основные аспекты работы обсуждались на заседаниях научного семинара «Интеллектуальные информационные системы» ТюмГУ (Тюмень, 2003-2004 гг.), в СибГУТИ.

Основные выводы третьего раздела:

1. Выявлены актуальные в НТК области применения КВ-связи.

2. Показано, что разработанный инструментарий ВСИИП адекватен сформулированным требованиям: с его помощью получены научные результаты при решении научно-технических задач по передаче данных в системе мониторинга техпроцессов в НТК.

3. Впервые численно исследована экспоненциальная сложность алгоритма расчета вероятности вектора ошибки заданной конфигурации в канале с переменным параметром, основанного на методе характеристических функций.

4. Для каналов с хорошими условиями распространения сигнала предложены алгоритмы ускорения вычислений вероятности вектора ошибки за счет приемлемого уменьшения точности.

5. Скорректирована формулировка известной задачи отыскания уравнения цепной линии. Ее решение в новой постановке позволит ускорить вычисления вероятности вектора ошибки для каналов с плохими условиями распространения сигнала.

6. Предложен и программно реализован оригинальный подход, позволяющий определять исправляющую способность кода t и необходимое количество проверочных символов т линейного кода по известным: к - числу информационных разрядов, Q(C) ~ вероятности ошибочного приема сообщения и параметрам непрерывного канала.

7. Разработано математического обеспечение для имитации цифрового канала связи, позволяющее оценивать качество передачи данных по КВ-каналу с использованием циклического кодирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена вопросам разработки компьютерных средств, позволяющих специалистам НТК самостоятельно синтезировать математическое обеспечение для канальных компонент системы мониторинга техпроцессов НТК.

Ранее отсутствовала технология объединения моделей канальных компонент, созданных в различных средах моделирования, в одном проекте. Сами модели и ядра средств моделирования не являлись ресурсом инфосреды производства, науки и образования; ресурсом сети Интернет. Активный эксперимент с моделями производится также на базе средств создания виртуальных лабораторий, которые имеют ограничения, затрудняющие их использование специалистами НТК. Поэтому применение созданных моделей ограничено множеством кафедр, университетов, организаций.

Разработанный в работе подход объединяет ядра универсальных средств моделирования для решения пользовательских задач. Основной идеей при этом является то, что для пользователя важны его алгоритм, модель, математическое обеспечение, а то, где они будут физически прогоняться - не имеет значения. Функциональные возможности, реализующего эту идею инструментария - виртуальной среды для исследования (отображения) информационных процессов (ВСИИП) — являются как средством, так и предметом исследований.

В результате разработки и проведенных исследований в диссертационной работе получены следующие результаты: 1. Разработана обобщенная модель информационного процесса, позволившая обозначить базовый перечень объектов, которыми оперируют инженеры НТК, обеспечивающие функционирование канальных модулей системы мониторинга ТП НТК. В ОМИП обозначены интеллектуальные компоненты и компоненты жизнеобеспечения.

2. Выявлены ограничения существующих средств проведения компьютерных экспериментов, затрудняющие их непосредственное использование специалистами НГК.

3. Разработана архитектура среды синтеза программного обеспечения (ВСИИП) для поддержки функционирования канальных модулей систем мониторинга технологических процессов. Создан макет этой среды.

4. Показано, что инструментарий ВСИИП адекватен сформулированным требованиям (ему присущи требуемые свойства), а именно:

- полнота и расширяемость (непосредственно пользователем) базы моделирования гарантируется применением и наполнением ОМИП;

- доступность соответствующих средств разработки и исследования -гарантируется тем, что элементы ВСИИП, с которыми работает пользователь, доступны через web;

- доступность для многократного использования создаваемых и существующих моделей и алгоритмов также обеспечивается ВСИИП;

- точность расчетов является свойством используемых нами средств компьютерного моделирования (свойством системы MATLAB).

5. Разработано (в составе ВСИИП) специальное математическое обеспечение, способствующее решению двух научно-технических задач по передаче данных в системе мониторинга техпроцессов НГК. А именно:

- машиноориентированная методика определения исправляющей способности кода t и необходимого количества проверочных символов т. Методика использована при определении качественных характеристик цифрового канала связи;

- алгоритмы ускорения вычислений, понижающие сложность задачи определения вероятности вектора ошибки заданной конфигурации.

Кроме того, заключаем, что возможность разработки математического обеспечения для канальных компонент систем мониторинга ТП НГК подтверждается ' полученными с использованием инструментария ВСИИП научными результатами.

В то же время, не была реализована в полном объеме серверная часть ВСИИП. Точность спроектированных алгоритмов, ускоряющих расчет вероятности вектора ошибки заданной конфигурации, проверена для длин векторов не более 16. Для других векторов время счета значительно (экспоненциальная сложность!): получение точных значений их вероятностей требует специальных средств распараллеливания алгоритмов и счета с применением кластеров (суперкомпьютеров). Оставшиеся нерешенными задачи станут основой дальнейших исследований и разработок.

Научная новизна:

1. Предложена обобщенная модель информационного процесса как минимальное множество модулей-моделей, используемых при идентификации, анализе, исследовании канальных модулей системы мониторинга ТП НТК. В модели впервые отражены интеллектуальные компоненты и компоненты жизнеобеспечения ИП.

2. Впервые разработана архитектура сетевой технологии, обеспечивающей использование нового вида контента - моделей и алгоритмов компонентов информационного процесса - для организации решения прикладных задач при построении систем мониторинга ТП НТК.

3. Впервые программно реализована процедура совместного решения системы двух известных неравенств, использующая точное выражение для вероятности ошибочного приема блока символов и позволяющая определять характеристики помехоустойчивого кода по физическим параметрам канала связи с переменным параметром с учетом ограничений на качество передачи, характерных для НТК.

4. Впервые исследована сложность задачи вычисления вероятности двоичного вектора ошибки в канале с переменным параметром; предложены оригинальные алгоритмы, ускоряющие вычисления.

В диссертационном исследовании выдвинуты гипотезы: 1. Зависимость сумм значений характеристических функций (ХФ) от числа ненулевых аргументов соответствующих ХФ при расчете вероятности вектора ошибки заданной конфигурации для каналов с плохими условиями распространения сигнала описывается цепной линией.

2. Для отображения динамических данных на компьютере пользователя необходима технология, основанная на протоколе XII.

Практическая ценность. Разработанные на базе ВСИИП математические методы и алгоритмы могут быть использованы при проектировании и анализе линий связи со случайной структурой в комплексах автоматического мониторинга промысловых территорий.

Применение разработанного инструментария рекомендовано при организации единой инфосреды производства, науки и образования, в первую очередь, организациям, занимающимся исследованиями и разработками на базе готовых моделей-модулей. К их числу относятся научные и проектные организации НТК. Принято решение об использовании инструментария ВСИИП в ТюмГНГУ в виде центра коллективного пользования (Акт внедрения от 26 апреля 2005 года). Положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная обобщенная модель информационного процесса отражает современные представления о нем в теории связи, в информатике и системологии и позволяет дополнить базу моделирования канальных компонентов системы мониторинга ТП НТК интеллектуальными блоками и блоками жизнеобеспечения.

2. Разработанная и реализованная архитектура виртуальной сетевой среды на базе оп-Нпе-доступа к комплексу серверов, включая сервер MATLAB, обеспечивает эффективное построение канальных модулей систем мониторинга ТП НТК и использование специализированного программного обеспечения АСУТП, содержащего модели и алгоритмы компонентов информационных процессов.

3. Созданное программное обеспечение вычисления параметров кода, использующее точное выражение для вероятности ошибочного приема блока двоичных символов, позволяет получать результат непосредственно по заданным характеристикам физического коротковолнового канала связи и исходя из требуемого качества передачи технологических данных. 4. Разработанный и реализованный алгоритм вычисления вероятности появления двоичного вектора ошибок, уменьшающий количество суммируемых вероятностных характеристических функций Лапласа, позволяет, как минимум на порядок уменьшить сложность соответствующих расчетов при сохранении точности на уровне 90%.

1. Абдеев, Р.Ф. Философия информационной цивилизации Текст. / Р.Ф. Абдеев. М.: ВЛАДОС, 1994. - 336 с.

2. Абдуллаев, Д.АГ Передача дискретных сообщений в задачах и упражнениях Текст. : учеб. пособие для вузов / Д.А. Абдулаев, М.Н. Арипов. -М.: Радио и связь, 1985. 128 с.

3. Акимов, О.Е. Дискретная математика: логика, группы, графы Текст. / О.Е. Акимов. Изд. 2-е, доп. - М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001. -376 с.

4. Алтунин, А.Е. Нечеткие методы идентификации и управления процессами нефтегазодобычи Текст. : автореф. дис. . канд. тех. наук : 05.13.01 / А.Е. Алтунин. Тюмень, 2002. - 24 с.

5. Андронов, И.С. Многоканальные системы передачи сообщений Текст. / И.С. Андронов, Л.М. Финк. М.: Сов.радио, 1975. - 376 с.

6. Баскаков, С.И. Радиотехнические цепи и сигналы Текст. : учеб. для вузов по спец. «Радиотехника» / С.И. Баскаков. Изд. 3-е, перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 2000. - 462 с.

7. Бешенков, С.А. Моделирование и формализация. Методическое пособие Текст. / С.А. Бешенков, Е.А. Ракитина. М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2001.-336 с.

8. Блейхут, Р.Э. Теория и практика кодов, контролирующих ошибки Текст. / Э.Р. Блейхут ; перевод с англ. под ред. К.Ш. Зигангирова. М.: Мир, 1986.-576 с.

9. Большая Советская Энциклопедия Текст. Изд. 3-е. - М.: Сов. энциклопедия, 1970 - 1978.

10. Васильев, В.И. Системы связи Текст. : учеб. пособие для втузов / В.И. Васильев, А.П. Буркин, В.А. Свириденко. М.: Высш. шк., 1987. - 280 с.

11. Выгодский, М.Я. Справочник по высшей математике Текст. / М.Я. Выгодский. Изд. 12-е, стереотип. - М.: Наука, 1977. - 872 с.

12. Габидулин, Э.М. Кодирование в радиоэлектронике Текст. / Э.М. Габидулин, В.Б. Афанасьев. М.: Радио и связь, 1986. - 176 с.

13. Гарбузов, Б.В. Нелинейное моделирование информации Текст. /Б.В. Гарбузов // Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук: труды конф. (28-29 нояб. 2003 г.). Часть VII. - М., 2003. - С. 28.

14. Гарбузов, Б.В. Эффект нелинейной компрессии аудиоинформации: фундаментальные основания и подходы к реализации Текст. : дис. . канд. физ.-мат. наук / Б.В. Гарбузов. Долгопрудный, 2001. - 186 с.

15. Гогуадзе, Г.Я. Приборная техника в СКБ Текст. / Г.Я. Гогуадзе. // Разведка и охрана недр. 1996. - №9. - С. 11-14.

16. Горальски, В. Технологии ADSL и DSL Текст. / Вальтер Горальски ; перевод с англ. М. Кузьмин. М.: ЛОРИ, 2000. - 297 с.

17. Горячев, А.А. Каналы радиосвязи АСУ ТП Текст. / А.А. Горячев. М.: Связь, 1980. - 104 с.

18. Григорьев, И.М. Компьютерное моделирование физических приборов для лабораторного практикума Текст. / И.М. Григорьев, Г.С. Денисов,

19. А.Н. Климов и др. // матер, междуиар. иауч.-практ. коиф. «Новые информационные технологии в университетском образовании» (Новосибирск, 25-27 марта 1997г.). Новосибирск: НИИ МИОО НГУ, 1997.-С. 29-30.

20. Гусев, С. А. Краткий экскурс в историю промышленных сетей Текст. / С.А. Гусев // Современные технологии автоматизации. 2000. - №4. - С. 78-81.

21. Давыдов, Г.Б. Сети электросвязи Текст. / Г.Б. Давыдов и др. М.: Связь, 1977.-360 с.

22. Денисьева, О.М. Средства связи для «последней мили» Текст. / О.М. Денисьева, Д.Г. Мирошников Изд. 2-е. - М.: ЭКО-ТРЕНДС - НТЦ НАТЕКС, 1999.- 140 с.

23. Документация по Matlab Web Server Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.mathworks.com/access/helpdesk/help/toolbox/webserver.

24. Долгих, Е.В. Компьютерная поддержка принятия решений при планировании работы системы KB связи Текст. : автореф. дис. . канд. тех. наук : 05.13.01 / Е.В. Долгих. Омск, 2004. - 18 с.

25. Дружинин, В.В. Проблемы системологии. Проблемы теории сложных систем Текст. / В.В. Дружинин, Д.С. Конторов. М.: Сов. радио, 1976. -296 с.

26. Захарова, И.Г. Возможности информационных технологий в совершенствовании образовательного процесса высшей школы Текст. / И.Г. Захарова. Тюмень: ТюмГУ, 2002. - 176 с.

27. Ильин, В.П. Сибирская информатика : школы Г.И. Марчука, А.П. Ершова, Н.Н. Яненко Текст. / В.П. Ильин // История информатики в России. Ученые и их школы. М.: Наука, 2003. - С. 340-363.

28. Клиначев, Н.В. Обзор архитектурного построения программ математического моделирования динамических систем Электронный ресурс. / Н.В. Клиначев. Режим доступа: http://www.vissim.nm.ru/ simkernel.html.

29. Компьютерная инструментальная система конечного пользователя Stratum-2000 для проектирования и моделирования Текст. : учебный практикум. Пермь: ПГТУ, 1999. - 49 с.

30. Коржик, В.И. Помехоустойчивое кодирование дискретных сообщений в каналах со случайной структурой Текст. / В.И. Коржик, JI.M. Финк. М.: Связь, 1975.-272 с.

31. Кузнецов, Н.А. Информационное взаимодействие в технических и живых системах Текст. / Н.А. Кузнецов // Информационные процессы. -2001.-Том 1. -№1. — С. 1-9.

32. Куликовский, Л.Ф. Теоретические основы информационных процессов Текст. : учеб. пособие для вузов по спец. «Автоматизация и механизация процессов обработки и выдачи информации» / Л.Ф. Куликовский, В.В. Мотов. М.: Высш. шк., 1987. - 248 с.

33. Кутенева, И.В. Образовательные стандарты и инструментальные средства разработки курсов дистанционного обучения Текст. / И.В. Кутенева // Научный сервис в сети Интернет: тр. всерос. науч. конф. (Новороссийск, 2002г.). М.: МГУ, 2002. - С. 285-286.

34. Ламекин, В.Ф. Модемная связь Текст. / В.Ф. Ламекин. Ростов-на-Дону: Феникс, 1997. - 192 с.

35. Лапчик, М.П. Методика преподавания информатики Текст. : учеб. пособие для студ. пед. вузов / М.П. Лапчик, И.Г. Семакин, Е.К. Хеннер ; под общ. ред. М.П. Лапчика. М.: Академия, 2001. - 624 с.

36. Ли, В.Г. Дизайнерское оформление виртуальной лаборатории по курсу физики Текст. / В.Г. Ли // тр. IV междунар. науч.-техн. конф.

37. Компьютерное моделирование 2003» (СПб, 24-28 июня 2003г.). СПб: Нестор, 2003. - С. 444-447.

38. Липкин, И.А. Основы статистической техники, теории информации и кодирования Текст. / И.А. Липкин. М.: Сов. радио, 1978. - 240 с.

39. Любашин, А.Н. Промышленные сети Текст. / А.Н. Любашин // Мир компьютерной автоматизации. 1999. - №1. - С. 38-44.

40. Любашин, А.Н. О текущем состоянии противоборства промышленных технологий связи (fieldbus) Текст. / А.Н. Любашин // Мир компьютерной автоматизации. -2000. -№1. С. 32-33.

41. Макаров, А.А. АРМ исследования и проектирования систем передачи информации Текст. : учеб. пособие / А.А. Макаров. Новосибирск: СибГУТИ, 2001. - 80 с.

42. Макаров, А.А. Корректирующие коды в системах передачи информации Текст. : учеб. пособие / А.А. Макаров, Г.А. Чернецкий. Новосибирск: СибГУТИ, 2000.- 104 с.

43. Мамиконов, А.Г. Синтез оптимальных модульных систем обработки данных Текст. / А.Г. Мамиконов, В.В. Кульба. М.: Наука, 1986. - 280 с.

44. Мамонтов, Д.И. Платформа COURSEML Электронный ресурс. / Д.И. Мамонтов, М.В. Богатырев // тр. девятой конф. представителей регион, науч.-образов. сетей «RELARN-2002». Режим доступа: http://www.relarn. ru:8082/conf/conf2002/section4/404.html.

45. Механизмы деятельности мозга человека Текст. Ч. 1. Нейрофизиология человека / ред. Н.П. Бехтерева. JL: Наука, 1988. - 677 с.

46. Морозов, В.К. Основы теории информационных сетей Текст.: учеб. для студентов вузов спец. «Автоматизация и механизация процессов обработки и выдачи информации» / В.К. Морозов, А.В. Долганов. — М.: Высш. шк., 1987.-271 с.

47. Немов, Р.С. Психология Текст. : учеб. для студентов высш. пед. учеб. заведений. В 3 кн. Кн. 1. Общие основы психологии / Р.С. Немов. Изд. 2-е. - М.: Просвещение: ВЛАДОС, 1995.

48. Никифоровский, В.А. Великие математики Бернулли Текст. / В.А. Никифоровский. М.: Наука, 1984. - 180 с.

49. Орлова, Е.А. Я и другой (искусство общения) Текст. / Е.А. Орлова. -Тула.: Тульский гос. пед. ун-т им. Л.Н. Толстого, 1995. 48 с.

50. Осипов, Г.С. Приобретение знаний интеллектуальными системами. Основы теории и технологии Текст. / Г.С. Осипов. М.: Наука. Физматлит, 1997. - 112 с.

51. Очков, В.Ф. Mathcad: от графика к формуле, от расчета на компьютере к расчету в Интернет Текст. / В.Ф. Очков // Exponenta Pro. 2003. - №4. -С. 34-36.

52. Панов, С.А. Математические модели и программное обеспечение для исследования дискретных каналов с переменным параметром Текст. : дис. канд. техн. наук : 05.13.16 / С.А. Панов. Омск, 1989. - 162 с.

53. Перегудов, Ф.И. Введение в системный анализ Текст. : учеб. пособие для вузов / Ф.И. Перегудов, Ф.П. Тарасенко. М.: Высш. шк., 1989. - 367 с.

54. Питерсон, У. Коды, исправляющие ошибки Текст. / У. Питерсон, Э. Дж. Уэлдон ; пер. с англ. М.: Мир, 1976. - 600 с.

55. Полевые шины (полная коллекция ссылок) Электронный ресурс. -Режим доступа: http://simatic.nm.ru/buslinkfull.htm.

56. Поспелов, Д.А. История искусственного интеллекта до середины 80-х годов Текст. / Д.А. Поспелов // История информатики в России. Ученые и их школы. М.: Наука, 2003. - С. 407-430.

57. Психология Текст.: словарь. М.: Политиздат, 1990. - 494 с.

58. Романов, С.Е. «Заблуждения» или место цифровой ВЧ аппаратуры в сетях связи энергетиков Электронный ресурс. / С.Е. Романов. Режим доступа: http://telemex.by.ru/lib/doklad.rar.

59. Романовский, П.И. Ряды Фурье. Теория поля. Аналитические и специальные функции. Преобразование Лапласа Текст. : учеб. пособие для студентов втузов / П.И. Романовский. Изд. 2-е, доп. - М.: Физматлит, 1959. - 304 с.

60. Руденко, М.В. Тестирование знаний с помощью виртуальных лабораторий Текст. / М.В. Руденко // тр. IV междунар. науч.-техн. конф. «Компьютерной моделирование 2003» (СПб, 24-28 июня 2003г.). СПб: Нестор, 2003. - С. 457-458.

61. Руденко, М.В. Сравнительный анализ современных средств компьютерного моделирования информационных процессов Текст. /

62. М.В. Руденко // Вестник технической кибернетики. Тюмень: ИПОС СО РАН, 2002. - Вып. 1. - С. 23-33.

63. Руденко, М.В. Виртуальная среда для исследования информационных процессов в НГК Текст. / М.В. Руденко, В.А. Шапцев // тез. докл. регион, науч.-практич. конф. «Информационные технологии в образовании» (20 мая 2004г.) Тюмень: ТюмГНГУ, 2004. - С. 41.

64. Руденко, М.В. Проблема вычислимости вероятности вектора ошибки в задаче синтеза помехоустойчивого кодека Текст. / М.В. Руденко, В.А. Шапцев // Вестник технической кибернетики. Тюмень: ИПОС СО РАН, 2004. - Вып. 3.-С. 27-36.

65. Самойлов, А.Г. Наземная радиорелейная связь в милиметровом диапазоне. Возможности, проблемы, перспективы Текст. / А.Г. Самойлов // Техника и средства связи. 2002. - №3. - С. 8-10.

66. Сифоров, В.И. Информология и проблемы информационных сетей. Методологические аспекты и перспективы развития науки об информации Текст. / В.И. Сифоров // Информация и информационные сети. М.: Наука, 1977, С. 5-29.

67. Советов, Б.Я. Теория информации Текст. / Б.Я. Советов. JI.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1977. - 184 с.

68. Советов, Б.Я. Построение адаптивных систем передачи информации для автоматизированного управления Текст. / Б.Я. Советов, В.М. Стах. JL: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1982. - 120 с.

69. Советский энциклопедический словарь Текст. / пред. научно-редакционного совета A.M. Прохоров. М.: Сов. энциклопедия, 1981. -1600 с.

70. Соловов, А.В. Проектирование компьютерных систем учебного назначения Текст. : учеб. пособие / А.В. Соловов. Самара: СГАУ, 1995. -138 с.

71. Соловьев, И.Г. Проблемы информатизации государственного управления природными ресурсами и охраной окружающей среды Текст. / И.Г. Соловьев // Вестник технической кибернетики. Тюмень: ИПОС СО РАН, 2003. - Вып. 2. - С. 4-9.

72. Солсо, Р. Л. Когнитивная психология Текст. / Р. Л. Сол со ; пер. с англ. -М.: Тривола, 1996. 598 с.

73. Технология Mathcad Application Server (MAS) Электронный ресурс. -Режим доступа: http://www.mathcad.com/server.

74. Тутевич, В.Н. Телемеханика Текст. : учеб. пособие для студентов вузов спец. «Автоматика и телемеханика» / В.Н. Тутевич. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1985. - 423 с.

75. Уайндер, С. Справочник по технологиям и средствам связи Текст. / С. Уайндер ; пер. с англ. М.: Мир, 2000. - 429 с.

76. Урсул, А.Д. Проблема информации в современной науке. Философские очерки Текст. / А.Д. Урсул. М.: Наука, 1975.

77. Финк, Л.М. Теория передачи дискретных сообщений Текст. / Л.М. Финк. М.: Сов. радио, 1970. - 782 с.

78. Фридланд, А.Я. Информатика: процессы, системы, ресурсы Текст. /

79. A.Я. Фридланд. М.: БИНОМ. Лаборатория Знаний, 2003. - 232 с.

80. Фридланд, А.Я. Информационные и информатические процессы в информатике Текст. / А.Я. Фридланд // XII конференция-выставка «Информационные технологии в образовании» : сб. тр. уч-ов конф. -Часть II. М.: МИФИ, 2002, С. 77-78.

81. Чаронов, В.Я. Автоматизация управления работой нефтяных качалок средствами телемеханики по линиям электропередач как метод повышения эффективности разработки нефтяных месторождений Текст. /

82. B.Я. Чаронов, А.А. Гирфанов. // матер, межд. науч.-техн. конф. Том 2. -Тюмень: ТюмГНГУ, 2003. С. 96-97.

83. Чирков, Г. Модемы для многоканальной передачи данных по высоковольтным линиям Текст. / Г.Чирков, Ю. Чирков // Современные технологии автоматизации. 2000. - №2. - С. 66-69.

84. Шапцев, В.А. Информационная экология информационного общества Текст. / В.А. Шапцев // Информационная кампания по пропаганде экологических знаний в информационном обществе : матер, семинара -М., 2003.-С. 33-44.

85. Шапцев, В.А. Метод характеристических функций в анализе некогерентных систем передачи двоичных сигналов : Препринт №309 Текст. / В.А. Шапцев. Новосибирск, 1981. - 24 с. - В надзаг.: ВЦ СО АН СССР.

86. Шапцев, В.А. Метод характеристических функций в расчете распределения потока ошибок в каналах с замираниями и неопределенной фазой Текст. / В.А. Шапцев // Радиотехника. 1983. - № 9. - С. 56-58.

87. Шапцев, В.А. Некоторые результаты исследования конечномерных характеристических функций квадратичных форм : Препринт №375 Текст. / В.А. Шапцев. Новосибирск, 1982. - 30 с. - В надзаг.: ВЦ СО АН СССР.

88. Шеннон, Р. Имитационное моделирование систем искусство или наука Текст. / Р. Шеннон ; пер. с англ. под ред. Е.К. Масловского. - М.: Мир, 1978.-426 с.

89. Felser, М. The Fieldbus Standard: History and Structure Text. / M. Felser // Technology Leadership Day 2002, Organised by MICROSWISS Network, HTA Luzern, 10. Oktober 2002.

90. Iskam, V.J. Finite model of the channel with variable parameter white Gaussian noise : Preprint № 10 Text. / V.J. Iskam, V.V. Miasnikova, S.A. Panov, V.A. Shaptsev. Omsk, 1993. - 45 с. - В надзаг.: НИИ ИТиВМ СО АН СССР.

91. Sharable Content Object Reference Model (SCORM) 2004 Overview Electronic resource. Режим доступа: http://www.adlnet.org/screens/shares/ dspdisplayflle.cfm?fileid:=991.

92. Sharable Content Object Reference Model (SCORM) Content Aggregation Model (CAM) Version 1.3 Electronic resource. Режим доступа: http:// www.adlnet.org/screens/shares/dspdisplayflle.cfm?fileid=993.

93. ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

94. ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

95. В разработке средств создания виртуальных лабораторных работ для инженерных специальностей использованы:

96. Архитектура виртуальной среды для исследования/отображения информационных процессов (ВСИИП).

97. Алгоритм программы-обработчика клиентских запросов.

98. Сценарий работы специалиста в инструментарии исследователя ВСИИП.

99. Использование вышеуказанных результатов способствует:

100. Организации единой базы моделей, алгоритмов, включающую модели канальных модулей распределенных АСУТП.

101. Использованию в НГК опыта других областей науки, техники и хозяйствования.

102. Сокращению финансовых и временных затрат на использование специализированного математического обеспечения и вычислительных ресурсов (ядер средств моделирования).

103. По совокупности использованных полезных результатов принято решение об организации на базе ТюмГНГУ центра коллективного пользования ВСИИП.

104. Председатель комиссии Члены комиссии:

105. Р.Цибульский, ■д.т.н., проф., зав. кафедрой Технической кибернетики ТюмГНГУ1. О.Н.Кузяков,д.т.н., доцент, зав. кафедрой Кибернетических систем ТюмГНГУ1. В.И.Колесов,

106. K.T.H., доцент, проф. кафедры Кибернетических систем ТюмГНГУ, директор Центра дистанционного образования ТюмГНГУ