автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Сетевые методы и модели распределенных автоматизированных систем

■?Г'"С о

úvL зШ^ЩЪ

ученую > : ^i^ KXCXÍ Ci'M /......

JA

Llt

-г—

/ ... ; САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ВОДНЫХ КОММУНИКАЦИЙ

На правах рукописи

Истомин Евгений Петрович

Сетевые методы и модели распределения автоматизированных систем

Специальность 05.13.06 Автоматизированные системы управления

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 1998

Оглавление

стр

Введение....................................................................................................................................................................................4

Глава 1. Модели распределенных автоматизированных систем........................................8

1.1. Сети обмена информацией в распределенных АСУ................................................................8

1.2. Особенности широкополосных сетей интегрального обслуживания......................16

1.3. Анализ задач моделирования при системном проектировании ИС..........................21

1.4. Модельное обеспечение структурно-функционального анализа при проектировании ИС..............................................................................................................................................25

1.4.1. Аналитическое моделирование СОИ............................................................................................26

1.4.2. Им, итационное моделирование сетей..........................................................................................32

Выводы по главе...................................................................................................................................38

Глава 2. Концептуальные модели предметной области сетевых систем........................40

2.1. Структурные модели распределенных организационно-административных систем..................................................................................................................................................................................40

2.2. Построение распределенной информационной архитектуры баз данных............53

2.3. Концепция коллектива динамических систем..............................................................................64

2.3.1. Условия стабилизации коллектива сети..........................................................................................68

2.3.2. Связи и динамика..............................................................................................................73

2.4. Хорошие и плохие коллективные сети..................................................................................................76

2.4.1. Модель с произвольными связями и произвольными интенсивностями............79

2.4.2. Модель с произвольными связями при одинаковых интенсивностях..................88

2.4.3. Модель сети - неориентированный граф........................................................................................93

Выводы по главе................................................................................................................................................95 ^

Глава 3. Сетевые модели транспортного комплекса..........................................................................97

3.1. Системное представление транспортного комплекса..............................................................97

3.2. Граф-модель подсистем транспортного комплекса...........................................109

3.3. Математические модели транспортной сети как основа управления........................118

Выводы по главе................................................................................................132

Глава 4. Методологические основы и прикладные аспекты теории экстремальных

значений в сетевых системах......................................................................................................................................134

4.1. Метод экстремальных значений (ЕУТ)....................................................................................................134

4.1.1. Приближение распределения максимальных значений независимых и

одинаково распределенных случайных величин....................................................................135

4.1.2. Критерий принадлежности функции распределения к экспоненциальному

классу............................................................................................................................................................................139

4.1.3. Оценка параметров метода экстремального значения..........................................................143

4.2. Прикладные аспекты метода экстремальных значений............................................................143

4.2.1. Оценка точности метода экстремальных значений..................................................................143

4.2.2. Расширение метода экстремального значения для оценки распределений

дискретных случайных величин..............................................................................................................152

4.2.3. Расширение метода ЕУТ для описания коррелированных непрерывных

случайных величин............................................................................................................156

4.3. Аналитико-статистический метод расчета малых вероятностей потерь

в буфереконечной емкости........................................................................................................................161

4.3.1. Модель процесса потерь в буферном накопителе конечной емкости....................161

4.3.2. Определение независимых периодов регенерации..................................................................167

4.3.3. Аналитико-статистическая оценка вероятности потерь в буфере

конечной емкости....................................................................................................................................................168

4.3.4. Методика расчета вероятности потерь в КБ......................................................................................171

4.3.5. Экспериментальное оценивание вероятностей превышения

конечной емкости буфера................................................................................................................................173

Выводы по главе......................................................................................................................................................177

Глава 5. Математическая модель оценивания технического состояния

распределенной системы в двумерном пространстве............................................................179

5.1. Оценивание функционала Т(х,, х2 ) для независимых и функционально

зависимых параметров........................................................................................................................................180

5.1.1. Случай независимых процессов....................................................................................................................182

5.1.2. Функционально зависимые процессы....................................................................................................184

5.2. Решение задачи оценки функционала Т(х,, х2 ) для случая р е (ОД)..........................185

5.3. Приближенная оценка функционала Т(х,, х2 ) в задачах индивидуального

отбора элементов сети по двум техническим параметрам................................................195

Выводы по главе......................................................................................................................................................200

Глава 6. Статистическое оценивание функциональной надежности

распределенной системы и моделирование сетевых процессов..................................201

6.1. Статистическое оценивание связности сети..........................................................................................201

6.1.1. Задача расчета надежности структурно-сложных систем......................................................201

6.1.2. Концепция ускорения статистического моделирования при оценивании

связности сети............................................................................................................................................................204

6.1.3. Оценивание вероятности потери связности сети..........................................................................206

6.2. Оценивание функциональной надежности сети................................................................................212

6.2.1. Маршрутизация в больших информационных сетях................................................................213

6.2.2. Концепция моделирования процесса установления соединения....................................216

6.2.3. Модель процесса установления соединения......................................................................................218

6.2.4. Аналитико-статистический расчет оценки вероятности установления

(неустановления) соединения на сети...............-....................................................................220

6.3. Расслоенное моделирование информационной сети....................................................................228

6.3.1. Расслоенный отбор при имитационном моделирование сети. Декомпозиция

сети................................................................................................................................228

6.3.2. Назначение рангов УК и КС. Выбор порога существенностей связей......................232

6.3.3. Алгоритм двухступенчатой декомпозиции сети и точность оценок

исследуемых характеристик....................................................................................................236

6.3.4. Тестовый пример........................................................................................................................................................240

Выводы по главе......................................................................................................................................................244

Заключение...................................................................................................................................................246

Литература.....................................................................................................................................................................251

Введение

Актуальность проблемы. Характерной особенностью современного научно-технического и общественного прогресса является интенсивный обмен информацией между различными компонентами социальной системы, между системой и внешней средой. Информационный обмен оказывается непременным условием работоспособности любого управления. В полной мере проблема обеспечения обмена информацией стоит и при создании автоматизированных систем управления (АСУ).

Эффективность функционирования АСУ любого уровня в значительной степени зависит от использования вычислительной техники на всех стадиях сбора и обработки информации, необходимой для нахождения оптимальных плановых решений и управления общественным производством. Стремление исключить информационные перебои и обеспечить прямой, непосредственный доступ пользователей к вычислительным и информационным ресурсам, создание вычислительных и информационных ресурсов коллективного пользования, децентрализация управления, постоянный и неизменный рост источников и потребителей информации, увеличение расстояния между ними, повышение требований к оперативности и качеству доставки информации при непрерывном увеличении ее объемов привели к появлению новых методов и принципов использования ЭВМ в АСУ, а именно к системной и сетевой телеобработке информации и, в конечном итоге, к распределенным автоматизированным системам обработки информации и управления.

Современные автоматизированные системы обработки информации и управления (АСОИУ) очень многочисленны и разнообразны как по своему назначению, так и по технической реализации.

Практически любая АСОИУ имеет все признаки большой системы, а это значит, что она состоит, в частности, из большого числа элементов', и, если расстояния между элементами таковы,- что возникает задача использования специальных средств передачи информации между ними, то АСОИУ приобретают специфику территориально - рассредоточенных автоматизированных систем, то есть систем, элементы которых распределены в пространстве. Такие системы коротко называют распределенными автоматизированными системами (РАС).

В структуре и характере функционирования РАС просматривается большая общность с информационно- вычислительными сетями (ИВС).

В качестве ядра как РАС так и ИВС используются сети обмена информацией, которые не только обеспечивают информационное взаимодействие объектов, но и по существу объединяют РАС и ИКС в единое целое как в структурном, так и в функциональном отношении. И РАС и ИВС представляют собой развивающуюся отрасль автоматизированной сетевой

технологии процессов ввода, передачи, распределения, обработки и выдачи информации и являются разновидностями информационных сетей (ИС). Это позволяет при описании РАС опираться на хорошо разработанные, во многом стандартизированные принципы организации ПС и достаточно устоявшуюся терминологию.

В прикладном плане многие объекты и комплексы управления представляют собой рассредоточенные и распределенные системы. Если взять основные отрасли страны: энергетическую и нефтеперерабатывающую, транспортную, а также городское хозяйство, административные структуры регионов и т.п., то они, несомненно, представляют собой сложные сетевые системы распределенного характера, управление которыми должно осуществлять распределенные системы автоматизированного управления (РАСУ).

При создании подобных систем управления на первый план выходят вопросы формализованного описания и идентификации РАС (как объектов предметной области) в условиях стохастичности и неопределенности для качественной и надежной передачи и приема информации с определением работоспособности распределенной системы управления.

В связи с этим целью диссертационной работы является разработка методических основ, моделей и методов построения информационных распределительных автоматизированных систем управления сложными сетевыми комплексами (транспортными, административными, хозяйственными и т.п.) для принятия эффективных управляющих решений, обеспечивающих с точки зрения надежности на основе имитационного моделирования достижение поставленных целей в условиях стохастичности.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Разработка структурной модели распределенной организационно-административной системы, с многопрограммной информационной сетью с инструментальным обеспечением (техническим и системным модулями).

2. Разработка концептуальной модели распределенной сетевой системы в виде коллектива динамических систем, представляющего собой конечный набор объектов и структуру связи между ними.

3. Разработка системной модели транспортного комплекса с ее формальным представлением в виде центрированной граф-модели и стохастической математической модели, описывающих статику и динамику комплекса.

4. Разработка методологических основ метода экстремальных значений (ЕУТ) с оценкой параметров метода и его точных характеристик, используемого для определения информационной надежности сетевых систем.

5. Разработка математической модели оценивания технического состояния распределенной системы в многомерном пространстве для целей предсказания характеристик надежности сети.

6. Разработка процедуры статистического оценивания функциональной надежности распределенной системы и имитационное моделирование сетевых процессов.

Методы исследования. Общетеоретической базой проводимого исследования служат методы системного анализа, теории вероятностей, теории идентификации стохастических процессов, теории сетей, теории экстремальных значений, теории надежности и имитационного моделирования.

Научная новизна результатов исследования состоит в следующем.

1. Предложена иерархическая сетевая модель управления крупного региона с разработкой информационного обеспечения (в виде основных социально-административных программ, автоматизированной системы управления рабочих мест - АРМов, соединенных в интегральную сетевую систему) и программного продукта для РАС (в виде системных модулей).

2. Обоснована разработанная концепция представления распределенной системы в виде коллектива - сети динамических систем с рассмотрением понятия равновесного состояния коллектива сети и формулировки Положений, полностью описывающих возможные ситуации.

3. Разработана системная модель транспортного комплекса, дополненная центрированной граф-моделью и стохастическими математическими моделями, которые в достаточной степени описывают процесс функционирования комплекса в статической и динамической ситуации.

4. Предложены теоретические положения методологии применения метода экстремальных значений (Е\Т) для определения информационной надежности сетевых систем с точки зрения потерь пакетов в буферном накопителе.

5. Разработана математическая модель оценки вероятностных характеристик технического состояния сетевых элементов в двумерном пространстве для прогнозирования, функционирования работоспособности для независимых, функционально зависимых и коррелированных переменных.

6. Изложены разработанные основы статистического определения показателей функционирования надежности РАС с оцениванием надежности связности сети на основе расслоенного отбора и моделирования сетевой системы.

Практическая значимость. Диссертационная работа выполнена в рамках важнейших НИР в соответствии с целевой региональной программой «АСУ Регион» и всероссийской

программой «Транспорт России», с отраслевыми программами «Системы экологической безопасности» и «Региональные системы управления», проводимые с 1991 по 1998 год.

Практическая ценность результатов, полученных в работе, заключается в том, что созданы методология и инструментарий для проектирования и разработки высокоэффективных РАСУ организационно-административных, транспортных и т.п. комплексов в условиях стохастичности и повышенных требований надежности.

По результатам проведенных исследований под руководством и непосредственном участии автора разработан комплекс моделей, алгоритмов и программ, предназначенных для решения управления упомянутыми системами, оценки технического состояния и прогнозирования сетевых элементов, идентификации характеристик надежности и имитационного моделирования в условиях стохастичности.

Результаты работы нашли внедрение в различных организациях и предприятиях региона.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались, обсуждались и были одобрены на IV, V, VI Санкт-Петербургских международных конференциях «Региональная информатика - 95, 96, 98» (г. Санкт- Петербург, 1995, 1996, 1998 гг.); международной научно-технической конференции «J AWE'94 - Quality of electrotechnical Products» ( 29- 30 сентября 1994 г., Люблин, Польша); международных научно-технической конференции «ТРАНСКОМ» - 94, 97 (1994, 1997 г. г. Санкт-Петербург); научно-методических конференциях - НМК-98 (г. Санкт-Пе�