автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.11, диссертация на тему:Системы управления временными базами данных для решения задач обработки информации в автоматизированных системах управления распределенными объектами

. Ор

^ §

¿о ^

О, Пл правах рукописи

КОЛЬЧУГИНА Елена Анатольевна

СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВРЕМЕННЫМИ БАЗАМИ ДАННЫХ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ОБРАБОТКИ ~ ИНФОРМАЦИИ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ОБЪЕКТАМИ

Специальность 05.13.11 — Математическое н программное обеспечение вычислительных машин, комплексов, систем

н сетей

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 1998

Работа вьшолнёна в Пензенском государственном университете.

Научный руководитель: д. т. п., профессор Линьков В. М.

Научный консультант: к. т. п., доцент Шашков Б. Д.

Официальные оппоненты:

д. т. н., профессор МГТУ им. Баумана Марков А. А.;

ж. т. н., доцент ПГУ Убиенных Г. Ф.

Ведущая организация: Государственное 'научно-производственное предприятие «Рубни» (г. Пенза).

Защита состоится «А-у> 1993 г>) в .часов,

на заседании диссертационного совета Д 063.18.02 в Пензенском государственном университете по адресу: 440017, г. Пенза, ул. Красная, 40, ПГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного университета.

Автореферат разослан а ^ 1998 г.

Ученый секретарь . ^ /

диссертациошюго совета / й^С^^у Шашков Б. Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В настоящее время в народном хозяйстве имеется множество технических систем, обладавших свойствами сложности, больной территориальной протяженности и распределенности. К таким системам, в частности, могут быть отнесены сети ЭВМ, городские тепловые или электрические сети.

Решение задачи автоматизации управления подобными системами требуот разработки моделей, отражающих диначнку поведения модели-руоьзй системы с учетом ее пространственно-временных свойств. При это!;) для ряда современных автоматизированных систем управления, в коуоиви ведущап роль в управлении к принятии решения принадлежит человеку, особую актуальность приобретает моделирование с использованием ЭВМ, в частности информационное моделирование ка основе баз данных (БД) и систем управления базами данных (СУБД). Таким образом, возникает потребность в методах проектирования системного программного обеспечения для организации обработки и хранения информации о значениях параметров моделируемой системы.

Ввиду высокой сложности моделируемых систем информационные модели могут оказаться единственным сродством описания их поведения во времени. Эти модели необходимы таюзее как основа для прог ноза позеленил системы в будущем или проведения имитационного моделирования, если эксперименты с самой моделируемой системой опасны или дорогостоящи. Несмотря на кзяущуюся простоту информационных моделей, единых принципов их построения но выработано.

Информационное моделирование динамических систем с последействием на базе совокупности БД-СУБД означает непрерывное пополнение БД данными о текущем состоянии моделируемого объекта; котооое выражается через значения характеристических параметров, .а затем выполнение посредством СУБД различных операций над. этими данными. Допустимые конструкции даннш и набор операций определяются модель» данных, принципы которой реализует конкретная СУБД. Таким образом, зозмоясности и свойства информационной модели зависят от модели данных.

3 настоящее время практически повсеместное распространение получили реляционные СУБД. Это объясняется в первую очередь удоб- . ной и наглядной формой представления отношений в виде двумерных таблиц. Набор операций над реляционными отношениями включает в

себя теоретико-множественные и специальные рапяционные операции, смысл которых очевиден. Вместе с тем с точки зрения применения для моделирования поведения сложных систем с последействием реляционная модель обладает рядом недостатков концептуального и технологического свойства.

Концептуальные недостатки реляционной модели проявляются в неадекватности свойств информационной модели свойствам моделируемых процессов. Причина в том, что реляционная модель изначально не предназначалась для моделирования существования объектов предметной области во времени, то есть отображения частой смены сос--тояний объектов. При использовании реляционной СУБД модель любого процесса будет представлять собой последовательность отдельных мгновенных скачков, которые в лучшем случае можно рассматривать как ступенчатую функцию, в то время как большинство реальных процессов являются аналоговыми и непрерывными по времени.

Технологические трудности при использовании реляционной модели вызваны необходимость» непрерывно пополнять БД новой информацией с цель» актуализации. В результате объем БД имеет тенденцию неограниченно возрастать, при этом скорость доступа к данным снижается. Указанные недостатки присущи не только реляционной мо-• дели данных, но и другим традиционным моделям.

Выделенные недостатки концептуального и технологического характера убедительно говорят о необходимости разработки новых моделей данных, специально предназначенных для моделирования процессов. По своим свойствам эти модели должны быть близки к временным моделям данных. . Теория временных моделей данных сложилась как научное направление еще в 70-е годы. Однако имеющиеся временные модели не предназначены для представления и обработки данных при управлении сложными объектами или процессами и не ликвидируют отмеченные ранее недостатки реляционной модели. Следовательно, актуальной задачей- является разработка концепции временной проблемно-ориентированной модели данных, в которой бы отсутствовали отмененные недостатки, а также реализация соответствующей СУБД.

Предметом исследования является представление и манипулиро-, вание временной информации в БД систем сбора, обработки и управления данными, применяемых в управлении сложными распределенными системными объектами.

Цель диссертационной работы состоит в разработке временной

4

модели дачных, предназначенной для решения задач обработки данных о распределенных объектах, а также разработке методов проектирования информационного и системного программного. обеспечения (СУБД) на основе предложенной модели данных.

При этом модель должна обеспечивать:

- адекватность представления в БД реальных процессов, бсль-елнетво из которых является аналоговыми и непрерывными по времени;

- Еирский спектр математических операций для исследования временных рядов;

- удобное обозначение шлагтов времени, а также гозмсжность поддерживать различные систем отсчета времени;

- компактное описание поведения моделируемого объекта при неухудшенин полноты этого описания:

Реализация цели исследования потребует также специальных решений в области структуры программного обеспечения систем управления данными (СУД), способов представления данных в БД, реализации операций над данными.

Для достижения поставленной целя в работе решаются следующие основные задачи:

- разработка структуры информационной модели распределенного системного объекта;

- разработка способов представления временных отношений и набора основных операций над отношениями;

- разработка классификации временных последовательностей и операций над последовательностями;

- разработка временной модели данных;

- разработка общей структуры СУД: г'

- разработка языков описания (ЯОД) и манипулирования данными (ЯМД);

- программная реализация СУБД на основе предложенной модели:

- разработка методики расчета коэффициента сжатия для определения уменьшения объема ЕД при переходе к непрерывному динами- . ческому способу представления временных функций.

Методы исследования базируются на использовании алгебры, общей теории систем, классической и временной логики, имитационного моделирования на ЭВМ систем массового обслуживания.

Научная новизна работы состоит в развитии теоретических ос-

5

нов решения задач проектирования и организации системного программного и информационного обеспечения систем сбора и обработки информации, предназначенных для управления сложными системными объектами, в том числе:

- в предложенной структуре информационной модели распределенного системного объекта;

- в разработке модели данных, ориентированной на решение задач обработки информации о текущем состоянии и эволюции сложных распределенных систем; в предложенной модели данных для компактного представления информации используются кусочно-непрерывные полиномиальные временные функции;

- в разработке языков описания и манипулирования данными;

- в предложенной структуре систем управления временными данными;

- в предложенной методике расчета коэффициента сжатия данных.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

- структура информационной модели распределенного системного объекта;

- модель данных, то есть способы представления временных отношений, набор операций над отношениями и ограничения целостнос-• ти;

- общая структура СУД на основе временной модели данных и методы проектирования СУД;

- методика расчета коэффициента сжатия для определения уменьшения объема БД при переходе к непрерывному динамическому способу представления временных отношений.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- созданное программное обеспечение (СУД) позволяет обеспечить организацию эффективного хранения и манипулирования временными- данными, значительно расширить список математических операций над данными; . •

- предложенная структура СУД на базе многопроцессорной вычислительной системы (ВС) повысит производительность обработки данных за счет- распределения отношений по временному признаку - и . распараллеливанию массовых операций над данными;

- методика расчета коэффициента сжатия позволяет сопоставлять различные ; методы образования полиномиальных функций с целью выбора наиболее оптимального метода с точки зрения уменьшения объема.ЕД. .6

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследования внедрены в НИИ ЛИТ (НИИ измерений, автоматизации и информационных технологий, г. Пенза), а также в филиале Тепловые сети' ОАО Пензаэнерго (г. Пенза).

Апробация работы. Основные результаты проведенных исследований докладывались и получили одобрение на Международной конференции "Новые информационные технологии и системы" (г. Пенза, 1994 г.), II Международной конференции "Новые информационные технологии и системы" (г. Пенза, 1996 г.), научно-практическом семинаре "Применение баз данных" (г. Пенза, 1997 г.), Московской международной телекоммуникационной конференции студентов и молодых ученых (г. Москва. 1998 г.).

Структура и объем работы. . Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка,литературы из 89'наименований и двух приложений. Работа содержит 156 страниц машинописного текста, 9 рисунков. 1 таблицу, 10 страниц библиографии, 18 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражены актуальность темы, цели и задачи диссертации, новизна и практическая ценность полученных результатов, структура диссертации и положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматривается роль и место БД в современных автоматизированных системах управления производственными процессами (АСУПП), рассматриваются различные концепции БД, формулируются и обосновываются цель и задачи диссертационного исследования. .. ■ • ■

Проведенный анализ структуры автоматизированых систем управления позволил установить, что БД являются неотъемлимой частью современных сйстем управления. При этом в случае управления объектами с последействием необходимо обеспечить хранение в БД последовательности информационных образов состояний объекта за определенный период времени.

Известные подходы к организации БД можно подразделить на традиционные и нетрадиционные. Среди традиционных БД наиболее распространены реляционные, реализованные на основе принципов реляционной модели данных.

К преимуществах! реляционных БД можно отнести простоту в освоении и использовании, наглядность представления данных, возможно обеспечена защиты данных. Тем не менее реляционные БД и СУБД неэффективны при решении ряда проблем, возникающих при решении задач обработки данных в АСУПП. Возникающие проблем можно подразделить на технологические и концептуальные.

Технологические проблемы связаны с невозможностью достичь приемлимого сочетания объема хранящейся информации и скорости доступа к ней.

Концептуальные проблемы являются следствием неадекватности средств отражения реальных процессов в БД сущности моделируемых процессов. В рамках реляционной модели предполагается, что набор атрибутов и выделенные отношения устойчивы во времени. Меняться могут только значения атрибутов конкретной сущности или количество сущностей. Считается, что изменения состояний сущностей происходят редко и мгновенно, изменение состояния влечет изменение (корректировку) значений атрибутов, возможно ограничиться простейшими средствами отражения категории времени в БД.

Однако цель, которую преследует применение БД АСУПП, состоит в моделировании непрерывно протекающих процессов. При зтом сведений о последовательности сменяющих друг друга состояний не достаточно, требуется исследовать закономерности переходов из состояния в.состояние. Реляционная модель в ее классическом виде такой возможности не предоставляет.

Анализ публикаций позволяет сделать вывод, что на сегодняшний день более успешными являются альтернативные проблемно-ориентированные концепции БД, а не универсальные (традиционные). В качестве таких концепций можно рассматривать концепции, связанные с интеллектуализацией БД, активные БД, а таете динамические базы данных (ДБД), в которых информация на внутреннем уровне представляется в виде полиномиальных, или генерирующих функций (Г©).

Близкой к семантике решаемых в АСУПП задач обработки данных является концепция временных БД. Рассматриваемые в рамках данного направления БД предназначена для 'отображения эволюции 'объектов реального мира, в ходе которой изменяется количество и состояния Объектов. При этой обеспечивается хранение информации, описывающей состояние предметной области не только в текущий момент вре-

8

меня, но и в прошлом. Возможно, что в БД хранятся данные о таких объектах и свойствах, которых ужо более но существует. Однако, несмотря- на ориентацию на представление эволюции предметной области, известные временные модели представляют собой скорее результат включения достижений временной логики в реляционную модель данных и не предназначается для управления данными в условиях реального времени.

Таким образом, в настоящее время отсутствует единая концеп-, ция БД АСУПП, свободная от технологических и концептуальных недостатков. С другой стороны, потребность в таких концепциях и моделях данных существует и отмечается различными исследователями; Поэтому актуальна задача разработки временных моделей данных для применения в АСУПП, а также задача программной реализации соответствующих СУБД . Это и является целью настоящего исследования.

За основу разрабатываемой модели данных' предлагается взять реляционную модель. При этом в модели предлагается на внешнем уровне осуществить поддержку двух способов представления времени (в виде моментов и временных интервалов), и двух способов представления информации о моделируемых реальных объектах (в виде отдельных значений характеристичеких параметров и полиномиальных функций). В ДБД также осуществляется сочетание указанных способов представления информации, однако временные интервалы и полиномиальные функции использовались толвко на внутреннем уровне. Таким образом, ГФ были 'недоступны пользователю для манипулирования. Между тем перенос ГФ и временных интервалов на внешний уровень позволит пользователю БД получить значительно больше информации о моделируемых реальных процессах, а также -ввести дополнительные математические операции над данными;

Во второй главе предложена структура информационной модели динамической системы с распределенной.информацией, а также модель данных.

Проводится анализ свойств объектов, поведение которых предполагается моделировать в БД.

Системой с распределенной информацией называется сложный системный распределенный объект, для которого верно, что ни в одной точке пространства системы нельзя получить полной и достоверной информации о ее текущем состоянии в других точках. Распределенность информации непосредственно связана с проявлением свойства

9

системности, а также пространственными и временными свойствами объекта. В отношении свойств систем с распределенной информацией вводятся два упрощающих предположения. В качестве первого упрощающего предположения принимается, что система, а также образующие ее элементы, связи и подсистемы неподвижны в пространстве. Второе упрощение предполагает, что каждый распределенный пара-метр можно условно рассматривать как конечное множество сосредоточенных параметров.

Изучение поведения объекта с распределенной информацией связано с построением и анализом различных описаний исследуемого объекта, или его моделей. В ряде, случаев сложность исследуемого объекта такова, что описание его поведения возможно только с помощью информационных моделей.

В дальнейшем будут использоваться следующие обозначения:

- R - множество всех дойстгительных чисел,

- Zq+- множество целых неотрицательных чисел,

- R4 - векторное пространство размерности q, в качестве значений координат выступают действительные числа,

- Ri - структура данных (конструкция), представляющая дискретную временную функцию;

- Rjструктура данных (конструкция), представляющая кусочно-непрерывную временную функцию;

- Dom(At) - домен (множество значений) для ki ;

- 1в(ф) - образ ф.

Структуру информационной модели, основанной на результатах наблюдения за динамической системой, будем рассматривать как тройку Бида:

Е = (Т.А.Ф) .

где Т - множество моментов времени, моделируемое некоторым множеством чисел, на.котором задано отношение строгого порядка "<", А - множество атрибутов (параметров) системы, Ф - множество временных функций.

Йножество к включает в себя п имен атрибутов, характеризующих состояние динамической системы. При этом не делается различий ыеаду, входными и выходными параметрами,. а также параметрах»! внутреннего состояния. Для'каждого At определена его область допустимых значений являющаяся подмножеством R.

Множество Ф включает в себя отдельные временные функции :

• 10

Ф? : Т -> V? . 1ш(Ф?)= V? - 9 Х^ , V? С К4.

Символ $ обозначает размерность вектора, получаемого в- результате применения временной функции к Т .

Установлено, что полное и безызбыточное описание поведения ыоделирунмого объекта может быть выполнено в виде множества функций, результаты которых принадлежат'векторному пространству размерности 1.

ф - (<р})?:5 = £«>,>?:$,

<Р4: Т — > X., или ф, : Т — > V,, V, =Х,.

Лс&ая другая временная Функция может быть сконструирована с-помощью операции произведения на основе выделенного множества функций • *

Ф?: Т —> Шф^) х 1и(ф12) х... х 1ш(ф1ч),

- (Фл .. ..ч»1ч(Ъ)}. ч 6 2Гп.

Множество А можно представить как состоящее из двух непересекающихся подмножеств

А ={Ап)"}:о и (А*22-п1 - "-п1 € ¿От.

где А,{ - множество параметров, значения которых получаются путем прямых измерений;

А, 2 - множество параметров, значения которых получаются косвенно, исходя из значений Аи.

В свп)о очередь, Ф тоже можно представить как объединение не- ■ пересекающихся подмножеств:

* - Сфц>?1:о И <«Р?2>?^П1 •

Функции первого из выделенных подмножеств Ф описывают результаты прямых, измерений, а значениям функций из подмножества {ф*2})2-п1 соответствуют результаты косвенных измерений. Получение результатов косвенных измерений означает выполнение вычислений в соответствии с заданными зависимостями между значениями параметров. Введем множество таких зависимостей:

Г= { _

: —->-Х?2> 12 £ п1.п-1 , 13

<2 с В? <2 = £ Хк С ШотЦцПи^ и ШопцА?г)>"г!П1 • к=1

Таким образом, временная функция из множества {ф*г^?г-п1 жет быть определена как

Ф1гШ-*,8 <ф,Ш. .... <МШ. 126п1.п-1 . Ф,а)€Ф.

Рассмотрим способ описания распределенных параметров в данной модели. Второе упрощающее предположение позволяет рассматривать распределенный параметр как совокупность вида

А* - Ц,)?.,.

где Aj! - сосредоточенный параметр.

Изменение распределенного параметра во времени описывается временной функцией

—> Оот(А31) * ... * Ооа(А]ч), (О - .....*1Ч<Ш.

где ^, (I) - функция, описывающая состояние сосредоточенного параметра.

(<•) - функция, вычисляющая состояние распределенного

параметра..

Переход от информационной модели к временной модели данных означает отображение всех составляющих Е на более приближенном к ЭВМ концептуальном датологическом уровне. Основным назначением модели данных является задание правил такого отображения.

Задать временнуа модель данных означает определить три основных составляющих:

- - иночество допустимых конструкций, или структур данных, представляющих временные функции;

- множество ограничений целостности; множество операций над данными.

Б предлагаемой модели данных поддерживается два основных ти-, па допустимых конструкций. Первый тип конструкций адекватен для 'представления дискретных Еременных функций. второй предназначен для представления кусочно-непрерызкых временных функций, заданных

12

на некотором временна,! интервале. Наиболее типичными представителями конструкций данных* предлагаемой модели являются бинарные конструкции вида:

R, = i <t.x> ! х € Xi , t € Т }, а также Ri ' * {«t„.tK>. <р,К» itH, tK Е Т,р Е Zo + > К=(К] !kj € R

где {t„, tK) - интервал, на котором определена подфункция, К - множество коэффициентов подфункции при степенях t.

Для представления подфункций интервалов времени б модель бы пи ввепены специальные абстрактные типы данйых.

В состав набора операций модели зходят операцки следуюза групп:

а) классический набор реляционных операций;

б) операции преобразования отношений из одного представления в другое:

R,' - CF (R, . F„, ГЦ.Ц».

Rt - D? (Rj(tj) )»

где.[1я,0 - интервал. на котором задана представляемая R,'

временная функция,

(t,} - множество временных дискретов, область определения временной Функции, соответствующей R(;

Fm - Функция преобразования R, в Р,';

в) операции вычисления производных и первообразных функций:

R2 * = Derivative ( Rj' ).

R2' = Integral ( Rj' ),

где R2', Rj' - конструкции, представлявшие кусочно-непрерывные временные функции;

г) арифметические операции (сложения и умножения):

йз'-йг+йг'.

R3'=Ri'*R2\

Rjj'-Ri'+ffl.

R2 • = R;1« га,

аналоги данных опеоаций над конструкциями данных, представляющими дискретные временные функции, были введены и рассмотрены в работах д. т.н. Линькозг В. М.;

д) операцки вычисления значений элементарных функций ст н-зв-ременных атрибутов :

Ru - a (R,) = { < t, d(x) >1 <t,x> 6 R, }, где a - символ математической функции из множества (sqr.sqrt. In, le, exp, sin, cos, tg, ctg, aresin, arceos, arctg, . arcctg);

e) операция возведения в степень:

• R]i = pow(R¡,a) = { < t, xa >1 <t,x> £R„ a€R). ■

s) специальная форма операции присваивания, позволяющая вычислять значения атрибута в соответствии с заданной формулой, в состав которой входят переменные, принимающие значения из полей кортежей отношения;

з) операции вычисления агрегатных функций при условии истинности заданной формулы:

1) суммирование значений невреаенного атрибута;

2) вычисление среднего значения для невременного атрибута;

3) вычисление максимального значения для невременного атрибута;

4) вычисление минимального значения для невременного атрибута.

Помимо множества допустимых конструкций данных и набора операций, модель данных должна задавать ряд ограничений целостности. Наиболее существенны следующие ограничения :

- любое временное отношение однородно по времени; то есть имеет один временной атрибут, общий для всего кортежа;

- отношение не может содержать двух кортежей с одинаковым значением временного атрибута.

Предложено использовать для обозначения временных координат действительные числа, или эпохи. Эпохи удобнее использовать с точки зрения задач анализа периодичности и синхронности происходящих в системе событий, отражения единиц измерения времени, тактов между отдельными измерениями. По сравнению с датами эпохи более удобны при описании процессов, протекающих очень медленно (геология) или очень быстро (атомная энергетика). Перейти от эпох к датам легко, поскольку дата 7 это особая форма записи эпохи.

Сбор информации о моделируемой системе предполагает выполнение измерений в разных точках пространства системы. Измерения выполняются в общем случае асинхронно, для параметров с различной физической природой они могут выполняться с разными тактами. Поэтому получение целостного однородного по времени информационного

14

образа состояния системы является нетривиальной задачей. Для решение данной задачи необходимо дополнительно ввести в модель данных операции над временными атрибутами отношений, то есть множествами моментов времени. Еще одним практическим приложением для операций данной группы моает стать задача формирование временных аргументов операций СР и ПР.

Г третьей главе с целью выработки требований к временным типам данных, правил представления этих типов и набора операций над проченными данными рассматриваются понятия временной скалы событий, временной последовательности, вводятся классификация временных 1 -икал событий и глслсдсзателькостсй, а тгкяе операции нал временными последовательностями.

Во временных БД для описания эволюции предметной области рассматривается понятие события. Далее понятие события будет интерпретироваться именно как действие (простое или составное), выполненное субъектом управления с целью оценки состояния объекта управления и получения информационного образа этого состояния. То есть измерение рассматривается как действие по формированию данных.

Пусть Е1 - некоторое множество событий, связанных с оценкой значения параметра 1. Будем считать, что все события из этого множества нетождественны друг другу, то есть в Е, нет двух событий одинаковой природы, произошедших одновременно в одном и том же месте. Информационный образ события формируется на основе функций:

Ц : Е; —> X,,

Ф,:Е, — >Т4.

где X, - область значений параметра,

Т, - упорядоченное множество временных координат (моментов времени).

Назначение отображения ,М1 состоит в количественной оценке события, а ф, - в его датировании. Отображение называется временной шкалой событий.

Информационные образы событий, хранящиеся в БД, представлены в виде временных функций :

Ф,:Т, —> V

Однако благодаря взаимосвязи отображений М,, ф! монно гово-

рить о неявном представлении шкап событий в информационной моце-

15

ли. Изменения множества Т, влекут изменения ц>,, М, и ф, . Поэтому операции над временными шкалами, выполняемые в информационной модели, означают изменение атрибутов временных отношении.

Набор операций, выполняемых над шкалами событий и временными последовательностями, обусловлен качественными характеристиками временной шкалы событий и теми отношениями между событиями, вторые сохраняет и численно выражает временная последовательность. Выше были выделены такие отношения: "раньше-позже". Но эти отно-. шения проявляют себя достаточно многообразно. С целью выделения множества проявлений указанных отношений была проведена классификации временных шкал событий. В соответствии с этой классификацией, временные шкалы событий подразделяются на классы по следующим • свойствам:

- по отражению метрического и топологического аспектов времени;

- по признаку зафиксированное™ начала отсчета;

. - по признаку моделирования времени как дискретного или непрерывного;

- по наличию ограничений (отсутствие ограничений, ограничения в отношении будущего, прошлого, и будущего, и прошлого);

- по свойствам системы отсчета (единицы измерения времени и положение начала отсчета, а также полнота охвата множества событий, произошедших в моделируемой системе).

Введение этой классификации преследовало своей целью создание проблемного языка, в рамках которого могут быть сформулированы различные прикладные задачи.

Однако, даже если временные шкалы событий принадлежат одному классу и имеют одни и те же качественные характеристики, степень проявления этих характеристик может оказаться . различной. Помимо введенной классификации необходимо было выделить количественные характеристики временных последовательностей.

К наиболее важным количественным характеристикам временной последовательности Т"можно отнести следующие:

- мощность Т;

- начальная' и конечная эпохи Т;

-' смещение начала отсчета данной временной шкалы событий относительно общего начала отсчета, выраженное в основной для данной информационной модели единице измерения времени;

16

- коэффициент отношения выбранной единицы.измерения времени к основной единице;

- длина временного интервала, охватываемого последовательностью моментов времени.

Ранее было указано на необходимость дополнения подели данных операциями, позволяющими сопоставлять множества моментов времени, то 0СТ1- временные последовательности, или строить такие т'-ялст-м. Пгэтску п модель данных были введены операции над арсалькиыми пэслсдх-ат^ьнистями. К основным операциям над временными последовательностями относятся:

е) теоретчко-множественные операции (объединение, пересечение, рае::ссть, еккмртричная разность);

б) преобразования временных последовательностей с целью перехода от непрерывного представления времени к дискретному и наоборот;

в) операции определения порядка следования событий;

г) арифметические операции:

1) операции сложения всех элементов временной последовательности со скалярной ветчиной и умножения на скаляр;

2) операции перехода к другому началу отсчета и другой единице измерения времени, сопровождаемые выполнением операций сложения или умножения над всеми элементами временной последовательности (так называемые безопасные преобразования);

д) операции определения коэффиципнтов сдвига и мастшабирова-нн.я по известным временно« последовательностям;

с) предикат, проверяющий, может ли быть получена временная последовательность Тг из временной последовательности Т} путем безопасного преобразования;

ж) операции дискретизации и редискретизации, рассмотренные в работах Д. А. Поспелова;

з) операция вычисления коэффициента дискретизации для двух заданных временных последовательностей.

Б четвертой главе предложена структура временных СУД на базе однопроцессорных и многопроцессорных ВС, описана временная. СУБД Т1Ва£е, предложена методика расчета коэффициента сжатия для определения уменьшения объема БД при использовании того или иного метода постороения кусочно-непрерывных временных Функций на оегс?с выборочных.

В состав СУД на основе временной модели данных предлагается включить следующие основные элементы:

- совокупность временных отношений;

- процессор входного языка и визуализации результатов;

- интерпретатор команд, а также интерпретатор арифметических и логических выражений, входящий в состав интерпретатора комчд и предназначенный для вычисления результатов косвенных измерений;

- система словарей-справочников данных, необходимая для управления метаданными, которые обеспечивают правильную интерпретацию отношений и элементов данных;

- коммуникационное программное обеспечение;

- программы ведения системных журналов, фиксирующие все изменения, которым подвергалась БД;

- системные и настроечные таблицы;

- архив потерявших оперативную ценность данных и программы управления архивом.

Данная структура СУД была реализована в ходе работ по созданию автоматизированного рабочего места Системы диспечерского управления Пензенскими тепловыми сетями (АРМ СДУ ПТС).

Рассмотренный вариант структуры СУД может быть реализован как для однопроцессорных, так и для многопроцессорных ВС. Во втором случае производительность СУД монет быть повышена при распределении отношений БД и задач их обработки между группой функционально и структурно однородных процессоров. На языке GPSS была реализована имитационная модель, позволяющая определить необходимое количество процессорных элементов при заданных характеристиках потока данных, поступающего в СУД.

Примером программной реализации СУД на основе временной модели данных, рассмотренной в настоящем исследовании, является СУБД TiBase, версия 1.0. ЯМД TiBase вполне сопоставим с ЯМД таких известных СУБД, как dBase, FoxPro, Clipper. Предложенный способ реализации ЯМД позволяет использовать СУБД разработчикам АРМ верхних уровней АСУПП, вызывая TiBase как подпроцесс. .

TiBase поддерживает дачные следующих основных типов:

- эпоха;

- интервал времени;

- число с плавающей точкой; полином (формула, подфункция ГФ);

18

- строка символов.

Такие типы данных, как эпохи, числа с плавающей точкой, интервалы времени, подфункции необходимы для представления результатов измерений во времени и образования рассмотренных ранее основных конструкций модели. Строки символов являются вспомогательным типом, необходимым для качественного представления состояний или хранения пояснительного текста. В TiBase имеется ряд прооСр?.-зований, благодаря которым возможны взаимные преобразования >«ржду числами с плавающей течкой и полиномам нулевой степени, эпох«.!« и временными интервалами. Помимо указанных преобразований, ЯмД TiBase пзлдсргипаст все рассмотренные в настоящем исследовании операции над временными отношениями и временными последовательностями.

При реализации операции CF предложенной модели данных было проведено сравнение различных методов построения ГФ, а также предложена методика расчета коэффициента сжатия данных. Результаты исследования свидетельствуют о том, что возможно обеспечить сжатие данных при переходе к конструкциям типа "интервал времени- подфункция".

В приложениях приводятся документы, подтверждающие внедрение результатов диссертационной работы, а также имитационная модель временной СУД на базе многопроцессорной ВС, выполненная на языке GPSS,. и результаты моделирования.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

. Разработана структура информационной модели распределенного системного объекта.

2. Разработана временная модель данных, предназначенная построения информационных моделей сложных системных распределенных сб-чэктов. В модели реализуется адекватное представление информации о реальных процессах, над описана чми процессов вогноапо выполнять ряд специфических математических операции, не характерных для большинства моделей данных, но необходимых при регенчч задач управления, а также имеются предпосылки снижения объема отводимой для БД памяти при неухудшении полноты описания процессов.

19

3. На основе исследования множества возможных свойств временных шкал и временных.последовательностей предложены методы реализации описания временных данных в БД.

4. Разработан набор операций над временными последовательностями, обеспечивающий решение задач обработки и анализа информации о распределенных объектах.

5. Разработана общая структура СУД на основе временной модели данных и методы их проектирования. Основные элементы предложенной структуры были реализованы при разработке АРМ диспетчера СДУ ПТС.

6. На основе временной модели данных, предложенной в настоящей работе, создана СУБД TiBase. Показано, что с помощью ЙМД дачной СУБД можно решать задачи как традиционные для реляционных СУБД, так и специфические задачи хранения и обработки данных в АСУПП, для которых реляционные СУБД не подходят.

7. Предложен вариант реализации временной СУД на базе многопроцессорной ВС. На языке GPSS была реализована имитационная модель, позволяющая определить минимальное необходимое количество процессорных элементов при заданных характеристиках потока данных, поступающего в СУД.

8. Предложена методика расчета коэффициента сжатия БД. Результаты сопоставления объемных характеристик БД с различной организацией подтверждают возможность обеспечения реального сжатия данных при представлении в БД кусочно-непрерывных временных функций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

1. Кольчугина Е. А. Моделирование категории времени в базах данных систем управления объектами с распределенными параметрами// Специальная техника средств связи: Научно-технический сборник. Серия "Системы, сети и технические средства конфиденциальной связи". - Пенза: ПНИЭИ, 1995,- Выл. 1-2. - С. 87-103. ' .

2. Кольчугина Е. А. Информационное моделирование сложных динамических систем// .Специальная техника средств - связи: Научно-технический сборник. Серия "Системы, сети и технические средства конфиденциальной связи",- Пенза: ПНИЭИ, 1995.- Вып. 1-2. -С. 108-118.

3. Кольчугина Е. А. Вопросы обработки данных в система,-; управления распределенными объектами //Математика и информатика: Межвузовский сборник.- Пенза: ПГПУ им. В.Г. Белинского/ 1396.-С.85-91.

4. Kolc'nugena Е. A. On the application of ti~c data base? in automated control rystems to distributed objects nodel¡пру/ Новые информационные технологии и систсиы: Материалы II международной конференции, - Пенза: ПГТУ, 1996. - Ч. ! - С. 88.

5. Кольчугина Е. А. Модели данных для отображения звыдации систем с оаспоеда.-.<.нной информацией// Применение баз данных: Сб. материалов научно-практического семинара. - Пенза: ПЛо, 1057. С. 13-14.

6. Кольчугина Е. А. Вопросы структурной организации систем управления временными данными// Применение баз данных: Сб. материалов научно-практического семинара. - Пенза: ПДЗ, 1997,- С.15.

7. Кольчугина Е. А. Информационное моделирование сложных динамических систем с помощью баз данных// Применение баз данных: Сб. материалов научно-практического семинара. - Пенза: ПДЗ, 1997. -С. 15-16.

8. Кольчугина Е. А. Методы представления временных отношений/ Пензенский гос. техн. ун-т." Пенза, 1997,- 11 е.: ил. -Бибд;;-огр. 6 назв. - Дел. в ВИНИТИ 17.07.97 N2"438-B97.

9. Кольчугина Е. А. Применение временных баз данных для решения задач автоматизации управления динамическими системами// Сборник научных трудов, - в 11 ч. - М.: МИФИ, 1998. - Ч.9.- Конференция студентов и молодых ученых. Компьютерные науки. Информационные технологии.- С. 45-46.

10. Еслчихин В. И., Гсрбаченко В. И., Линьков Б. М. , Кольчугина Е.А. Информационная поддержка задач автоматизации управления распределенными системами // Новые информационные технологии и системы: Материалы докладов международной конференции. - Пенза: ПГТУ, 1994,- С. 64.

И. Горбаченко 3.И., Линьков В. М., Дрождин В.В., Кольчуги-на Е.А. Организация вычислений в системах сбора и обработки информации о распределенных объектах/'/ Вычислительная техника в автоматизированных системах контороля и управления: Межвуз. сб. науч. тр. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. техн. ун-та, 1996. - Вып. 24.-С. 33-39. ■ • Мл^^

21