Анализ возможностей информационной системы для поиска оптимального маршрута в инженерных сетях

Анализ способов представления инженерных сетей в информационных системах

Начнём исследование с того, что определим, что же такое инженерные сети. Инженерные сети — это такие сети, которые осуществляют централизованное снабжение рассредоточенных потребителей электрической и тепловой энергией, топливом, водой или другими транспортируемыми продуктами [1].

Далее необходимо рассмотреть классификацию инженерных сетей, чтобы определить, какую именно разновидность инженерных сетей взять для исследования. Наиболее общей, является классификация по виду транспортируемого продукта и способу транспортировки [1]. В соответствии с ней ИС подразделяются на следующие виды:

• 1. Кабельные сети: электрические воздушные, электрические кабельные подземные, низкого/высокого напряжения, контактные сети, телефонные сети; сети передачи данных (электрические, оптоволоконные), телерадиосети.
• 2. Трубопроводные сети: водоснабжение (горячее, холодное), водоотведение (бытовая, ливневая, техническая канализация), теплоснабжение (с разными теплоносителями), газопроводные, нефтепроводные, продуктопроводные, вентиляционные, пневматические.
• 3. Дорожные сети: автомобильные и рельсовые дороги, метрополитен, фуникулер и т. д.

В результате для исследования были взяты электрические сети передачи данных, конкретнее — компьютерные сети. Компьютерная сеть — система связи компьютеров или вычислительного оборудования (серверы, маршрутизаторы и другое оборудование). Синонимом понятия «компьютерная сеть» является понятие «вычислительная сеть», поэтому далее они будут использоваться для обозначения одной и той же сущности. Одним из преимуществ таких сетей в контексте нахождения оптимального пути до места неисправности является сравнительно лёгкое определение наличия неисправности и его логического места в сети (например, в сравнении с водопроводной сетью).

Для того чтобы представить инженерные сети в памяти компьютера, необходимо сначала определить наиболее подходящий в данном конкретном случае способ представления.

Очевидно, что для решения задач моделирования инженерных сетей удобно использовать представление сети в виде графа. В ходе решения задач моделирования граф может использоваться либо непосредственно как основа для решения, либо как промежуточное представление, по которому строятся системы уравнений или иные математические модели. В данном исследовании граф будет использоваться непосредственно как основа для решения. Использование представления в виде графа позволяет учитывать такое важное свойство сети, как топология [1]. Топология (в контексте инженерных сетей) — способ описания конфигурации сети, схема расположения и соединения сетевых устройств. Кроме того, такое представление сети позволяет анализировать её методами теории графов [2], такими как алгоритм Дейкстры, жадные алгоритмы и т. п.

Также для моделирования инженерных сетей можно использовать сети Петри [3]. Такой способ представления является частным случаем способа представления с помощью графа, так как сеть Петри является двудольным ориентированным мультиграфом. Для моделирования используются иерархические раскрашенные Сети Петри (СП) с временным механизмом, где цвет (тип меток) соответствует типу трафика. Метки могут быть двух типов — «сообщения» и «служебные маркеры», означающие факт занятости ресурса (какого-либо устройства) обработкой меток-«сообщений». Количество меток в позициях соответствует состоянию сети, переходы изменяют это состояние, перемещая метки в другие позиции. Каждый сетевой объект (рабочая станция, канал передачи, коммуникационное устройство) моделируется как подсеть Петри.

Определение СП при этом можно представить в следующем виде:

.

где P — множество позиций; T — множество переходов; D — множество дуг; TR — множество типов трафика; TR (p) — множество типов меток, которые могут находиться в позиции р; m (tr, p) — метка типа tr, находящаяся в позиции р.

Для дальнейшей работы нужно разъяснить, что же будем понимать под понятием «оптимальный маршрут». В данном случае оптимальным будет считаться тот путь, который является кратчайшим среди всех путей, имеющих то же начало и конец.

В данном исследовании для представления инженерной, а именно — компьютерной сети, был выбран неориентированный граф. Более сложные типы графа (те же сети Петри) использовать не имеет смысла, так как они позволяют проводить моделирование сети не только в пространстве, но и во времени, а это в данном случае не требуется. Цель представления системы в виде сети Петри и последующего анализа этой сети состоит в получении важной информации о структуре и динамическом поведении моделируемой системы и возможности моделирования работы программного обеспечения для рассматриваемой системы [6]. Те же сети Петри предназначены больше для имитационного моделирования. Для решения поставленной цели нужно смоделировать сеть исключительно в пространственном измерении, а динамическое поведение системы неважно. Существующие или вновь добавляемые сетевые устройства рассматриваются как вершины, а соединяющие их линии связи — как рёбра.

Кроме того, для нахождения кратчайшего пути необходим ещё один граф, так как кратчайший путь между устройствами не всегда совпадает с линией связи между этими устройствами. Этот граф будет отображать пути возможного прохода людей в помещении.