Мобильные распределенные базы данных автоматизированных информационно-управляющих систем МЧС России

Одной из важнейших функций государства является реализация системы мер, обеспечивающих безопасность страны, защиту граждан и территории от различных кризисов и угроз.

В «Концепции национальной безопасности Российской Федерации» отмечается «.необходимы новый подход к организации и ведению гражданской обороны на территории Российской Федерации, качественное совершенствование единой государственной системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций .» [1]. ,.

Одним из направлений реализации такого подхода является создание комплексных систем реагирования на кризисы, которые в состоянии обеспечить выполнение следующих единых международных и национальных требований [2]:

1) наблюдение, анализ и оценка риска возможной чрезвычайной ситуации (ЧС);

2) наличие единой информационной системы, гарантирующей ситуационную компетентность в реальном масштабе времени;

3) точное распределение обязанностей всех уровней управления;

4) эффективное использование всех доступных ресурсов.

Имеющийся международный опыт показывает наличие у ряда государств стремления к созданию общего информационного пространства для предупреждения и ликвидации последствий природных и техногенных бедствий. Возможности формирования единого информационного пространства в чрезвычайных ситуациях во многом базируются на использовании современных информационно-телекоммуникационных технологий,^гибком сочетании традиционных и новых методов сбора, обработки, анализа и обобщения информации для осуществления управления. Осуществление управления в кризисных ситуациях обеспечивается широким внедрением программноаналитических средств обработки информации, наличием современных средств обеспечения безопасности информации в сочетании с открытостью и достоверностью информации баз данных, сценарийным подходом, открытостью каналов связи [2].

В соответствии с Федеральным Законом «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера» [3] органы управления, силы и средства, предназначенные для защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, объединяет единая государственная система предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций (РСЧС).

Согласно Указу Президента Российской Федерации «Вопросы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий» МЧС России осуществляет «.управление в установленном порядке единой государственной системой предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций» [4].

Одной из основных задач РСЧС является «.сбор, обработка, обмен и выдача информации в области защиты населения и территорий от ЧС» [2].

В связи с этим произошли кардинальные изменения в управлении силами и средствами МЧС. Информатизация мероприятий повседневной деятельности и операций при ликвидации чрезвычайных ситуаций приобрела статус решающего фактора.

Информационное обслуживание пользователей — должностных лиц органов управления МЧС России — осуществляется на основе концепции баз данных (БД) [5−18]. С переходом к сетевым технологиям начали развиваться распределенные базы данных (РБД) [19−28]. При их создании и применении стремятся к обеспечению эффективного обслуживания пользователей, работающих в различных точках пространства, а именно, к своевременному и полному удовлетворению потребности в информации.

Внедряемые в практику работы органов управления МЧС автоматизированные информационно-управляющие системы (АИУС) на основе РБД обладают повышенной устойчивостью и оперативностью. Однако большинство современных РБД строится в расчете на стабильную структуру сети и постоянное размещение пользователей [21,23,29,30]. Такое допущение облегчает решение задач построения РБД и оптимизации выполнения запросов к ним. В то же время динамика повседневной работы органов управления и их действий в критических условиях предполагает как штатное, так и внезапное изменение структуры системы управления и ее информационной инфраструктуры.

В этом случае применение традиционной методологии построения и управления РБД не гарантирует успешного выполнения запросов к базе данных, что незамедлительно приведет к снижению эффективности управления силами и средствами МЧС в автоматизированном режиме.

Таким образом, возникает противоречие между потребностями должностных лиц в оперативном, полном, достоверном и безопасном обеспечении информацией в динамически изменяющихся условиях обстановки, с одной стороны, и ограниченными возможностями существующей технологии РБД, с другой стороны, что порождает проблему организации мобильных распределенных баз данных (МРБД). Эти базы данных будут наделены способностью к динамической реструктуризации в целях своевременного и полного удовлетворения запросов от всех категорий пользователей, включая и подвижных, в условиях нестабильности структуры системы управления и, следовательно, ее информационной инфраструктуры.

Разработка и использование МРБД, позволит повысить оперативность и устойчивость информационного процесса и усовершенствовать технологию решения задач управления силами и средствами МЧС. При этом предполагается, что гарантированно будут обеспечены, с одной стороны, сохранение целостной логической структуры РБД, а с другой стороны, — реструктуризация базы данных на физическом уровне в интересах оптимального выполнения запросов.

Таким образом, проблема организации МРБД является одной из основополагающих проблем, решаемых при комплексной информатизации МЧС России.

В настоящее время уместно вести речь о прочном становлении технологии БД, которая имеет под собой солидный теоретический фундамент. Значительный вклад в развитие общей теории баз данных, внесли зарубежные исследователи Дж. Мартин {Martin J.), К. Дейт {Date С.), Э. Кодд {CoddE. Дж. Ульман {UllmanJ.), Д. Цикритзис {Tsichritzis D.), С. Чери {Ceri S.) и др. Среди отечественных специалистов в области БД следует отметить Мамико-нова А.Г., Калиниченко Б. О., Цегелика Г. Г., Галатенко В. А., Ладыженского Г. М., Кузнецова С. Д., Сахарова С. С. Представителями Санкт-Петербургской научной школы информационных систем и баз данных по праву считают Артамонова B.C., Яшина А. И., СаенкоИ.Б., КотенкоИ.В., Лычагина Н. И., Ломако С. Г. и других.

Несмотря на внушительный научный задел в указанной области исследований, методологические основы решения проблемы реструктуризации РБД в настоящее время не разработаны и находятся в стадии становления. Тем не менее, для создания таких основ сложились объективные предпосылки, к числу которых следует отнести:

1) формирование общей концепции единого информационно-функционального пространства органов управления МЧС России [31];

2) наличие обширного арсенала" средств и технологий, обеспечивающих работу мобильных пользователей в информационно-телекоммуникационных сетях [32−34];

3) разработку и доведение до практической реализации механизмов отображения и синхронизации данных, таких как репликация [35−38];

4) разработку и публикацию отечественными и зарубежными учеными методов организации РБД, которые могут найти отражение в общей методологии МРБД [5−30,39−46]. и.

В совокупности это определяет актуальность темы настоящего диссертационного исследования.

Цель диссертационной работы состоит в разрешении противоречия между потребностями должностных лиц органов управления МЧС в своевременном получении информации в динамически изменяющейся обстановке, с одной стороны, и ограниченными возможностями существующей технологии РБД, с другой стороны, и обеспечении повышения эффективности использования информационного обеспечения АИУС МЧС.

Для достижения поставленной цели в работе решена научная проблема, заключающаяся в разработке концепции мобильных распределенных баз данных, а также моделей и методов их организации, как основы методологии структурных трансформаций МРБД при изменении условий функционирования.

Решение сформулированной научной проблемы описывается в шести разделах и пяти приложениях диссертационной работы.

В первом разделе осуществлен анализ проблемы организации нового класса баз данных для АИУС МЧС России — мобильных распределенных баз дан- - v ных. Для этого проведено исследование информационной структуры системы управления МЧС (на примере Северо-Западного региона), выявлены структурные и функциональные особенности АИУС, показана необходимость реализации информационного обеспечения на основе РБД, рассмотрены стратегии размещения РБД в сетевой структуре АИУС. Построена иерархическая система свойств и показателей эффективности (ПЭ) информационного процесса и средств его реализации, продемонстрирована возможность снижения степени выполнения требований к информационному процессу в результате воздействия внешних факторов, определена необходимость проведения структурных изменений РБД с целью поддержания значений ПЭ на требуемом уровне. Проанализированы современные подходы к реорганизации структуры баз данных, показан ограниченный характер их использования в динамичных системах, предложена концепция МРБД. Выявлены факторы, определяющие актуальность научной проблемы, выполнена содержательная постановка и декомпозиция этой проблемы.

Второй раздел посвящен изложению основ теории МРБД, которая включает систему понятий, фиксирующую терминологический аппарат, используемый в работе, систему принципов построения и концептуальную модель МРБД, гипотезы о поведении МРБД,.

В третьем разделе предложена методология анализа и синтеза МРБД. Модель процесса реализации запросов представляет собой стохастическую сеть массового обслуживания (СеМО) и обеспечивает вычисление показателей реактивности МРБД. Модель решения задач позволяет с помощью методов теории распределений находить числовые характеристики времени решения функциональных задач в АИУС. Метод выбора стратегии размещения базы данных использует экспертные процедуры теории принятия решений, на основе которых строится ряд предпочтений стратегий-претендентов. Метод и модель синтеза структуры МРБД базируются на классических задачах математического программирования, модифицированных с учетом специфики расположения и функционирования базы данных. В результате применения математического аппарата синтеза формируется оптимальный или близкий к нему план размещения ФД в узлах сети.

Содержание четвертого раздела составляют модель, методы и алгоритмы динамического управления структурой МРБД, обеспечивающие децентрализованное управление реструктуризацией параллельно с процессом обработки запросов. Модель динамического управления описывает структуру и функции системы управления реструктуризацией, как дополнительного модуля системы управления распределенной базой данных (СУРБД). Метод и алгоритм динамического планирования локального представления структуры МРБД основаны на последовательном улучшении текущего локального представления структуры базы данных в зависимости от условий функционирования и используют в качестве критерия размещения фрагментов данных (ФД) минимум объема данных при обмене между серверами базы данных (СБД). Метод и алгоритм децентрализованного управления размещением фрагментов данных на СБД обеспечивают проведение реструктуризации МРБД без прерывания процесса обработки запросов с учетом создаваемой нагрузки на каналы передачи данных. Метод и алгоритм определения моментов реструктуризации МРБД позволяют назначать время очередного этапа реструктуризации для каждого СБД на основе линейных моделей роста объема передаваемых данных между серверами и затрат на реструктуризацию.

В пятом разделе рассматриваются метод и алгоритмы обеспечения целостности МРБД. Метод оптимизации выполнения запросов базируется на использовании модифицированной модели для оценки реактивности МРБД, доработанной с учетом воздействия на АРГУС дестабилизирующих факторов, в результате влияния которых возможны нарушения целостности МРБД. Алгоритм оптимизации выполнения запросов основан на поиске множества решений с последующим выбором оптимального плана. Алгоритм восстанови. ". ления целостности базы данных обеспечивает контроль выполнения запроса и активизирует процесс восстановления в случае возникновения аварийной ситуации.

Шестой раздел посвящен научно-практическим вопросам, связанным с оценкой эффективности применения МРБД. Разработана методика оценки эффективности МРБД. Представлены два варианта методики. Первый базируется на использовании внутреннего подхода к оценке и направлен на определение критерия эффективности как функции от ПЭ по существенным свойствам МРБД. Второй вариант основан на применении внешнего подхода, позволяющего оценить МРБД по показателям оперативности АИУС. Приведены результаты модельных испытаний, обобщение и анализ которых позволили сформулировать рекомендации по архитектурному построению системы управления реструктуризацией и по технологическим вопросам реструктуризации.

В приложениях приведены вспомогательные материалы, иллюстрирующие результаты проведенного исследования.

К новым научным положениям, разработанным в ходе исследований и выносимым на защиту, относятся следующие.

1. Концепция мобильных распределенных баз данных, включающая в себя систему понятий в области МРБД, концептуальную модель МРБД, систему показателей эффективности и позволяющая сформировать общую методологию решения научной проблемы.

2. Модели и методы анализа и синтеза МРБД, обеспечивающие расчет значений показателей оперативности АИУС, выбор стратегии размещения базы данных в сети и нахождение оптимального варианта структуры МРБД в случае централизованного управления реструктуризацией.

3. Модель и методы динамического управления структурой МРБД, позволяющие выработать общий подход к управлению размещением ФД без перерывов в обслуживании запросов, осуществлять поиск структуры базы данных, близкой к оптимальной, путем последовательных улучшений, формировать решение на перераспределение ФД по критерию минимизации сетевого трафика, а также назначать моменты проведения реструктуризации на основе линейной модели роста эффекта и затрат.

4. Метод и алгоритмы обеспечения целостности МРБД, направленные на формирование плана прохождения запросов по двойному критерию — максимум вероятности своевременного выполнения и минимум среднего времени реализации в случае равенства вероятностей, а также на выбор варианта восстановления данных из двух возможных — путем полного копирования или расчетными методами.

5. Научно-практические предложения по оценке МРБД, позволяющие оценивать эффективность применения таких баз данных в аспекте выполнения предъявленных к ним требований и с позиций обеспечения результативности АИУС.

Теоретическая значимость и научная новизна перечисленных положений определяется следующим.

1. Впервые разработана концепция мобильных распределенных баз данных, на содержательном уровне определяющая цели, функции и показатели эффективности реструктуризации распределенных баз данных, позволяющая исследовать закономерности организации МРБД и в теоретическом отношении определяющая методологию их построения и обеспечения функционирования.

2. Разработаны новые математические модели и методы анализа и синтеза МРБД, модель системы управления реструктуризацией и методы, реализующие процесс динамического управления, а также методы и алгоритмы поддержания целостности базы данных, которые в совокупности составляют методологию решения проблемы организации мобильных распределенных баз данных и обеспечивают возможность повышения эффективности АИУС.

3. При разработке моделей и методов построения МРБД применены и получили развитие методы теории массового обслуживания, теории распределений, математического программирования, теории принятия решений. Задача синтеза структуры МРБД приведена в новой постановке и для ее решения предложен оригинальный метод, который ранее в области разработки структуры распределенных баз данных не применялся.

4. При разработке методологии управления реструктуризацией предложен новый подход, названный динамическим управлением и основанный на решении задачи оптимизации, методом последовательных улучшений, использующий принцип децентрализованного управления, а также реализующий поиск на множестве возможных вариантов с помощью модифицированного метода решения известной задачи линейного программирования.

5. Обоснована предпочтительность перехода к динамическому управлению реструктуризацией, позволяющему изменять структуру МРБД без перерывов в выполнении запросов и без существенного снижения значений показателей эффективности.

6. Предложен метод обеспечения целостности, основанный на поиске множества планов выполнения запросов с выбором предпочтительного по двойному критерию с возможностью восстановления данных без их полного копирования.

7. При разработке методики оценки эффективности МРБД использован подход к определению критерия эффективности на основе зависимых по полезности показателей эффективности,.

Практическая ценность работы обусловлена следующим: формированием экспериментально проверенных на моделях предложений по использованию полученных результатов в распределенных базах данных существующих и перспективных АИУСвозможностью постановки и решения практических задач построения МРБД на основе разработанных методологических основдоведением полученных результатов до практических алгоритмов, и возможностью их реализации в существующих и перспективных АИУС. Достоверность результатов диссертационной работы обеспечена: использованием системного подхода при изучении объекта исследованиякорректностью постановок задач и применением математических методов их решенияполнотой учета совокупности и характера факторов, влияющих на информационный процесс и АИУСобщностью и полнотой представленных моделей, методов и алгоритмов построения и управления МРБД, позволяющих на единой основе решать задачи реструктуризации базы данных в режиме, близком к реальному временинепротиворечивостью предлагаемых решений известным результатам, полученным другими способами.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на II Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2006 г.), Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям SCM-2005 (Санкт-Петербург, 2005 г.), I Научно-практической конференции Военной академии связи (Санкт-Петербург, 2005 г.), Международной конференции по мягким вычислениям и измерениям SCM-2003 (Санкт-Петербург, 2003 г.), Международной научно-практической конференции «Проблемы обеспечения безопасности при чрезвычайных ситуациях» (Санкт-Петербург, 2003 г.), II Международной научно-практической конференции «Экономика и инфокоммуникации в XXI веке» (Санкт-Петербург, 2003 г.), 2-ой Всероссийской научной конференции «Проблемы развития информационно-телекоммуникационных систем специального назначения» (Орел, 1999 г.), а также ряде других конференций и семинаров.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в монографии, 19 статьях в журналах и научно-технических сборниках, 14 сборниках докладов международных, всероссийских и ведомственных научно-технических конференций.

По результатам работы получены акты реализации от следующих организаций: Северо-Западный региональный центр МЧС России, ГУП НИИ «Рубин» (г. Санкт-Петербург), ОАО «Институт сетевых технологий» (г. Санкт-Петербург), Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы МЧС России и Военная академия связи.

Основные результаты исследований заключаются в следующем.

1. Проведен анализ информационной инфраструктуры системы управления МЧС (на примере Северо-Западного региона). Определено, что основу перспективных автоматизированных информационно-управляющих систем МЧС должны составлять распределенные базы данных. Сформирована иерархическая система показателей эффективности, характеризующих информационный процесс в системе управления и его информационный базис. Выявлены дестабилизирующие факторы, проявление которых стимулирует возможность выхода значений показателей эффективности за нормативные пределы.

2. Установлено, что стабилизация значений показателей эффективности возможна за счет структурных изменений распределенной базы данных. Эти изменения касаются физической структуры РБД и не затрагивают ее логического построения. Сформулирована проблема, связанная с необходимостью изменений физической структуры распределенных баз данных с целью поддержания их эксплуатационных характеристик на требуемом уровне. Для решения проблемы предложена концепция МРБД, как особого класса баз данных, способных к реализации таких трансформаций своей физической структуры.

3. Разработаны основы теории МРБД представляющие собой научный базис для реализации предложенной концепции. В качестве структурных компонентов этой теории приведены: система понятий в области МРБД, гипотезы о функционировании МРБД, теоретическая модель МРБД, система принципов построения МРБД и набор показателей эффективности реструктуризации. Показано соотношение теории МРБД с комплексом смежных теорий. Определено место процессов реструктуризации в динамике жизненного цикла МРБД.

4. Развит методологический аппарат анализа и синтеза МРБД, который позволяет проводить исследование баз данных этого класса при помощи математических методов.

Для решения задач анализа разработаны: модель реализации запросов к МРБД, построенная на основе представления процесса обработки запросов с позиций обслуживания заявок в стохастической СеМО, и модель решения задач в АИУС, основанная на методах теории распределений, таких как метод моментов и метод аппроксимации функции распределения.

Для решения задач синтеза МРБД разработаны: метод выбора стратегии размещения МРБД, сущность которого составляет применение экспертных процедур оценки предпочтительности стратегий распределения данных в сети, а также метод и модель синтеза структуры мобильных распределенных баз данных, в основе которых лежит использование методов математического программирования, доработанных применительно к различным вариантам размещения МРБД.

5. Сформирована методология динамического управления МРБД, позволяющая выполнять реструктуризацию базы данных в режиме функционирования АИУС без блокировки МРБД. Эта методология базируется на следующих моделях, методах и реализующих их алгоритмах.

Концептуальная модель динамического управления структурой мобильных распределенных баз данных, позволяющая на единой методологической основе проводить изменение структуры МРБД параллельно с выполнением запросов. 1.

Метод и алгоритм динамического планирования* ЛПС МРБД, обеспечивающие поиск варианта структуры базы данных, близкого к оптимальному, путем последовательных улучшений" и использующие в качестве критерия размещения ФД минимум объема данных при обмене между СБД.

Метод и алгоритм децентрализованного управления размещением фрагментов данных на СБД, позволяющие проводить реструктуризацию МРБД без прерывания процесса обработки запросов и учитывающие нагрузку на каналы передачи данных.

Метод и алгоритм определения моментов реструктуризации МРБД, выполняющие вычисление времени начала очередной реструктуризации для каждого СБД на основе линейных моделей роста объема передаваемых данных между серверами и затрат на проведение структурных изменений.

6. Разработана методология обеспечения целостности, использование которой позволяет сохранять базу данных в состоянии соответствия предметной области после проведения структурных модификаций. Основу методологии составляют метод и алгоритмы обеспечения целостности, основанные на поиске множества планов выполнения запросов с выбором предпочтительного по двойному критерию с возможностью восстановления данных без их полного копирования.

7. Предложена методика оценки эффективности МРБД, позволяющая проводить оценку как с позиций внутренних процессов и свойств, характеризующих базу данных, так и в аспекте ее вклада в результативность функционирования АИУ С.

8. Проведены модельные исследования МРБД с помощью разработанного в диссертации инструментария. На основе анализа их результатов сформулированы научно-практические предложения по применению МРБД. К ним относятся следующие: рекомендации по архитектурному построению системы, реализующей подход к динамическому управлению реструктуризацией, которые включают в себя предложения по отношению этой системы к СУРБД, ее составу, функциям и последовательности их выполнениярекомендации по технологическим вопросам проведения реструктуризации, разработанные на основе модельных исследований МРБД и включающие в себя практические предложения по выбору количества циклов динамической реструктуризации, определению объема мобильных фрагментов данных, целесообразности проведения реструктуризации в случае использования низкоскоростных каналов передачи данных.

Научная новизна результатов диссертационного исследования определяется следующим: формированием общей концепции мобильных распределенных баз данных, позволяющей исследовать закономерности организации баз данных этого класса и в теоретическом отношении определяющей методологию их исследования и примененияразработкой методологии решения задач построения МРБД, а также управления изменением их физической структуры, основанной на развитии общетеоретических методов анализа и синтеза информационных систем и новых прикладных методов организации распределенных баз данныхвозможностью использования разработанных моделей и методов для постановки и решения новых прикладных задач в области построения информационного обеспечения АИУС МЧС и аналогичных систем. I.

Теоретическая значимость результатов в целом определяется возможностью постановки и решения задач создания информационного обеспечения АИУС МЧС на основе методологии МРБД и реализации этой методологии в современных и перспективных системах информатизации управления.

Практическая значимость результатов обусловлена их доведением до алгоритмов и методик, что позволяет реализовать результаты в интересах заказчиков и исполнителей при разработке новых и модернизации существующих АИУС регионального уровня, а также аналогичных систем МЧС и других ведомств.

Полученные результаты опубликованы автором в монографии [163], 19 статьях в журналах и научно-технических сборниках [75,93,131,132, 164−178], 14 сборниках докладов международных, всероссийских и ведомственных научно-технических конференций [178−191], 5 учебниках и учебных пособиях [72,73,77,193,194].

МРБД представляют собой новый класс баз данных, поэтому методология их организации находится в стадии начального развития. Направлениями дальнейших исследований в области построения и использования МРБД следует считать: совершенствование методологии проектирования в плане построения логической структуры МРБД, позволяющей гибко подходить к изменению размеров и содержания физических фрагментов данныхразработку частных методик оценки существенных свойств МРБД, АИУС и информационного процесса в целомперенос основных положений концепции и методологии МРБД на область организации хранилищ данных с целью обеспечения устойчивости и оперативности последних при использовании их в системах поддержки принятия решений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационной работе решена актуальная научная проблема, имеющая большое значение для информатизации сферы управления, связанная с разработкой методологических основ организации мобильных распределенных баз данных, отвечающих требованиям по эффективности обработки информации в динамически изменяющихся условиях.

На основе анализа особенностей построения и функционирования АИУС МЧС, характера воздействующих факторов, а также современных технологий распределенных систем предложен новый подход к формированию информационного обеспечения АИУС, ориентированный на концепцию мобильных распределенных баз данных.

Основу разработанного подхода составляют использование единой теоретической платформы — теории МРБД, основы которой сформированы в диссертационной работеразработка и применение моделей, методов, алгоритмов и методик формирования физической структуры МРБД и управления ею при функционировании АИУСвыработка практических рекомендаций по построению МРБД.