Разработка имитационной модели взаимодействия информационных процессов в системах распределенного технологического мониторинга

Актуальность темы

Перспективным направлением в области разработки систем распределенного технологического мониторинга (СРТМ) является предварительное моделирование их функционирования с целью проведения экспериментов с СРТМ без ее физической реализации, что особенно важно при создании сложных быстродействующих информационных систем в областях, где тестирование затруднено или невозможно из соображений высокой' стоимости' или безопасности, а отказы могут привести ккатастрофическим последствиям.

Анализ узкоспециализированных программных продуктов для моделирования работы вычислительных сетей, используемых в СРТМ" (ZetView, Tossim, NetWizard, Opnet Modeler и др.), выявил ряд недостатков: высокую стоимость (1,500 $-70,000 $) — отсутствие средств прогнозирования"и обработки нештатных ситуаций (НС) — ориентацию на оборудование конкретного производителяотсутствие средств оценки характеристик* работоспособности системы в зависимости от характеристик алгоритмов обработки данных, выполняющихся на ее узлах. Описание же модели взаимодействия информационных процессов в СРТМ с использованием существующих программных продуктов для моделирования работы динамических систем (MATHLAB, Lab View) требует значительных временных затрат и не позволяет получить данные-для сравнительного анализа показателей работоспособности системы при различной конфигурации связей и разных характеристиках оборудования.

В' связи с этим актуальным является разработка имитационной' модели взаимодействия информационных процессов в СРТМ, и реализация ее в виде программной системы, позволяющей задавать структуру системыописывать логику взаимодействия функционирующих в ней информационных процессовисследовать применимость для обработки данных алгоритмов, обладающих различной вычислительной сложностьюпрогнозировать поведение системы при НСоценивать характеристики производительности и надежно-ности СРТМ при использовании различного оборудования и архитектуры.

Целью является разработка и программная реализация имитационной модели взаимодействия информационных процессов в СРТМ, позволяющей учитывать вычислительную сложность используемых алгоритмов обработки данных и исследовать характеристики работоспособности проектируемой СРТМ. Для достижения поставленной цели ставятся следующие задачи: Разработка имитационной модели взаимодействия, информационных процессов в СРТМ с позиций теории1 массового обслуживания, методов1 имитационного моделирования и комплексного подхода к описанию поведения системы.

Разработка архитектуры, имитационной системы для построения^ отображения, тестирования и анализа процессов сбора, обработки и передачи данных в СРТМ и создание реализующего ее программного обеспечения.

• Разработка методики тестирования и оценки эффективности применения вычислительных технологий обработки данных в СРТМ, основанной, на использовании внутреннего языка имитационной системы.

• Комплексное исследование на основе имитационного эксперимента характеристик работы СРТМ в. штатном режиме и в случае программно-аппаратных сбоев в зависимости от ее топологии, параметров конфигурации оборудованиям выполняющейся на узлах сети обработки данных.

Объектом’исследования является система распределенного технологического мониторинга (СРТМ), варианты ее технической реализации и реализации алгоритмов обработки, выполняющихся на ее узлах.

Предметом исследования4, является разработка имитационной модели взаимодействия информационных процессов в СРТМ, программная реализация разработанной модели и исследование влияния различных технических решений по построению СРТМ на ее работоспособность:

• на надежность функционирования СРТМ в штатном режиме работы и при программно-аппаратных сбоях;

• на время обработки информации и задержки, возникающие в СРТМ, в ходе сбора и обработки данных;

• на эффективность алгоритмов обработки данных, использующихся на узлах СРТМ.

Методы исследования. Для решения поставленных задач и достижения намеченной цели проводились теоретические и экспериментальные исследования, основанные на* использовании методов теории массового обслуживания, теории формальных языков, теории математического моделирования, теории параллельного программирования, вычислительной математики, а также прикладное и системное программирование и средства машинной графики для отображения результатов, моделирования.

Научная новизна:

1. Предложена имитационная модель взаимодействия информационных процессов в СРТМоснованная на представлении СРТМ в виде графа, каждой вершине которого сопоставлена система массового обслуживания". (СМО), взаимодействующая со СМО других его вершин и учитывающая характеристики оборудования, выполняющиеся на узле алгоритмы обработки данных и поведение СРТМ в случае возникновения программно-аппаратных сбоев.

2. Для разработанной модели предложены алгоритмы и программное обеспечение, реализующие комплексный подход к описанию взаимодействия информационных процессов СРТМ, основанный на синтезе объектно-, процессно-, событийнои функционально-ориентированных подходов.

3. Предложено применять для оценки временных характеристик используемых на узлах СРТМ алгоритмов обработки данных синтаксически-ориентированный метод их описания.

Практическая значимость: Созданная на основе построенной имитационной модели программная система позволяет при проектировании СРТМ учитывать вычислительную сложность используемых на ее узлах алгоритмов обработки данных и исследовать влияние на параметры работоспособности.

СРМТ ее архитектуры. Полученные результаты исследований могут быть использованы при разработке систем распределенного технологического мониторинга для контроля производственных процессов и функционирования техногенных объектов в областях, критичных к надежности, своевременности и скорости доставки и обработки данных.

Практическая значимость работы подтверждается отзывом организации Grid Dynamics (Fremont, CA, USA) — профилем работы которой являются высоконагруженные отказоустойчивые системы.

Разработанное программное обеспечение: используется в: учебномпроцессе при преподавании курса «Моделирование» дляспециальности- «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети».

Реализация и внедрение результатов работы: IIa основе результатов исследования разработан программный: комплекс для моделирования< обработки данных в гетерогенных распределенных системах «DS Simulator», некоторые элементы которого были апробированы при создании" сети учета энергоресурсов АлтГТУ и в специализированных приложениях. Получено свидетельство Роспатента об официальнойфегистрации программы для>ЭВМ: № 2 010 613 965;

На защиту выносятся:

1. Имитационная модель, представляющая СРТМ в виде совокупности взаимодействующихСМО и основанная на, сочетании: объектно-, процессно-событийнои функционально-ориентированных подходов к описанию поведения системы.

2. Архитектура и, алгоритмы программной" системы, реализующей предложенную имитационную, модель взаимодействияинформационных процессов в СРТМ;

3. Использование: синтаксически-ориентированного метода описания? и оценки вычислительной сложности алгоритмов обработки данных, выполняющихся на узлах СРТМ.

4. Результаты проведенных с использованием предложенной модели тационных экспериментов по исследованию параметров работоспособности СРТМ.

Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 19 опубликованных научных работах, в том числе 3 статьи в журналах из списка ведущих рецензируемых журналов, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ- 1 свидетельство Роспатент об официальной регистрации программы для ЭВМ, 4 статьи в научных журналах и сборниках работ конференций, 12 тезисов докладов на конференциях. Общий объем публикаций — 36 авторских листов.

Апробация^ научных результатов. Основные результаты работы апробированы на 12, конференциях: VII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Информационные технологии и математическое моделирование» (Томск, 2008) — XII Региональной конференции по1 математике. «МАК» (Барнаул, 2009) — X-XI Международных научно-практических конференциях «Измерение, контроль, информатизация» — ИКИ (Барнаул, 2009;2010) — IV Научно-практической конференции «Компьютерная интеграция производства и РШИ-технологии» (Оренбург, 2009) — XXVI Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» (Нижний Новгород, 2009) — XVII Дистанционной Международной научной конференции «Методы и алгоритмы принятия эффективных решений» (Таганрог, 2009) — VII Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий» (Тула, 2010) — VII Всероссийской научно-практической конференции «Технологии Microsoft в теории и практике’программирования» (Томск, 2010) — Международной научно-практической конференции «Молодежь Сибири — Науке России» (Красноярск, 2010) — 5−6 Всероссийских научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь» (Барнаул, 2009;2010). По материалам диссертационных исследований получен грант по программе «Участник моф лодежного научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.») для проведе-дения дальнейшей работы по теме «Модули сбора, обработки и архивирования данных в робастных БСАБА-системах с элементами САБЕ-технологий».

Личный вклад: Автору принадлежат основные научные результаты теоретических и экспериментальных исследованийразработка, программная реализация и исследование имитационной модели функционирования СРТМ, способа описания и оценки вычислительной сложности алгоритмов обработки данных, выполняющихся на узлах СРТМ и результаты проведенных с использованием предложенной модели имитационных экспериментов поисследованию параметров работоспособности СРТМ.

Структура, и объем работы: Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, 4 приложений и списка литературы из 98 наименований, включая работы автора. Диссертация изложена на 168 страницах и содержит 44 рисунка, 28 таблиц и 33 формулы.

Выход).

Рис 4.12. Алгоритм сбора и обработки данных в СРТМ.

Таким образом, задержки в реальной СРТМ могут возникать по следующим причинам:

• отсутствие связи между устройствами, вызывающее повторные запросы;

• отсутствие нужных данных в оперативной памяти и их поиск в архиве;

• отсутствие данных в архиве системы, вызывающее запросы к архиву устройства;

• выполнение длительной операции обработки данных;

• передача данных большого объема по «узкому» каналу связи;

• многократная смена конфигурации оборудования (например, при от-отсутствии питания на устройствах или обрыве линии связи), сопровождающаяся отправлением пакетов большого объема от ТК к контроллерам и датчикам;

• возникающие на оборудовании СРТМ или контролируемом технологическом объекте НС.

• Самая большая задержка в передаче данных в штатном режиме может возникнуть по-окончанию месяца сразу же после 00 часов наступивших суток. В 00:00:30 происходит синхронизация часов устройств. В 00:01:00 начинается передача часовых накопленных значений, в 00:02:00 — суточных и в 00:03:00 — месячных значений. Разрыв в передаче часовых, суточных^{месячных} значений сделан для того, чтобы минимизировать риск передачи данных при сбоях на линии, т. е. минутный интервал выбран примерно с трехкратным запасом.

Сравнение результатов работы СРТМ учета энергоресурсов и ее модели, функционирующей в программной системе, приведены в таблице 4.9:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Предложена имитационная модель взаимодействия информационных процессов в СРТМ, основанная на представлении СРТМ в виде графа, каждой вершине которого сопоставлена система массового обслуживания (СМО), взаимодействующая со СМО других его вершин и учитывающая характеристики оборудования, выполняющиеся на узле алгоритмы обработки данных и поведение СРТМ в случае возникновения программно-аппаратных сбоев.

2. Для разработанной модели предложены алгоритмы и программное обеспечение, реализующие комплексный подход к описанию взаимодействия информационных процессов СРТМ, основанный на синтезе объектно-, процессно-, событийнои функционально-ориентированных подходов.

3. Предложено применять для оценки временных характеристик используемых на узлах СРТМ алгоритмов обработки данных синтаксически-ориентированный метод их описания.