Разработка имитационной модели взаимодействия информационных процессов в системах распределенного технологического мониторинга тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.17, кандидат технических наук Бочкарёва, Екатерина Владимировна

• Бочкарёва, Екатерина Владимировна
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бочкарёва, Екатерина Владимировна

Список используемых сокращений.

ВВЕДЕНИЕ.

1 Общая характеристика проблемы и обзор методов ее решения.

1 Общая характеристика проблемы и обзор методов ее решения.

1.1 Принципы функционирования и обобщенная схема информационных потоков в системах распределенного технологического мониторинга.

1.2 Современные технологии проектирования и анализ подходов к моделированию функционирования систем распределенного технологического/мониторинга.

1.3 Обзор существующих средств имитационного моделирования функционирования систем распределенного технологического мониторинга.

1.3.1 SCADA система ZETView.

1.3.2 Интеграция SCADA-системы Trace Mode и математического пакета MATLAB.

1.3.3 Эмулятор TOS SIM.

1.3.4 Система для автоматизированного создания проектов локальных вычислительных сетей Net Wizard.

1.3.5 Семейство OPNET средств для проектирования и моделирования локальных и глобальных сетей, компьютерных систем, приложений и распределенных систем.

1.3.6 Среда графического программирования Lab View.

1.3.7 Обзор разработок в области имитационного моделирования систем распределенного технологического мониторинга.

1.4 Цели и задачи исследований.

1.5 Выводы по первой главе.

2 Разработка и программная реализация имитационной модели взаимодействия информационных процессов в СРТМ.

2.1 Построение имитационной модели функционирования системы распределенного технологического мониторинга.

2.2 Инфраструктура подсистемы управления потоками заявок в имитационной модели.:.

2.3 Моделирование физического уровня обмена данными.

2.4 Моделирование алгоритмического уровня сбора и обработки информации?

2.5 Программная реализация предложенной имитационной модели.

2.5.1 Реализация ядра программной системы.

2.5.2 Структура базы данных.

2.6 Выводы по второй главе.

3 Исследование разработанной имитационной модели.

3.1 Зависимость надежности функционирования модели СРТМ от параметров конфигурации подсистемы управления потоками заявок.

3.2 Анализ работы главного диспетчера программной системы.

3.3 Исследование поведения программной системы при планировании и обработке нештатных ситуаций^ моделируемой СРТМ.

3.4 Выводы по третьей главе.

4 Применение программной системы для исследования надежности и закономерностей функционирования системы распределенного технологического мониторинга.

4.1 Проверка адекватности моделирования информационных процессов на примере работы с моделью СРТМ по учету тепла и расхода теплоносителя на ТЭЦ Кемеровской области.

4.2 Исследование характеристик работы системы распределенного технологического мониторинга в зависимости от ее топологии.

4.3 Влияние порядка сложности алгоритмов обработки данных на характеристики системы распределенного технологического мониторинга.

4.4 Исследование работоспособности системы распределенного технологического мониторинга при возникновении программно-аппаратных сбоев.

4.5 Применение построенной программной системы для проектирования системы сбора и обработки данных по потреблению энергоресурсов университетского кампуса.

4.6 Выводы по четвертой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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 к- катастрофическим 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 производителя; отсутствие 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 системы; описывать логику взаимодействия функционирующих в ней информационных процессов; исследовать применимость для обработки данных алгоритмов, обладающих различной вычислительной сложностью; прогнозировать поведение системы при НС; оценивать 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 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-, событийно- и 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: учебном; процессе при преподавании курса «Моделирование» для- специальности- «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: №2010613965;

На защиту выносятся:

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

2. Архитектура и, алгоритмы программной» системы, реализующей предложенную имитационную, модель взаимодействия; информационных 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 исследований; разработка, 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 по- исследованию 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.

Заключение диссертации по теме «Теоретические основы информатики», Бочкарёва, Екатерина Владимировна

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-, событийно- и функционально-ориентированных подходов.

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бочкарёва, Екатерина Владимировна, 2011 год

1. Сайт проекта WashingtonProFile Электронный ресурс. 2010. URL: http://www.washprofile.org (дата обращения: 15.05.2010).

2. Сайт проекта Solar syst'em exploration компании NASA Электронный ресурс. 2010. URL: http://solarsystem.nasa.gov (дата обращения: 16.05.2010).

3. Стигнеева, М. Техногенные катастрофы / М.Стигнеева // Тайны XX Века. 2007.- № 49.

4. Сайт конференций skunk Электронный ресурс. — 2010. URL: http://forum.skunksworks.net (дата обращения: 6.05.2010).

5. Сайт компании Atmel Электронный ресурс. 2010. URL: http://www.atmel.com/ (дата обращения: 6.05.2010).

6. Сайт компании Omron Электронный ресурс. 2010. URL: http://www.omron.com/ (дата обращения: 6.05.2010).

7. Сайт компании Rockwell Электронный ресурс. 2010. URL: http://www.rockwellautomation.com/ (дата обращения: 6.05.2010).

8. Сайт журнала «Мир компьютерной автоматизации» Электронный ресурс. 2000. URL: http://www.mka.ru (дата обращения: 10.5.2010).

9. Бешелев С.Д., Гурвич Ф.Г. Математико-статистические методы экспертных оценок. М.: Статистика. 1980. - 263 с.

10. Ю.Александровская JI. Н., Аронов И. 3., Елизаров А.И. Статистические методы анализа безопасности сложных технических систем. — М: Логос. 2001 — 232с.

11. Бронштейн О.И., Духовный И.М. Модели приоритетного обслуживания в информационно-вычислительных системах. — М.: Наука, 1976. 220 с.

12. Шеннон Р. Имитациондое моделирование систем. Искусство и наука. -М.: Мир: 1978.-420 с.

13. Советов Б. Я., Яковлев С. А. Моделирование систем. М.: Высш. шк — 2001.-343 с.

14. Сайт компании MathWorks Электронный ресурс. 1994. URL: http://www.mathworks.com (дата обращения: 16.05.2010).

15. Сайт компании' Boeing Электронный ресурс. 1995. URL: http://www.boeing.com/assocproducts/easy5/ (дата обращения: 16.05.2010).

16. Сайт компании National Instruments Электронный ресурс. 2010: URL: http://www.ni.com/matrixx/ (дата обращения: 16.05.2010).

17. Сайт компании Integrated Systems Электронный ресурс. 2010. URL: http://www.vissim.com (дата обращения 16.05.2010).

18. Сайт университет ITS- Berkeley Электронный ресурс. 2010. URL: http://www/path.berkeley.edu/shift (дата обращения: 16.05.2010).

19. Сайт компании MV Studium Электронный ресурс. 1997. URL: http://www.mvstudium.com/ (дата обращения: 16.05.2010).

20. Окольнишников В. В. Разработка средств распределенного имитационного моделирования для многопроцессорных вычислительных систем: диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. — сибирск, 2006. — 227 с. •

21. Серова, Е.Г. Современные методологические и инструментальные подходы моделирования бизнес-задач / Е.Г.Серова // XlVth International Conference "Knowledge-Dialogue-Solution" (KDS 2008): труды конференции. Varna, Bulgaria, 2008.

22. Сайт компании ZETLab Электронный ресурс. 2006. URL: http://www.zetms.ru/ (дата обращения: 05.12.2009).

23. Сергиевский, М.В. Беспроводные сенсорные сети: эмуляция работы. Часть 4 Электронный ресурс. / М.В.Сергиевский, С.Н.Сыроежкин // КомпьютерПресс. 2008. - ноябрь. - URL: http://www.compress.ru/article.aspx?id=l 9782&iid=909 (дата обращения: 06.12.2009).

24. Сайт группы компаний ТАУЭР Электронный ресурс. URL: http://www.netwizard.ru/ (дата обращения: 07.12.2009).

25. Сайт компании Opnet Technologies Электронный ресурс. URL: http://www.opnet.com/solutions/networkrd/modeler.html (дата обращения: 07.12.2009).

26. Сайт компании National Instruments Электронный ресурс. URL: http://www.ni.com/labview (дата обращения: 20.02.2011).

27. Сайт компании National Instruments, Lab View Электронный ресурс. -URL: http://www.labvieW.ru/ (дата обращения: 20.02.2011).

28. Бахарова Н.Ф. Анализ производительности сетевых структур методами теории массового обслуживания. / Н.Ф.Бахарова // Научно-технические ведомости СПбГПУ. СПб.: Изд-во СПБГПУ, 2009 - №3(80). - С. 25-34.

29. Бахарова, Н.Ф. Проектирование сетей связи с заданными характеристиками / Н.Ф.Бахарова, В.Н.Тарасов // Компьютерная»интеграция^производства и ИПИ-технологии: материалы 4 Всероссийской научно-практической конференции, Оренбург 2009 - №4. - С. 127-134.

30. Аксенов, Ю.В. Численное моделирование TCP/IP сетей / Ю.В.Аксенов, А.М.Робачевский // Телематика-1999: труды VI Всероссийской научно-методической конференции СПб.: СПбГУ ИТМО, 1999. С. 73.

31. Жариков, Д.Н. Моделирование высоконадежных гетерогенных вычислительных систем / Д.Н.Жариков, В.С.Лукьянов // Научный журнал «Успехи современного естествознания». Волгоград: Изд-во ВГТУ, 2010 - №5. -С. 101

32. SanjayH.A. Performance modeling of parallel applications for grid scheduling / Sanjay H.A., Vadhiyar Sathish // Journal of Parallel1 and'Distributed Computing, Volume 68, Issue 8, August 2008, Pages 1135-1145

33. Mohamed A. M. Modeling* parallel and «distributed systems»- with finite workloads / Mohamed A. M., Lipsky L., Ammar R. // Performance Evaluation Volume 60, Issues 1-4, May 2005, Pages 303-325

34. Бочкарёва, Е.В. Система имитационного моделирования информационных потоков в гетерогенных сетях /Е.В. Бочкарёва, Л.И. Сучкова // Ползу-новский альманах. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2009. - № 2. с. 114-118.

35. Хопкрофт Дж., Мотвани Р., Ульман Дж. Введение в теорию автоматов, языков и вычислений. М.: «Вильяме», 2002. - 528 с.71 .Гэри М, Джонсон Д. Вычислительные машины и труднорешаемые задачи. М.: Мир, 1982.-416 с.

36. И.Ахо А., Сети Р., Ульман Дж. Д. Компиляторы: принципы, технологии и инструменты. М.: Вильяме, 2001. - 768 с.

37. Пауэре Л., Снелл M. Microsoft Visual Studio 2008. СПб.: БХВ-Петербург, 2009. - 1200 с.1..Bueûpa Р.Программирование баз данных Microsoft SQL Server 2005 для профессионалов. M.: Вильяме, Диалектика, 2008. - 1072 с.

38. ЪО.Танненбаум Э. Компьютерные сети. СПб.: Питер, 2002. - 848 с.81 .Феррари Д. Оценка производительности вычислительных систем. -М.:Мир, 1981.-576 с.

39. Самарский А.А., Гулин А.В. Численные методы. М.: Наука, 1989. -432 с.

40. Соловьев А. В., Турута Е. Н. Метод обеспечения отказоустойчивости распределенных систем управления со случайным потоком заявок и статическим распределением задач // Управление ресурсами в интегральных сетях. М.: Наука. 1991. С. 109—116.

41. Александровская Л.Н., Афанасьев А.П., Лисов А.А. Современные методы обеспечения безотказности, сложных технических систем. М.: Логос, 2003.-208 с.

42. Воеводин В. В., Воеводин Вл. В.Параллельные вычисления. СПб.: БХВ-Петербург, 2004. - 608 с.91 .Parag К. Lala Digital Circuit Testing and Testability. — Academic Press. — 1997,- 199 p.

43. Воеводин Вл.В., Жуматий C.A. Вычислительное дело и кластерные системы. М.: Изд-во МГУ, 2007. - 150 с.93 .Pfister G. In Search of Clusters (2nd Edition). Prentice Hall, 1997. - 608 p.

44. Спиряев, О. Катастрофоустойчивые решения. Электронный ресурс. / О.Спиряев // BYTE/Россия. 2005. - март. - №3 (79). - URL: http://www.bytemag.ru/articles/detail.php?ID=6717 (дата обращения: 12.09.2010)

45. Сайт компании Hewlett-Packard Электронный ресурс. 2010. - URL: http://h20338.www2.hp.com/HPC/cache/276360-0-0-0-121.html (дата обращения: 12.09.2010)

46. Хеши Д., Кумамото X. Надежность технических систем и оценка риска. -М.: Машиностроение, 1984. 528 с.

47. Диллон Б., Сингх Ч. Инженерные методы обеспечения надежности систем. -М.: Мир, 1984.-318 с.

48. Зарегистрирован^ в Реестре программ 18 июня 2010 г.: ■

49. Руководитель Федеральной с лужбы по интехк. собственности, патентам и. товарным знакам1. Б.П. Симонов