Главная » 2014»Август»21 » Скачать Модели потоков данных и информационных систем на транспорте. Бутакова, Мария Александровна бесплатно
04:59
Скачать Модели потоков данных и информационных систем на транспорте. Бутакова, Мария Александровна бесплатно
Модели потоков данных и информационных систем на транспорте
Диссертация
Автор: Бутакова, Мария Александровна
Название: Модели потоков данных и информационных систем на транспорте
Справка: Бутакова, Мария Александровна. Модели потоков данных и информационных систем на транспорте : диссертация доктора технических наук : 05.13.18 Ростов-на-Дону, 2006 350 c. : 71 07-5/409
Объем: 350 стр.
Информация: Ростов-на-Дону, 2006
Содержание:
ВВЕДЕНИЕ
1 МОДЕЛИ ТЕОРИИ ОЧЕРЕДЕЙ ДЛЯ ИИФОРМАЦИОНИЫХ СИСТЕМ НА ТРАИСПОРТЕ
11 Анализ подходов и методов моделирования систем обслуживания и информационных нотоков в них
12 Теоретическая база моделирования сетей массового обслуживания
121 Структура и параметры сети массового обслуживания
122 Значение марковских случайных процессов для исследования сетей массового обслуж:ивания
123 ФормулаЛиттла
124 Вероятностный аппарат теории очередей
13 Снстемный анализ и формализация свойств объектов исследовання
131 Принципы организации сети передачи данных информационных систем на транспорте
132 Модель сегмента сети передачи данных в виде сети массового обслуживания
133 Информационные потоки подсистемы поддержки принятия решений в автоматизированной системе управления станцией
14 Разработка методов числеиного аналнза характернстнк узлов сетей массового обслуживания
141 Метод свертки и его модификация
142 Метод анализа средних значений и его модификации
15 Выводы
2 СТОХАСТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ НА ТРАНСНОРТЕ В УСЛОВИЯХ НОТОКОВ С НИКОВЫМИ НАГРУЗКАМИ
21 Анализ условий моделирования
211 Анализ структурных показателей потоков
212 Анализ пиковых факторов при моделировании
22 Анализ моделей для информационных иотоков
221 Марковские модели и модели по аналогии с физическими явлениями
222 Обоснования выбора вида модели потока
223 Методы предварительного статистического анализа потоков
224 Моделирование базовых случайных распределений и процессов
225 Распределение числа заявок в системе с ординарным входным потоком общего типа
23 Модели нотоков с никовыми нагрузками вв
231, Чисто скачкообразные процессы как инструмент для моделирования пиковых нагрузок
232, Основные определения и классификация распределений с тяжелыми хвостами
233, Статистический анализ потоков с пиковыми нагрузками
234, Генерация а -устойчивых последовательностей случайных величин
235, Распределение времени обращения к системе массового обслуживания в случае пиковых нагрузок
24 Модели с использованием раснределения нанравлеиных значений 2Л\ Предпосылки использования методов круговой статистики
242, Статистические круговые характеристики потоков
243, Модифицированные методы нахож:дения индекса устойчивости
25 Выводы
3 СТАТИСТИЧЕСКАЯ АВТОМОДЕЛЬНОСТЬ ТЕЛЕТРАФИКА В ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ
31 Свойство автомодельиости случайных нроцессов
32 Моделирование автомодельных нроцессов Леви
33 Моделирование симметричных автомодельных нроцессов Леви с трендом
34 Некоторые автомодельные нроцессы, не являющиеся нроцессами Леви
35 Моделирование фрактального броуновского движения,,,,
351, Моделирование с использованием спектральной плотности последовательности А
352, Моделирование последовательности А с использованием скользящего среднего
35Ъ Моделирование последовательности А на основе триангуляции ковариационной матрицы 3,5,4 Моделирование последовательности А с использованием дискретного преобразования Фурье
36 Автомодельность процессов в широком смысле
37 Статистический анализ автомодельных потоков
38 Автомодельность потоков в широком смысле и свойство сильного последействия
39 Выводы
4 СРЕДА ВИЗУЛЬНОЙ РАЗРАБОТКИ И ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ С ИСИОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ОБЪЕКТНООРИЕНТИРОВАННОГО ИРОЕКТИРОВАНИЯ
41 Имитационное и визуальное моделирование: подходы и методологии
411 Сравнительный анализ стандартов и спецификаций компьютерного моделирования
412 Общие положения имитационного моделирования
42 Разработка методики моделироваиия ииформационных систем
43 Визуальная среда имитациоииого моделироваиия
431 Программнаяреалшация объектно-ориентированной технологии при разработке сложных программных комплексов
432 Создание и редактирование модели предметной области Описание среды
433 Архитектура классов объектов
434 Набор функций и алгоритмы их выполнения
44 Выводы
5 ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ СРЕДЫ ВИЗУАЛЬНОЙ РАЗРАБОТКИ И ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННО-УНРАВЛЯЮЩИХ СИСТЕМ НА ТРАНСНОРТЕ
51 Моделирование работы железиодорожиых ииформациоиио-уиравляющих систем и их осиовиых комиоиеитов
511 Алгоритм моделирования работы пакетных маршрутизирующих коммутаторов и телекоммуникационных каналов
512 Алгоритм моделирования работы сервера приложений
52 Оцеика параметров информациоииых иотоков в автоматизированных ииформациоино-унравляющих системах
521 Формирование и агрегирование экспериментальных выборок
522 Оценка параметров при наличии хвоста распределения
523 Оценка параметров при наличии свойств автомоделъности и сильного последействия
524 Оценка параметров методами круговой статистики
53 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Введение:
Актуальность темы. Начиная с 1997 г. автоматизированные системы управления железнодорожным транспортом (АСУЖТ) поэтапно переоборудовались в соответствии с современными информационными технологиями, базирующимися на распределенных компьютерных сетях с пакетной коммутацией данных. Этот процесс не сопровождался комплексными исследованиями, предваряющими проектирование и использование информационных систем как в центрах управления транспортными перевозками, так и на рабочих местах основных пользователей этих систем, В результате не были учтены особенности функционирования крупных железнодорожных узлов, потребности, как руководящего звена, так и непосредственных исполнителей, участвующих в управлении перевозочным процессом, в качественном и своевременном обеспечении необходимой информацией, требующейся для оперативного принятия ответственных решений, что привело к резкому снижению качества информационного обслуживания важнейших АСУЖТ, нарушению стабильности и безотказности их функционирования. Это связано, с одной стороны, с масштабами внедрения новых технологий в такую крупнейшую отрасль, как железнодорожный транспорт, с большой разнородностью технологических объектов, обеспечивающих их информационную поддержку, а также в различиях технической базы основных источников, требующих информационного обслуживания. С другой стороны, отсутствовала технология, опирающаяся на теоретические предпосылки и учитывающая одновременное функционирование в АСУЖТ разнородных объектов, обеспечивающих работу информационно-управляющих систем. В этой связи руководством ОАО «РЖД» перед исследователями была поставлена задача устранения указанных недостатков. Основные структурные элементы важнейших АСУЖТ, а именно, серверы баз данных, е7-серверы, серверы файловых архивов и корпоративной электронной ночты, активное телекоммуникационное оборудование, располагаются, как правило, на информационно-вычислительных центрах железных дорог, что дает возможность осуществления контроля за использованием информационных ресурсов и получения статистических данных по различным видам информационных потоков, как в реальном времени, так и за любой предшествующий период, поскольку протоколирование запросов к серверу баз данных ведется непрерывно. Анализ работы указанных систем позволил выявить основные факторы, приводящие к нарушению ритмичности и безотказности их функционирования. К таким факторам относятся, в первую очередь, критические нагрузки на информационную сеть, возникающие вследствие как нештатных ситуаций, так и циклических изменений в потребности информационных ресурсов, связанных с особенностями технологических процессов на транспорте. Указанные пиковые факторы проявляются в резком увеличении активности сетевых подключений вследствие обращения огромного числа пользователей к одним и тем же информационным ресурсам и невозможности автоматизированных систем своевременно обеспечить всех пользователей актуальной информацией. К основным математическим методам исследования информационных систем (ИС) относится теория массового обслуживания (ТМО) или теория очередей. Современное состояние ТМО обеспечили работы А.К. Эрланга и А.А. Маркова, А.Я. Хинчина, А.А. Боровкова, Б.В. Гнеденко, И.Н. Коваленко, Т.Д. Саати, Д.Г. Кендалла, Дж. Литтла, П.П. Бочарова, А.В. Печинкина. Однако, анализируя возможность использования существующих методов теории очередей для разработки математических моделей современных ИС, можно сделать вывод о том, что возникают проблемы, которые этими методами либо не решаются, либо требуют существенного развития для их решения. В связи с этим, весьма актуальной становится задача развития методов теории очередей и сетей массового обслуживания (СеМО). Исследования в области СеМО проводились Дж.Р. Джексоном, В. Гордоном, Г. Ньюэллом, Ф. Баскетом, К.М. Чанди, P.P. Мунцом, Ф.Г. Палачиосом, Ф.Р. Келли, Е. Геленбе. Из современных работ по СеМО следует выделить многочисленные труды В.А. Ивницкого, а также М. Шварца, В.А. Жожикашвили. Существующий разрыв между достижениями в области аналитических исследований телекоммуникационных сетей средствами СеМО и их практической реализацией определил необходимость развития аппарата имитационного моделирования в применении к указанным системам. Большой вклад в развитие теории моделирования компьютерных сетей средствами ТМО внесли Л. Клейнрок, В.М. Вишневский. В теории телетрафика можно выделить работы В.Е. Леланда, М.С. Такку, В. Виллинджера, В.В. Крылова, B.C. Лагутина, С И Степанова. При моделировании ИС в виде СМО и СеМО важнейшими характеристиками становятся законы распределения случайных величин и случайные процессы, в соответствии с которыми происходит поступление требований в систему и их обслуживание. В этой области следует отметить работы А.Н. Колмогорова, Ю.В. Прохорова, Г. Пойя, П. Леви, В. Феллера, А.Я. Хинчина, Дж. Дуба, М. Лоэва, Е. Лукача, Б. Мандельброта, А.В. Скорохода, А.Н. Ширяева, В.Н. Золотарева, А.В. Булинского, Г.Г. Галустова. Теории и языкам имитационного моделирования (РШ) посвящены работы Дж. Гордона, Е. Сейджвика, А. Лоу, В. Кельтона, В.В. Емельянова, В.М. Курейчика, В.В. Курейчика. Работы Г. Буча, П. Коуда, позволили создавать системы моделирования и программирования с использованием объектно-ориентированных принципов, труды М. Фоулера с возможностями программного рефакторинга. Таким образом, были обозначены проблемы, для решения которых потребовалось привлечение математических методов в сочетании с имитационным моделированием и разработкой программного обеспечения. Отметим, что указанные проблемы в настоящее время далеки от всестороннего и законченного исследования. Поэтому задачи, решению которых посвящена диссертация, относятся к актуальным проблемам проектирования и модернизации ИС, построенных на базе телекоммуникационных сетей с пакетной коммутацией данных. Цель и задачи исследования. Основной целью и задачами исследования является развитие теории и разработка нового класса случайных процессов для моделирования современных ИС на транспорте. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач. 1. Разработка адекватных моделей ИС на транспорте, имеющих сложную структуру и множество параметров в виде СеМО. 2. Разработка стохастических моделей информационных потоков, отражающих реальные процессы, возникающие в ИС. 3. Разработка численных методов и алгоритмов анализа моделей (систем обслуживания) и модификация существующих методов. 4. Разработка методов оценки параметров моделей с использованием средств современной математической статистики. 5. Разработка эффективных генераторов для исследуемого класса стохастических моделей процессов. 6. Развитие методов имитационного моделирования и создание программного комплекса для оценки качества обслуживания в ИС на основе объектно-ориентированного подхода с возможностями программного рефакторинга. 7. Экспериментальная проверка разработанных теоретических подходов и положений на адекватность в практических задачах ИС на транспорте. Методы исследоваиия основываются на использовании фундаментальных исследований в области случайных процессов, математической статистики, теории систем и сетей массового обслуживания, теории моделирования дискретных систем. При разработке моделей информационных потоков использовались методы генерации и оценки устойчивых распределений, методы статистики направленных значений. Для моделирования телетрафика в информационных системах применялись автомодельные процессы типа Леви, модели фрактального броуновского движения, а также их обобщения. Практическая проверка разработанных моделей и методов осуществлялась путем программной эмуляции, проведения имитационных экспериментов на модельных и на реальных объектах ИС на транспорте. Научная новизна работы заключается в теоретическом обобщении и решении научно-технической проблемы, связанной с разработкой нового подхода к моделированию потоков информационного обмена в телекоммуникационных системах и сетях, в разработке на его основе нового класса моделей случайных процессов, отражающих и позволяющих учесть при анализе и проектировании новые свойства исследуемых систем и процессов в них и имеющих важное значение для оценки качества функционирования и информационного обслуживания ИС. К наиболее существенным научным результатам работы относятся следующие. 1. На основании анализа особенностей функционирования существующих ИС на транспорте: выявлены проблемы информационного взаимодействия в подсистемах управления транспортной отраслью и факторы снижения качества предоставления информационных услуг; выявлены причинно-следственные связи изменений режимов стабильного функционирования информационно-управляющих систем; определены технические элементы телекоммуникационных систем и структурные показатели потоков, оказывающие наибольшее влияние на производительность этих систем, и, как следствие, качество обслуживания.На основании анализа статистических данных в исследуемых системах: выявлены наиболее значимые для моделирования характеристики случайных процессов, протекающих в ИС, и установлена необходимость учета пиковых нагрузок, периодических зависимостей в загрузке информационных сетей на транспорте, а также свойств автомодельности и сильного последействия информационных потоков в них; выполнено обоснование выбора вида модели потока, и предложен широкий класс чисто скачкообразных стохастических процессов, использующих конструкцию процессов типа Леви; предложены законы для моделирования информационных потоков с пиковыми нагрузками на основе использования чисто скачкообразных процессов, являющихся и не являющихся процессами Леви, и вероятностных распределений с тяжелым хвостом; разработаны методы расчета числовых характеристик СеМО на основе моделей, использующих распределения направленных значений; практически реализована комплексная методика исследования информационных потоков в автоматизированной системе управления железнодорожным узлом, позволившая выполнить экспериментальную оценку параметров потоков информации, а также проверить наличие в них свойств пиковых нагрузок, автомодельности и цикличности. 3. На основании анализа существующих численных методов моделирования ИС и случайных процессов: разработаны модификации методов численного анализа характеристик узлов сетей массового обслуживания: на основе алгоритмов вычисления сверток быстрыми преобразованиями Фурье и приближенного алгоритма анализа средних значений параметров сети, позволившие существенно повысить быстродействие алгоритмов, уменьшить их вычислительную сложность и снять ограничения, существующие в информационных системах на транспорте на бесконечное число обслуживающих устройств и тип входного потока; предложен новый метод генерации а -устойчивых последовательностей случайных величин; разработаны новые методы нахождения индекса устойчивости: метод оценки параметров кругового симметричного а -устойчивого распределения по методу тригонометрических моментов и модификация оценки Хилла; получены новые типы моделей и эффективные алгоритмы генерации самоподобного Леви процесса; симметричных автомодельных процессов Леви с трендом; фрактального броуновского движения с использованием спектральной плотности последовательности, скользящего среднего, на основе триангуляции ковариационной матрицы, с использованием дискретных преобразований Фурье; получены соотношения для определения статистических характеристик потока в случае сильного последействия в последовательности приращений стохастического процесса. 4. Разработана методология имитационного моделирования транспортных ИС на основе структурной и параметрической идентификации узлов и потоков заявок в системах обслуживания и схем информационного взаимодействия функциональных компонентов систем с пакетной коммутацией данных, на базе которых построено большинство современных ИС: разработана методика моделирования ИС в визуальной среде с использованием наиболее подходящих для исследуемых объектов принципов имитационного моделирования существующих программных комплексов, стандартов языков моделирования на основе С4Ж-технологий, принципов объектно-ориентированного проектирования и программирования и возможностей программного рефакторинга; разработана полнофункциональная система ИМ информационных потоков в системах телекоммуникаций на транспорте в виде программного комплекса, который позволяет применять его для моделирования предметно-ориентированных ИС: задавать структуру и параметры системы, генерировать потоки заявок и телетрафик, рассчитывать временные характеристики подсистем ИС, определять причины снижения качества обслуживания по сравнению с проектными характеристиками и формировать рекомендации по устранению этих причин. 5. На основании анализа проблем обеспечения информационной поддержки существующих ИС на транспорте разработаны модели численного анализа для информационно-вычислительных центров железных дорог и систем поддержки и принятия решений в автоматизированных системах управления железнодорожными станциями: с применением «Среды визуальной разработки и имитационного моделирования информационных систем с использованием методов объектно-ориентированного проектирования» на уровне специалиста предметной области разработаны алгоритмы моделирования основных узлов обслуживания сетевых интегрированных АСУЖТ, впервые представленные средствами СеМО; разработана методика статистического анализа данных для подсистемы поддержки принятия решений в автоматизированной системе управления станцией. Практическая ценность. Предложенные теоретические подходы к представлению ИС в виде СеМО и формальному описанию случайных процессов в них используются в интегрированных информационноуправляющих системах железнодорожного транспорта для оценки качества их функционирования. Практическую ценность представляют следующие результаты. 1. Разработан, внедрен и адаптирован комплекс программ (КП) для моделирования работы АСУЖТ Северо-Кавказской железной дороги (СКжд). Внедрение этого комплекса позволило определить «узкие места» в системах управления и предложить обоснованные рекомендации по их устранению. 2. Разработаны и внедрены в АСУЖТ СКжд методы моделирования и оценки потоков данных, позволяющие повысить эффективность и качество функционирования действующих систем поддержки принятия решений в автоматизированных системах управления сортировочным процессом. 3. Разработан комплекс программ, в котором практически реализованы методы численного расчета подсистем в составе сети передачи данных «ОАО» РЖД, позволяющие оценить их производительность и, как следствие, повысить эффективность и устойчивость функционирования сети. 4. На основе статистического анализа потоков информации в системах СР1РИГУС, автоматизированной системе оперативного управления перевозками (АСОУП) и автоматизированной системе управления станцией (АСУ СТ) были выявлены следующие закономерности: наличие пиковых режимов работы ИС, как случайных, возникающих в случае нештатных ситуаций, так и циклических, связанных с особенностями технологического процесса, приводящих к сбоям в работе систем, неудовлетворительному качеству обслуживания клиентов, несвоевременности предоставления информации, а также предложены методы по устранению этих недостатков в работе АСУЖТ; наличие свойства автомодельности и сильного последействия в телетрафике, свидетельствующие о долговременной корреляционной зависимости в данных, что приводило к неверной оценке основных показателей работы информационных подсистем. В соответствии с выявленными особенностями потоков данных разработаны: методика оперативного статистического анализа свойств информационных потоков с использованием как наиболее распространенных методов оценки параметров потоков, так и разработанных автором; методика оперативного прогноза нагрузки в реальном времени на информационные подсистемы сети обслуживания, который может быть распространен на различные масштабы времени и использован для планирования пропускной способности; методика анализа и контроля использования АСОУП и СИРИУС, Достоверность научных и практнческих результатов работы. Научные положения, результаты и выводы, сформулированные в диссертации, строго аргументированы. Сформулированные в работе законы моделирования, разработанные численные методы и алгоритмы основываются на известных в теории очередей, теории случайных процессов, теории телетрафика фундаментальных понятиях и подходах. Достоверность теоретических результатов подтверждается четкостью постановок задач, формулировок основных утверждений и определений, корректностью математических доказательств. Достоверность результатов и выводов подтверждается данными экспериментальных исследований и имитационных экспериментов, а также результатами эксплуатации разработанных методов и комплексов программ, внедренных в качестве подсистем в функционирующие ИС, Реалнзация результатов работы. Работа выполнялась в рамках утвержденной Правительством РФ Федеральной целевой программы «Модернизация транспортной системы России 2002 2010 годы», подпрограмма «Железнодорожный транспорт», а также в рамках программы «Фундаментальные и поисковые научно-исследовательские работы», выполняемой по заказу Департамента Технической политики ОАО «РЖД» по следующим тематикам, непосредственным исполнителем которых являлся автор: «Методология исследования и синтеза информационно- управляющих систем железнодорожного транспорта на основе теории массового обслуживания» (2003 г,, J b 680/28 от 28,05,2003); «Автоматизация V железнодорожных комплексов (сортировочных станций): проблемы моделирования и управления» (2004 г,, 535/770 от 7,09,2004); «Методы и средства контроля и диагностирования устройств железнодорожной автоматики и связи» (2005 г., 835/312 от 24.06,2005),
