Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Использование принципов системного подхода для анализа окружающей среды 12
1.1 Основы системного подхода 12
1.2 О состоянии окружающей среды Санкт-Петербурга и Ленинградской области 17
1.3 Закономерности поведения сложных и больших систем 30
1.4 Принципы системного подхода 34
1.5 Понятие об интеллекте 38
1.6 Категории управления 39
1.7 Акт принятия решения 43
1.8 Последовательность разработки моделей и их машинная реализация 44
1.9 Машинный эксперимент и интерпретация результатов моделирования 48
Глава 2. Характеристики и модели окружающей среды 50
2.1 Понятие об экологической устойчивости 50
2.2 Математические модели переноса примесей в атмосфере и океане 59
2.3 Математические модели процесса миграции загрязнителей в подземных водах 66
2.4 Математическая модель качества воды 72
2.5 Модель управления динамикой атмосферных загрязнений 75
2.6 Модель гидрохимических воздействий на водоемы 82
Глава 3. Исследование характеристик информационного обеспечения системы управления охраной окружающей среды 89
3.1 Цели и задачи обработки экологической информации 89
3.2 Выбор рациональной структуры компьютерной сети 100
3.3 Компьютерная сеть как система массового обслуживания 111
3.4 Исследование характеристик одноканальных КВС 115
3.5 Исследование характеристик многоканальных КВС 121
3.6 Приближенные оценки характеристик КВС 126
3.7 Имитационное моделирование производительности компьютерной сети 128
Глава 4. Исследование ВС с приоритетным обслуживанием 137
4.1 Понятия о приоритетном обслуживании 137
4.2 Исследования очередей процесса обслуживания на периоде занятости 142
4.3 Процесс разгрузки сервера 150
4.4 Дисциплины обслуживания с абсолютным приоритетом 152
Заключение 164
Литература 166
- Основы системного подхода
- Понятие об экологической устойчивости
- Выбор рациональной структуры компьютерной сети
- Дисциплины обслуживания с абсолютным приоритетом
Основы системного подхода
Окружающая среда - это совокупность объектов и явлений, в которой трудятся и отдыхают люди. Сюда, например, входят промышленные и транспортные предприятия, сфера обслуживания, природные ресурсы (воздух, вода, животный и растительный мир).
Окружающая среда включает в себя не только физические, но и экономические и политические факторы.
Повышенный интерес в настоящее время к управлению охраной окружающей средой связан с правильным пониманием серьезных последствий нарушения ее качества. Это, прежде всего, загрязнение воздуха, воды, истощение природных ресурсов.
Вопросы управления внешней средой пока решаются неэффективно и здесь можно выделить следующие основные причины [11,20]:
- неумение исследователей представлять необходимую информацию для лиц, принимающих решение, в понятной форме;
- неадекватность данных;
- неопределенность и трудности установления причинно-следственных связей между критериями оценки параметров окружающей среды;
- наличие ошибочных мнений о невозможности применения аналитических методов в исследованиях;
- неспособность многих исследователей выразить цели планирования так, чтобы можно было объективно оценить прогресс в решении рассматриваемых задач.
Системный подход имеет большие преимущества в решении проблем окружающей среды. Он позволяет систематизировать правила выбора верного решения, выявить связи между переменными, оценивающими состояние среды, существенно улучшить планирование при решении рассматриваемых проблем.
Наиболее развернутое определение системного анализа принадлежит Квейду: "Системный подход помогает лицу, принимающему решение, выбрать последовательность действий путем общего изучения стоящей перед ним проблемы, определения цели, нахождения вариантов решения и сравнения последних под углом зрения соответствующих им результатов, причем для квалифицированного суждения об исследуемой проблеме по возможности используются аналитические зависимости.
При системном анализе должно учитываться следующее:
- процесс принятия решения осуществляется так, чтобы используемые способы выбора решения можно было оценить, улучшить или заменить на другие;
- критерии и оценки, на основе которых принимается решение, должны быть четкими и однозначными;
- усилия, затраченные на нахождение связей между причиной и следствием, могут быть в дальнейшем оправданы лучшим пониманием изучаемой проблемы.
Из литературы [26,32] известно использование системного анализа в решении таких проблем, как загрязнение окружающей среды, транспортные потоки, использование земли, образование, медицинское обслуживание, криминалистика.
Системный анализ - это наука, которая увязывает в единый комплекс разрозненные методы исследования систем на различных уровнях их изучения и фазах существования. Она позволяет, на основании изучения общих свойств, познать частные, в отличие от классических способов познания, где на основании изучения частностей познается общее. Фундаментальным понятием в системном анализе является понятие о системе. Понятие о системе очень общее понятие. Подтверждением этого являются такие примеры :
- совокупность средств (объектов), предназначенных для выполнения определенных целей,
- определенный порядок в рассмотрении связей частей чего-то,
- совокупность признаков, служащих основанием для какого-то учения,
- то, что стало нормальным, обычным, регулярным.
Существуют разновидности систем, связанные, прежде всего с их строением и выполняемыми функциями или функциональными возможностями. Причем этим разновидностям свойственно одно главное свойство - это целостность. Данное свойство означает, что ни один из элементов, входящих в систему, не обладает теми свойствами, которыми обладает сама система.
С позиций функционирования системы могут быть простыми, сложными или большими. В простых системах управление сводится к стабилизации параметров, к программному управлению или к слежению. Иногда эти операции совмещаются.
Сложной является такая система, которая может принимать решения, например на уровне искусственного интеллекта.
Большой называется сложная система, в которой имеется контур с человеком, причем в назначение человека входит выполнение акта принятия решения.
В дальнейшем при рассмотрении материала нечто целостное, отвечающее приведенным определениям будем называть системой, а его составляющие части подсистемами.
С позиций структурного построения системы и ее взаимодействия с себе подобными, особый интерес представляют иерархические свойства. Иерархия - это многоуровневые системы, определенным образом взаимодействующие, имеющие приоритет в воздействиях и сборе информации. Любая иерархия состоит из вертикально соподчиненных подсистем. Пример иерархической системы приведен на рис 1.1. Информация, переданная сверху вниз называется управлением (иногда координацией)ипі, информация, поступившая снизу вверх называется обратной связью.
Существенные характеристики иерархии следующие : приоритет действия или право вмешательства принадлежат подсистемам верхнего уровня, зависимость действия подсистем верхнего уровня от практического исполнения управлений подсистемами нижнего уровня.
Иерархия подчеркивает факт взаимозависимости подсистем друг от друга. Существуют централизованные иерархии и децентрализованные.
Под первой понимается такая, когда управление верхнего уровня системы является обязательным для нижнего, причем управляющие воздействия распространяются сверху вниз, а информационные потоки идут снизу вверх (состояния указовых координат, параметры внешней среды и др.).
В децентрализованной системе каждая подсистема функционирует самостоятельно, управление этой подсистемой вырабатывается внутри ее на основании информации, выкачиваемой из внешней среды. Иерархическая система с централизованным управлением с позиций организации лучше, чем децентрализованная. Она обладает большей мобильностью, быстродействием, с позиций реакции на изменение среды. Однако технически реализация централизованной системы иногда оказывается чрезвычайно сложной из-за создания сложных коммуникаций для передачи "наверх" и переработки информации.
Понятие об экологической устойчивости
Опыт промышленного развития стран доказывает, что средства вкладываемые в охрану окружающей среды окупаются и приносят прибыль. В США свыше 30 компаний монополизировали выпуск очистных установок с гарантией комплектности поставки, монтажом и пуском оборудования. Экотехника превратилась в рентабельную продукцию и составляет доходную статью внешнеторговых операций.
Фирмы многих стран, которые производят продукцию металлургии, цветных металлов, автомобилей, целлюлозы и бумаги, химических веществ, электрической энергии, что является причиной крупных загрязнений, взяли на себя значительную долю капиталовложений по осуществлению мер по борьбе за обеспечение экологической устойчивости развития. Некоторые фирмы создали исследовательские группы по разработке новейших технологий по защите окружающей среды.
В России в настоящее время почти не осталось естественных экосистем. Они превратились в антропогенные.
Так, основными загрязнителями атмосферы являются сернистый газ, сульфаты, окислы азота, углеводороды, тяжелые металлы. Тяжелые металлы накапливаются в грунте, в результате их количество во много раз превосходит предельные нормы. Существующие методы и установки для очистки промышленных и сельскохозяйственных стоков не улавливают тяжелые металлы, а развитие безотходных технологий сильно отстает от потребностей.
В результате загрязнения окружающей среды во многих странах Европы становится кислой на глубину распространения корневой системы деревьев. Нарушается способность корней поглощать воду из почвы и удерживать ее в листьях, растения утрачивают устойчивость к засухе и другим неблагоприятным факторам.
В почвах Европы наблюдается процесс необратимого подкисления, стоимость мероприятий по ликвидации этих явлений может оказаться за пределами экономических возможностей.
Современное сельское хозяйство имеет высокий уровень химизации. Однако использование химических средств, в режиме далеком от оптимального, может принести значительный вред.
Накопление в окружающей среде химических веществ происходит со скоростью, создающей угрозу благополучию человеческого общества.
В результате денитрификационных процессов вызывающих значительные потери азота в виде газообразных окислов, в интенсивном земледелии потери вносимого азота достигли 30 - 45%. Это существенно влияет на перераспределение естественных потоков окислов азота в атмосфере. Рост содержания нитратов в водной среде приводит к эвтрофикации водоемов, гибели рыбы, болезням людей и животных. Если растения обычно не страдают от избытка в них нитратов, то для животных и человека эти соединения токсичны, особенно нитриты, токсичность которых в 10 раз выше токсичности нитратов.
Большой вклад в загрязнение окружающей среды вносят промышленные предприятия и транспорт.
Понятие об экологической устойчивости развития общества можно продемонстрировать на примерах характера изменений показателей загрязнений окружающей среды, которые изображены на рис. 2.1-К2.7.
Наибольший шанс потерять экологическую устойчивость имеют системы представленные на рис. 2.1 и 2.5.
Могут оказаться в неустойчивом состоянии системы рис. 2.3 и 2.6 в том случае, если амплитуды изменения показателей загрязнений превзойдут предельные значения.
В общем случае под экологической устойчивостью развития будем понимать возможность проживания с обеспечением активной трудовой деятельности и отдыха без патологических изменений в организме человека.
Такие условия проживания возможны, если параметры загрязнения окружающей среды не превосходят санитарных норм.
Получим математическую модель для оценки загрязнений и определения экологической устойчивости на основе следующих концептуальных понятий.
Предположим, что для определения загрязнения взято вещество массой МЕ. В данном веществе определено нахождение вредных примесей массой МВп. Тогда показателем загрязнений (концентрации) будет следующая величина
Необходимо при анализе процесса реального изменения вредных выбросов иметь в виду миграцию, растворение вредных веществ. Это справедливо особенно, когда рассматриваются такие среды как вода и атмосфера.
Количество вредных выбросов может регулироваться человеком с помощью управляющих воздействий и. Поэтому изменение вредных выбросов можно представить так
Данная математическая модель позволяет качественно и в количественном виде исследовать задачи экологической устойчивости.
Устойчивость будет обеспечена тогда, когда все коэффициенты левой части будут положительными.
Сделаем некоторые качественные оценки по экологической устойчивости. Устойчивость будет обеспечиваться, когда декремент затухания колебаний будет лежать в пределах 0 3 о (2.14)
Его увеличение приводит к гладким динамическим характеристикам, уменьшение - к появлению колебательности и к потере устойчивости. В случае потери устойчивости происходит неограниченный рост загрязнений (д - со), окружающая среда делается опасной для человека, животного и растительного мира. Реально это означает, что количество вредных выбросов Мвв значительно превосходит количество нейтрализуемой массы Мр. В этом случае управление и со стороны человека оказывается неэффективным. Тогда возникает необходимость повышения эффективности управления за счет выработки дополнительных управлений с целью нейтрализации Мвв.
Выбор рациональной структуры компьютерной сети
Многоступенчатая структура управления рациональным состоянием экологической обстановки может быть создана на основе некоторой организационной сети. Обозначим ее О-сеть.
Чтобы отличать сеть от обычных ориентированных графов, обозначим ее через N(V,A), где элементы множества V называют вершинами, а элементы множества А - дугами. Технологические процессы сбора, обработки, хранения и обмена информацией для решения задач будут представлять собой поток в сети N. Потоком в сети N называют целочисленную функцию ф, определенную на А. Целое число ср(а) называют потоком по дуге а. Более точно, если а = (v, w), то говорят, что поток направлен от v к w при (р{ъ) О и от w к v при р(а) О. Вершины сети N классифицируют по их воздействию на поток а (создают, поглощают или сохраняют поток). Чтобы формализовать классификацию, обозначим через v— V множество дуг, для которых v является начальной вершиной, а через V — v - множество дуг, для которых v - конечная вершина. Тогда целое число Q(v, p), определяемое соотношением Q(v, р)= 2] # (а) = 2 (а) называют чистым потоком из v относительно а.
Будем далее писать просто &У), если наличие q очевидно из контекста.
Сгруппируем теперь вершины сети N в множества V+, V и V следующим образом:
Элементы множеств V+,V n V0 называют источниками, стоками, промежуточными вершинами соответственно. Эти вершины создают, потребляют и сохраняют поток. Сеть в целом создает любой поток ф в том смысле, что ]Tig(v) = 0. Это легко увидеть, записав следующее выражение:
Заметим, что каждая дуга входит точно один раз в каждую двойную сумму.
Технологический процесс решения задач можно представить себе как некоторую последовательность функциональных операторов [2]: где X соответствует множеству исходных данных, a Y - множеству промежуточных результатов, получаемых в процессе выполнения функциональных операторов ФІ.
Процесс решения задач представляет собой технологическую граф-схему (ТГС) (рис. 3.4). Соединение вершины, соответствующей функциональному оператору Ф с вершиной, соответствующей функциональному оператору Фі, должно производиться только в том случае, когда результат, полученный после работы функционального оператора Ф является одним из аргументов оператора ФІ. Общая технологическая граф-схема состоит из пяти этапов, соответствующих функциональным операторам:
Фі - сбор. Подготовка, первичная обработка, контроль и доведение информации до операторов или выдача в каналы связи, либо передача на последующую обработку;
Ф2 - дополнительная обработка, контроль, формирование специализированных файлов, выдача справок, корректировка информации;
Фз - решение задач, контроль, организация информации для доведения ее до потребителей;
Ф4 - контроль и доведение информации до операторов, потребителей, в каналы связи и на средства отображения;
Ф5 - хранение и контроль информации.
Тогда технологический процесс будет представлять собой такую последовательность функциональных операторов
Исходя из указанных положений, строят технологические граф-схемы по каждому циклу решения задач. Затем ТГС по циклам решения, задач объединяют в общую ТГС. Оперативные задачи решают по следующим основным технологическим циклам (информационным цепочкам): Si І - информационно-логический цикл по информационной цепочке: объекты-исполнители (К) (реализация этапов Фі, Фг) представляют информацию в центр системы, где она проходит обработку по всем этапам ТГС; 512 - директивный цикл реализуется в центре оператором Ф4 и на К объектах оператором Фі; 513 - отчетный цикл реализуется на К объектах оператором Фі и в центре системы операторами Ф] - ф5.
Рассматривая организационную сеть, например, отрасли относительно ТГС, классов задач, можно определить, что плановые задачи решают на всей сети по двум принципам управления отраслью: 1) функциональному (предприятия, ЦКБ - головные институты - отрасль). Назовем соответствующую сеть функциональной О-сетыо (Ф0-сеть); 2) линейному (прямое подчинение: предприятие - объединение - отрасль). Назовем организационную сеть линейной О-сетью (Л0-сеть). Технологический процесс сбора и обработки информации оперативных и отчетно-статистических задач, как видно из их ТГС, носит территориальный принцип. Назовем такую О-сеть территориальной (Т0-сеть).
Произведя привязку ТГС циклов решения задач по классам к составляющим О-сети, получим следующие схемы.
Три цикла оперативных задач на Т0-сети сводятся к трем схемам:
1. Параллельно-коллекторная (фпк) схема информационно-логического цикла оперативных задач, характеризующая процесс создания независимых баз данных по комплексам задач и технологическим этапам. Под независимыми понимают такие базы данных, в которых данные распределены по комплексам задач, ориентированных на определенного пользователя, взаимосвязь между ними производится отдельными ключами и с разрешения пользователя. Такие условия диктуются специальными требованиями на решение задач.
Исходя из объемно-временных характеристик оперативных задач операторы Ф] и Ф2 ТГС можно объединить и представить информационно-логический цикл в виде коллекторной схемы (сборки), соответствующей передаче информации из всех источников (предприятий, заказчиков, органов управления, программно-технических комплексов, машинных носителей) в один (формирование независимых баз данных на ЭВМ).
2. Радиально-узловая трансляционная (фР.т) или радиально-разветвленная схема цикла оперативных задач, характеризующая процесс доведения директивной информации из директивного органа по каналам связи до исполнителей по географическому (территориальному) принципу их размещения.
3. Радиально-узловая коллекторная (фр.к) схема отчетного цикла оперативных задач, характеризующая процесс получения и преобразования информации от исполнителей директивным органам по географическому (территориальному) принципу их размещения.
Дисциплины обслуживания с абсолютным приоритетом
Выше были рассмотрены дисциплины обслуживания с абсолютным приоритетом, при котором требование высшего приоритета имеет право прервать обслуживание требования низшего приоритета.
Правила, по которым будет обслужено вытесненное требование, определяют абсолютный приоритет с дообслуживанием, с повторением обслуживания и с обслуживанием заново. Рассмотрим более подробно эти дисциплины и получим аналитические выражения, необходимые для имитационного моделирования. Данный материал основывается на [89,100,101].
Абсолютная приоритетная дисциплина с повторением обслуживания и с обслуживанием заново применима тогда, когда по техническим соображениям требуется возобновить обслуживание. Например, при отказе сервера в ЛВС необходимо после его ремонта запустить заново программу, это как раз иллюстрирует абсолютную приоритетную дисциплину с повторением обслуживания. Абсолютные приоритеты с обслуживанием заново и повторением обслуживания могут возникнуть по различным причинам, связанными с изменчивостью времени обслуживания. Объясняется это так. Если для всех требований, принадлежащих одному и тому же классу необходим равный и постоянный объем обслуживания, но скорость обслуживания при всяком поступлении на сервер требования выбирается независимо случайно, то вытесненное требование, поступая вновь на обслуживание, остается в системе в течении случайного интервала времени, независимого от предыдущего течения процесса, и это приводит к абсолютной приоритетной дисциплине с обслуживанием заново. Когда объемы обслуживания, необходимые различным требованиям, суть независимые одинаково распределенные случайные величины, а скорость обслуживания сервером постоянна, то это приводит к абсолютной приоритетной дисциплине с повторением обслуживания. Время, проводимое на сервере каждым вытесненным требованием при очередном повторении обслуживания, зависит от числа прошлых вытеснений и времени, уже затраченного на его обслуживание.
Поскольку для любой дисциплины с абсолютным приоритетом неприоритетное требование обслуживается тогда, когда в системе нет приоритетных требований, то процесс на цикле обслуживания заканчивается одновременно с окончанием обслуживания неприоритетного требования. Поэтому Ш] = 0 в функции f (rrij, x2,t) и а2 = 0 (4.1), рис 4.1. Полагаем Хг = Хг при бесконечном приоритетном источнике и Xl = NjTtj при конечном. Процесс на цикле обслуживания не зависит от объема неприоритетного источника, так как на цикле обслуживания обслуживается только одно неприоритетное требование. Получим названные вероятности для различных дисциплин обслуживания.
Процесс обслуживания полностью определяется плотностями если приоритетный источник бесконечен или конечен, величина ш] принимает значения от 1 до оо или от 1 до N]. Модель процесса обслуживания будет следующей
Рассмотрим цикл обслуживания для некоторого частного требования, имеющего время обслуживания Z. Это означает, что когда требование поступает на обслуживание, оно требует времени обслуживания Z. Цикл обслуживания закончится только тогда, когда данное требование будет обслуживаться непрерывно в течении времени Z
Рассмотрим абсолютный приоритет с обслуживанием заново.
Для этой дисциплины вытесненное требование при очередном поступлении на обслуживающий прибор остается на нем некоторое случайное время, не зависящее от длительностей предыдущих интервалов обслуживания.
Определим плотности вероятностей f (0,x2,t), g (m x t HC t) и получим следующие уравнения
Рассмотренные в данной главе дисциплины обслуживания и соответствующие их аналитические выражения положены в основу создания математических моделей ЛВС с приоритетным обслуживанием.
Важность данного вида обслуживания несомненна, особенно в информационных системах, с помощью которых контролируются опасные для общества процессы и природные явления. Стандарта на техническую реализацию подобного обслуживания не существует. Поэтому необходимо остановиться на концепциях создания этого стандарта.
Решение о выборе заявки на обслуживание может быть принято внесистемно, т.е. оно может зависеть только от номера приоритета соответствующего классу, к которому принадлежит заявка. Но оно может быть принято внутрисистемно, т.е решение может основываться на заключениях касающихся текущего состояния маршрутизатора, например, типа обслуженной заявки или временем ожидания заявки в текущий момент.
Как в первом, так и во втором случае, решение о продолжении обслуживания заявки находящейся в буфере маршрутизатора, может зависеть или не зависеть от состояния компьютерной сети.
Доступ по приоритету запроса
Доступ по приоритету запроса (demand priority) - относительно новый метод доступа, разработанный для сети Ethernet со скоростью передачи данных 100 Мбис/сек - 100VG-AnyLAN. Он стандартизирован IEEE в категории 802.12.
Этот метод доступа учитывает своеобразную конфигурацию сетей 100VG-AnyLAN: они состоят только из концентраторов и оконечных узлов. Концентраторы управляют доступом к кабелю, последовательно опрашивая каждый узел в сети и выявляя запросы на передачу. Концентратор должен знать все адреса связи и узлы и проверять их работоспособность. Оконечным узлом, в соответствии с определением 100VG-AnyLAN, может быть компьютер, мост, маршрутизатор или коммутатор.
Состояние приоритетов запроса
При доступе к приоритету запроса, как и при CSMA/CD, два компьютера могут конкурировать за право передать данные. Однако только последний метод реализует схему, по которой определенные типы данных (если возникло состязание) имеют соответствующий приоритет. Получив одновременно два запроса, концентратор вначале отдает предпочтение запросу с более высоким приоритетом. Если запросы имеют одинаковый приоритет, они будут выполнены в произвольном порядке.
В сетях с использованием доступа по приоритету запроса каждый компьютер может одновременно передавать и принимать данные, поскольку для этих сетей разработана специальная схема кабеля. В них применяется восьмипроводной кабель, по каждой паре проводов которого сигналы передаются с частотой 25 МГц.
