Введение к работе
Актуальность научной задачи. Проблема создания географически распределенных мониторинговых систем актуальна для многих областей науки - астрономии, геофизики, метеорологии и др.
Развитие современных компьютерных технологий - распределенных вычислительных систем, web-ориентированных средств доступа к экспериментальным данным, - требует реализации нового подхода к информационно-вычислительному обеспечению наземных астрономических экспериментов. Необходимо учитывать информационную открытость мирового астрономического сообщества, которая определяет выбор форматов данных, методологию и технологию организации наблюдательного процесса.
В России весьма перспективно создание географически распределенной системы автоматизированных телескопов. Большая протяженность территории по долготе позволит осуществить непрерывную в течение суток цепочку наблюдений, с помощью которых можно будет последовательно наблюдать, например, уникальные транзиентные объекты, отслеживая их изменяющиеся физические особенности. Широтное распределение способствует абстрагированию от погодных условий. Географическая протяженность нашей страны предоставляет возможность проведения уникальных экспериментов и равноправного участия в международных мониторинговых проектах.
Современные телескопы весьма дорогостоящие сооружения. Их эксплуатация, сбор, хранение, доступ к полученным данным требует значительных затрат, а следовательно, эффективного использования временного ресурса - наблюдательного времени, для чего необходима правильная организация всего наблюдательного процесса. Используя современные информационные технологии, требуется пересмотреть всю технологическую цепочку проведения наблюдения и взаимосвязи отдельных этапов, формализовать определение этапов наблюдательного процесса, необходимых для этого ресурсов и стандартизовать информационные потоки.
Актуальность диссертационного исследования определена необходимостью разработки средств и методов проведения и контроля распределенного эксперимента (наблюдательного цикла). Важное значение имеет развитие алгоритмического и программного обеспечения для автоматизированных устройств мониторинга небесных объектов. Использовать для решения данных задач реализованные за рубежом специализированные проприетарные программные продукты нецелесообразно, ввиду высокой цены лицензий, а также ввиду отсутствия возможности модификации, интеграции с уже разработанным, свободным астрономическим программным обеспечением. Идея использования open source, разработки собственных программных средств для реализации экспериментальной системы автоматизированных те-
лескопов была неоднократно поддержана потенциальными участниками и инвесторами проекта на семинарах-совещаниях «Информационные системы в фундаментальной науке», проводимых в САО РАН, и конференциях, посвященных проблематике виртуальных обсерваторий.
Объектами исследования выступают телескопы малого и умеренного диаметра, обладающие различными средствами автоматизации и объединенные каналом передачи информации.
Предмет исследования — методы математического и имитационного моделирования процессов распределенного мониторинга небесных объектов, осуществляемого автоматизированными астрономическими комплексами.
Цель настоящего исследования состоит в повышении эффективности использования наблюдательного времени при проведении распределенных мониторинговых экспериментов.
Общая научная задача - моделирование процессов распределенного мониторинга небесных объектов, осуществляемого астрономическими станциями,
В процессе выполнения диссертационной работы были поставлены и решены следующие задачи:
-
Исследование применимости методов моделирования систем массового обслуживания к новому типу объектов (системам малых телескопов) для анализа характеристик качества обслуживания.
-
Разработка алгоритма и программы имитационного моделирования группового взаимодействия телескопов (дисциплина обслуживания - с явными потерями), проведение вычислительного эксперимента, адекватно описывающего процессы, происходящие в реальных системах.
-
Разработка алгоритмов и программ имитационного моделирования процессов группового взаимодействия телескопов, соответствующих требованиям концептуальной модели, в целях повышения эффективности использования наблюдательного времени при проведении распределенного мониторинга (дисциплина обслуживания — с ожиданием и с раздельными очередями).
-
Моделирование и разработка системы, обеспечивающей планирование и перераспределение задач в ходе удаленных наблюдений на основе наиболее подходящей дисциплины обслуживания и стратегии управления (по результатам вычислительных экспериментов и статистических исследований, с учетом географической распределенности и прочих особенностей группового мониторинга).
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математическая модель оценки runtime-потерь в системе, состоящей из телескопов и центра на основе цепей Маркова, отличающаяся методикой решения уравнения Колмогорова для случая непрерывного времени работы системы.
-
Алгоритм и программа имитационного моделирования распределенного мониторинга небесных объектов (дисциплина обслуживания - с явными потерями), а также полученные в ходе вычислительного эксперимента выводы и результаты.
-
Алгоритмы и программы имитационного моделирования, адаптированные, согласно требованиям концептуальной модели и улучшенные с целью более эффективного использования наблюдательного времени, сравнительный анализ результатов вычислительных экспериментов.
-
Программная реализация системы планирования и контроля распределенных наблюдений, обеспечивающая перераспределение задач в системе телескопов.
Научная новизна
-
Впервые методы теории массового обслуживания применены для исследования объектов нового типа(систем распределенного астрономического мониторинга).
-
Разработаны новый алгоритм и программа анализа распределенного мониторинга и характеристик качества обслуживания, использующие имитационное моделирование и результаты измерений вероятностных характеристик случайных процессов в реальных системах малых телескопов.
-
Разработано новое алгоритмическое и программное обеспечение имитационного моделирования процессов распределенного мониторинга, соответствующее требованиям концептуальной модели (зарегистрировано в установленном порядке).
-
На основании результатов проведенных вычислительных экспериментов, в соответствии с выбранной стратегией взаимодействия и дисциплиной обслуживания, разработана новая система планирования и перераспределения задач для группы малых телескопов.
Практическая значимость состоит в том, что разработанные математические модели и программное обеспечение, а также рекомендации и статистические данные могут быть использованы при создании новых систем автоматизированных телескопов. Кроме того, созданное автором программное обеспечение может быть применено при автоматизации системы управления телескопа обсерватории СГУ, малого телескопа САО РАН, а также цифровой метеостанции RST САО РАН. Внедрение результатов в учебный процесс в СГУ и в САО РАН подтверждено соответствующими актами внедрения. Программное обеспечение зарегистрировано в установленном порядке.
Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, обеспечивается использованием современного математического аппарата и инструментальных средств, в частности, пакетов MathCAD 14, Arena 10 для расчетов ряда характеристик, а также использованием актуальных баз астрономических данных, для сравнения с результатами работы программ.
Производилась обработка открытой, доступной информации о характеристиках работы существующих за рубежом систем и сетей автоматизированного астрономического мониторинга.
Апробация результатов исследования. Основные положения диссертационной работы и вопросы их практического использования докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
5 и 6 семинарах-совещаниях «Информационные системы в фундаментальной науке», проводимых в САО РАН (Нижний Архыз, 2007,2009);
всероссийских конференциях «Научный сервис в сети Интернет» (г. Новороссийск, 2006,2008);
7 всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (г. Йошкар-Ола, 2006);
7 международной конференции «Вероятностные методы в дискретной математике» (г. Петрозаводск, 2008);
международной конференции «Современные методы физико-математических наук» (г. Орел, 2006);
1 Инновационном конвенте (г. Москва, 2008);
51-55 научно-методических конференциях «Университетская наука - региону», проводимых в СГУ (2006-2010);
10 всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (г. Сочи, 2009). Выступление с докладом на симпозиуме поддержано РФФИ в рамках инициативной программы «Мобильность молодых ученых». Автором работы получен грант 09-07-16021-моб_з_рос;
11 всероссийском симпозиуме по прикладной и промышленной математике (г. Кисловодск, 2010).
Личный вклад автора. Автору принадлежат:
результаты исследований существующих проектов автоматизированных сетей телескопов и характеристик каналов связи с негарантированным временем доставки требований;
аналитические выражения, полученные при моделировании потерь в системах телескопов;
разработка алгоритмов и программ имитационного моделирования для систем телескопов с явными потерями, с ожиданием и с раздельными очередями, результаты вычислительных экспериментов и выводы получены лично автором;
разработанная программа, реализующая базовые функции системы контроля и управления распределенным экспериментом.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 12 работах (3 - в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК для представления результатов кандидатских и докторских диссертаций, 4 - в трудах международных и всероссийских конференций, 5 - в материалах
региональных конференций). Общий объем публикаций составляет 1.48 п.л., из них автору принадлежит 0.95 п.л.
Структура диссертации. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений; всего 168 страниц (основной текст составляет 126 страниц), 28 рисунков, 8 таблиц. Список литературы включает 101 наименование.
![Математические модели и программные средства распределенных систем видеонаблюдения и идентификации объектов [Электронный ресурс]](/i/i/4487/180575.png "Математические модели и программные средства распределенных систем видеонаблюдения и идентификации объектов [Электронный ресурс] Соловьев Борис Александрович")
