Введение к работе
Актуальность темы. Основу построения современных информационно-управляющих систем, находящих применение в промышленности, сфере планирования, на транспорте и военном деле, составляют электронно-вычислительные машины в комплексе со средствами передачи дискретной информации на расстояния, определяемые назначением системы, - от нескольких километров (управление механизмами и технологическими процессами) до сотен (системы массового обслуживания и коллективного пользования) и тысяч километров (замкнутые системы управления с объектами, рассредоточенными на большой территории).
Каждое решение, вырабатываемое в процессе управления, должно удовлетворять трем обязательным требованиям: полноты, своевременности и оптимальности. Первичной платформой для выполнения всех указанных требований являются информационные ресурсы, используемые управляющей системой. Аксиоматичен факт - информация, на основе которой проводится анализ положения дел, и принимаются решения, должна быть верной. Несоответствие осведомительных сведений реальности может привести к существенным материальным потерям, поскольку при этом управление из фактора организующего трансформируется в фактор разрушающий.
Решающее влияние на верность информации, хранящейся и циркулирующей в информационно-управляющей системе, оказывает аппаратное обеспечение. Высокое качество компьютеров, внешних накопителей и коммуникационных средств является залогом надежной и эффективной работы системы. Одновременно с этим, важную роль в решении общей проблемы обеспечения верности информации играют и алгоритмические методы, позволяющие повысить верность за счет дополнительных процедур обработки.
Применение алгоритмических методов повышения верности в одних случаях является целесообразным, а в других - необходимым. Примером необходимого использования алгоритмических методов является процесс передачи данных. Каналы связи, на основе которых строятся системы сбора и передачи данных, как правило, подвержены воздействию большого числа возмущающих факторов - источников помех, прігводящих к ошибкам при передаче данных. Как показывают экспериментальные исследования, проводимые на реальных каналах связи, вероятность искажения информационного элемента при передаче данных лежит в пределах КГ6 - 1(Г2. В то же время допустимые значения вероятности ошибок для современных информационных и управляющих систем находится в пределах 1СГ8 - 10~* на знак (байт). Сопоставление частоты возникновения ошибок в реальных каналах связи с требованиями к верности передачи данных в современных информационно-управляющих системах показывает, что необходимы специальные средства защиты информации, обеспечивающие снижение вероятности искажений на 2 - 3, а иногда и более порядков.
Если рассматривать конечную цель информационного процесса, например, получение оптимального плана или принятие правильного решения, то
понятие верности информации следует толковать широко, связывая с ним j только характеристики точности данных, но и показатели достоверности (и тинности) знаний, полноты баз, адекватности математических описаний р< альным процессам. В этом случае к алгоритмическим методам повышен! верности относятся алгоритмические (не представляемые аналитически) pi шения, связанные с расширением сфер применения и улучшением характері стик известных методов моделирования, прогнозирования, оптимизаци классификации, ранжирования и т.д. В группе этих методов оказываются алгоритмы устранения противоречивости, неполноты, неточности, неопред ленности информации, а также алгоритмы повышения доступности имен щихся данных для решения задач анализа и управления.
Состояние вопроса. При разработке теории и методов моделировани средств передачи и защиты информации от ошибок охватывается широкі круг математических и прикладных проблем, в развитие которых значител ный вклад внесли российские и зарубежные ученые: В.М. Глушков, В.] Солодовиков, В.А. Трапезников, В.А. Котельников, А.А. Харкевич, Б.Р. Л вин, Л.М. Финк, ЯЗ. Цыпкин, СМ. Самойленко, Р.Л. Страганович, В.И. Т: хонов, ДА Поспелов, B.C. Шварцман, Э.Л. Блох, И.А. Мизин, Ю.М. Марті нов, Л.П. Пуртов, А.Н. Тихонов, М.Л. Лидов, П. Эйкхофф, К. Острей, Беллман, К. Борсук, Д. Шейкл, Д. Шейфер, А. Демпстер, Л. Заде и др. В ра работку современных концепций организации хранения, представления автоматизированного анализа данных наибольший вклад внесли Э. Кодц, ] Инмон, Д. Хакаторн.
В настоящее время концепция организации хранения, представления автоматизированного анализа данных проработана с двух взаимосвязаннь позиций. С позиции конечного пользователя (аналитика) эту концепцию га названием On-Line Analytical Processing сформулировал Э. Кодд. С позиці разработчика базы данных, ориентированной на задачи анализа, эта конца ция разработана В. Инмоном и Д. Хакаторном и названа Data Warehouse. О новой реализации хранилища данных является система метаданных, принц пы реализации которой достаточно глубоко проработаны, однако все извес ные решения ограничиваются спецификацией содержимого операционнь баз, файлов и процедур очистки, согласования, пополнения, обобщения, загрузки в целевые базы. В то же время остается актуальной задача разрабо ки рациональных способов организации метаданных и форм представлені пользователям различных категорий сведений обо всех информационных р сурсах предприятия. Указанные способы и формы призваны обеспечить mj нимизацию избыточности и противоречивости информации, максимизаци доступности необходимых сведений, повышение эффективности исшльзовані внешних накопителей.
Динамика и взаимосвязь показателей производственно-экономическс деятельности предприятия являются предметом анализа при планировании выработке управленческих решений. При этом широко используются фо] мальные модели, базирующиеся на регрессионном анализе. В реальной пра;
тике применимость классического анализа часто оказывается под сомнением. В таких случаях оказываются полезными методы эвристического характера, имеющие алгоритмическую спецификацию. Такие методы иногда не поддаются традиционному исследованию, хотя их использование во многих приложениях оказывается продуктивным. Многообразие практических ситуаций обусловливает постоянную актуальность задач разработки методов моделирования и прогнозирования, обеспечивающих наиболее точные результаты в конкретных условиях.
Наиболее перспективной коммуникационной платформой распределенных информационно-управляющих систем являются цифровые сети связи. При создании цифровых соединений требуется соблюдение рекомендаций МККТТ относительно показателей ошибок - G.821 и G.921. Эти рекомендации установили новые показатели, и не включают ранее действующий показатель - вероятность ошибки в соединении. Указанный факт обусловил актуальность задач, связанных с формированием нового подхода к нормированию и контролю ошибок на различных участках сети. Потребовалась совокупность моделей и методов, которую можно рассматривать как систему поддержки принятия решений относительно норм и способов оценивания.
Целью работы является повышение качества функционирования распределенных информационно-управляющих систем за счет повышения верности информации на основных этапах информационного процесса:
хранение (устранение противоречивости и несогласованности данных, повышение их доступности специалистам);
передача (обеспечение надлежащего качества передачи дашгых по каналам различного качества);
переработка (повышение эффективности использования информационной емкости статистических данных при построении модели процессов с детерминированной составляющей).
Основные задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
создание эффективных средств реализации отношения релевантности и установления семантической метрики на совокупности информационных ресурсов предприятия;
разработка алгоритмов классификации информационных ресурсов предприятия на основе установленной семантической метрики и количественных показателей качества;
разработка метода анализа эвристических, структурно сложных и алгоритмических описаний процессов с детерминированной составляющей;
разработка эффективных алгоритмов построения модели на основе механизмов эвристической самоорганизации и оптимальных частных аппроксимаций в последовательных рядах приближения в виде полиномов, решений дифференциальных уравнений, линейных форм с интервальными коэффициентами;
разработка математических моделей, методов, алгоритмов и про граммных средств для решения задач нормирования и контроля ошибок і цифровых каналах и трактах коммуникационной платформы информационно управляющих систем.
Методы исследования. В диссертационной работе использованы прин ципы системного анализа, теория кластерного анализа, методы математиче ского моделирования, методы теории вероятностей, математической стати стики, теории принятия решений, теории нечетких множеств, методы опти мизации, численные методы прикладной математики, имитационное модели рование. При программной реализации предлагаемых методов и алгоритмов ис пользованы технологии структурного и модульного проектирования программног обеспечения.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Предложена концепция диспетчера информационных ресурсов (ДИР как механизма реализации отношения релевантности и установления семаи тической метрики на множестве информационных ресурсов предприятие включающая теорию описания, создания и использования семантически элементов диспетчера; методы и алгоритмы классификации информационны единиц по качественным и многомерным количественным признакам, оснс ванные на построении условного кратчайшего связывающего дерева по за данной матрице экспертных оценок показателей близости между проблемны ми объектами.
-
Предложен метод анализа эвристических, структурно сложных и ал горитмических описаний объектов, процессов и явлений.
-
Предложены новые алгоритмы последовательного автопостроени модели на основе механизмов эвристической самоорганизации и оптималь ных частных аппроксимаций в последовательных рядах приближения в вид полиномов, решений дифференциальных уравнений, линейных форм с интер вальными коэффициентами.
-
Предложена частная модель векторных процессов - множественно накопление, или векторная показательная функция - и способ расчета ее парг метров.
-
Разработаны математические модели и алгоритмы для решения важ ной научно-технической задачи определения норм на интервальные парамет ры коэффициента ошибок для всех участков первичной сети ВСС Россш использование которых гарантирует выполнение рекомендаций МККТ1 Найдены границы диапазона изменения (во множестве всех возможных рас пределений) допустимого значения вероятности ошибок в основном цифре вом канале, область изменения вероятности и показателя группировани ошибок, допустимые значения вероятности независимых ошибок в поток двоичных сигналов для всех участков первичной сети. Предложен более точ ный метод оценивания показателей ошибок в первичном цифровом группе вом тракте.
-
Разработана концепция минимальной структурной достаточности ма
тематической модели для расчета значений первичных параметров исследуемой системы по совокупности ограничений, накладываемых на показатели качества её функционирования, с помощью которой разработана математическая модель возникновения ошибок в ОЦК первичной сети ВСС, обладающая свойством минимальной структурной достаточности в рамках требований к качеству передачи.
-
Предложено решение задачи выделения и оценивания характеристик ординарных и интенсивных компонент в факторах, определяющих результаты испытаний случайного события, основанное на использовании каскада вероятностных фильтров. Предложен новый метод оценивания показателя группирования успехов в последовательности испытаний. Полученные результаты применены для разработки методов контроля качества средств коммуникации.
-
Разработан эффективный алгоритм расчета параметров последовательных статистических процедур, обеспечивающих выполнение заданных требований к верности принимаемых решений, с усечением и без усечения времени наблюдений для приемосдаточных испытаний цифровых систем.
-
Предложена процедура контроля средств коммуникации, основанная на применении цифровых фильтров с бесконечной памятью для усреднения результатов наблюдения последовательностей признаков появления временных интервалов с коэффициентами ошибок, превышающими пороговые значения.
10. Предложен метод и соответствующая процедура прогноза верности
информации, основанные на поиске «наихудших» распределений ошибок.
Практическая ценность результатов работы заключается в следующем.
Применение предложенных методов реализации отношения релевантности и установления семантической метрики на совокупности информационных ресурсов позволяет создать эффективную подсистему метаданных в хранилище данных предприятия, обеспечивающую высокую степень доступности информации для специалистов всех уровней управления и устраняющую необходимость дублирования данных на рабочих местах.
Предложенные методы построения математической модели процесса с детерминированной составляющей позволяют повысить точность прогноза и обоснованность принимаемых решений в системах автоматизации управления. Они могут использоваться во всех приложениях, где требуется построение модели процессов указанного класса.
Совокупность разработанных моделей, алгоритмов и программ, ориентированных на поддержку принятия решения относительно норм на параметры ошибок в цифровых каналах и трактах, позволили всесторонне исследовать существо проблемы нормирования качества передачи информации в соответствии с рекомендациями МККТТ G.821 и решить важную практическую задачу определения норм, обеспечивающих интересы как потребителей, так и поставщиков каналов.
Предложенные методы и процедуры контроля и прогнозирования ка чества передачи информации позволяют организовать оперативную и досто верную проверку состояния коммуникационной платформы распределение системы.
Достоверность и обоснованность научных положений, результатої выводов и рекомендаций, приведенных в диссертационной работе, обеспечи вается использованием надежных методов исследования и подтверждаете успешной эксплуатацией внедренных программ, методов и алгоритмов в ре альных информационно-управляющих системах, машинным моделирование) процессов передачи данных, апробацией и обсуждением результатов работі на научных конференциях, рецензированием монографии, экспертизой прел ложенных в диссертационной работе технических решений Госкомитетої СССР по делам открытий и изобретений, свидетельствами о государственно регистрации программ в Российском агентстве по правовой охране програмі для ЭВМ, баз данных и топологии интегральных микросхем (РосАПО).
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работі использованы и внедрены в составе результатов 14 научно-исследовательски работ, выполненных на кафедре вычислительной и прикладной математик: Рязанской государственной радиотехнической академии и в Рязанском центр информатики и математического моделирования Российской академии нау (в 3 работах автор был руководителем раздела, в 6 - ответственным исполни телем, в 5 - научным руководителем). Работы выполнялись по следующю государственным программам:
Комплексная программа «Новые информационные технологии» (поруче ние Совета Министров РСФСР № 20992-5 от 13 декабря 1989 г.);
Межвузовская научно-техническая программа «Интеллектуальная собст венность высшей школы». Раздел 2. Программы для ЭВМ, базы данных топологии интегральных микросхем (приказ государственного комитета Р< по высшему образованию от 05 апреля 1993 г.);
Региональная научно-техническая программа «Информационный компь ютерный атлас региона» (решение Администрации Рязанской области, пол держанное Межведомственным советом Миннауки; приказ о порядке финал сирования № 79 от 23 апреля 1993 г.)
Заказчик Научно-исследовательский и информационный центр систеї управления, г. Москва: НИР № 24-83 «Разработка компонентов программной обеспечения систем обработки и передачи данных на ГВЦ».
Заказчик Центральный научно-исследовательский институт связи, г. Москк НИР № 16-86 «Разработка методики распределения и контроля норм на ин тервальные параметры и коэффициенты ошибок в цифровых системах пере дачи первичной сети Единой автоматизированной сети связи»; НИР № 55-8 «Разработка методов контроля и испытаний параметров коэффициента оши бок в каналах и трактах цифровых систем передачи».
Заказчик Координационный центр информационных технологий в обра зовании, г. Москва: НИР № 35-91Г «Автоматизация контроля и управлени
экологической обстановкой региона».
Заказчик Научно-информационный центр проблем интеллектуальной собственности, г. Москва: НИР № 11-93Г «Экспертная система автоматизации контроля и управления экологической обстановкой региона».
Заказчик Комитет охраны окружающей среды и природных ресурсов г. Рязани: НИР № 40-94 «Разработка программной системы для моделирования и расчета загрязненности воздуха города выбросами автомобильного транспорта»; НИР № 13-97 «Разработка элементов системы поддержки принятия решений по управлению экологической ситуацией в большом городе».
Заказчик ЗАО «Рязанский нефтеперерабатывающий завод», г. Рязань: НИР № 81-93 «Программная система автоматизированного формирования экологического паспорта промышленного предприятия»; НИР № 9-95 «Сопровождение программной системы автоматизированного формирования экологического паспорта промышленного предприятия».
Заказчик ОАО «Рязанская ГРЭС»: НИР № 9-97 «Проектирование компонент информационно-аналитической системы ОАО «Рязанская ГРЭС»; НИР № 18-99 «Консалтинговое проектирование интегрированной автоматизированной системы управления (ИАСУ) ОАО «Рязанская ГРЭС».
Заказчик Администрация Рязанской области, Московский коммерческий «Пресня-банк»: Региональный научно-технический проект «Информационный компьютерный атлас региона».
Заказчик Миннауки РФ, Администрация Рязанской области: Региональный научно-технический проект «Разработка многоуровневой комплексной системы поддержки принятия решений в процессе инвестиционного проектирования и анализ эффективности инвестиций»; Региональный научно-технический проект «Инвестиционный компьютерный атлас региона».
Результаты работы внедрены на ОАО «Рязанская ГРЭС»; ЗАО «Рязанский нефтеперерабатывающий завод»; в Комитете охраны окружающей среды и природных ресурсов г. Рязани; в научно-исследовательские работы ЦНИИС, г. Москва и Рязанского центра информатики и математического моделирования Российской академии наук (РЦИММ РАН), г. Рязань, что подтверждается актами о внедрении.
Основные результаты, выносимые на защиту:
1. Концепция диспетчера информационных ресурсов, включающая:
теорию описания, создания и использования семантических элементов диспетчера;
понятие условного кратчайшего связывающего дерева и алгоритм его построения по заданной матрице экспертных оценок показателей близости между проблемными объектами;
алгоритм классификации информационных ресурсов на основе показателей близости по инфологии, функциональности, семантической структуре, источникам информации, приложениям и условиям распространения, основанный на построении условного кратчайшего связывающего дерева;
алгоритм классификации данных и источников на основе количественных
показателей качества.
-
Метод анализа эвристических, структурно сложных и алгоритмиче ских описаний объектов, процессов и явлений.
-
Алгоритмы последовательного автопостроения модели на основе ме ханизмов эвристической самоорганизации и оптимальных частных аппрок симаций в последовательных рядах приближения в виде полиномов, решениі дифференциальных уравнений, линейных форм с интервальными коэффици ентами.
-
Частная модель векторных процессов - множественное накопление или векторная показательная функция - и способ расчета ее параметров.
-
Теоремы для основного цифрового канала коммуникационной плат формы распределенных информационно-управляющих систем:
о предельно допустимом значении вероятности независимых ошибок;
о границах диапазона изменения (во множестве всех возможных распре делений) предельно допустимого значения вероятности ошибок;
о допустимой области изменения вероятности и показателя группировани ошибок.
6. Методы и алгоритмы:
расчета допустимых значений вероятности независимых и параметре группирующихся ошибок, при которых обеспечивается выполнение требова ний к качеству передачи, на основе модели минимальной структурной доста точности;
оценивания показателей ошибок в первичном цифровом групповом тракт на основе верхних границ результатов пересчета по множеству практическ; возможных распределений ошибок в наблюдаемых временных интервалах;
оценивания параметров независимых и группирующихся ошибок на осно ве каскада вероятностных фильтров;
оценивания показателя группирования ошибок на основе оценки вероят ности безошибочного приема блока;
расчета параметров процедур принятия решений относительно показате лей коэффициента ошибок на основе целенаправленного поиска;
текущего контроля качества цифрового соединения на основе применени цифровых фильтров с бесконечной памятью;
прогноза верности информации на основе поиска «наихудших» распреде лений ошибок.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работі докладывались на следующих научных кворумах: XXIII областная научно техническая конференция, посвященная Дню радио, Новосибирск, 198С XXIV областная научно-техническая конференция, посвященная Дню радис Новосибирск, 1981; Всесоюзный научно-технический семинар «Интерактив ные системы принятия решений в планировании и управления большим гс родом», Москва, 1981; Ш Всесоюзная конференция «Вычислительные сет коммутации пакетов», Рига, 1983; X научно-техническая конференция, пс
священная Дню радио, Москва, 1984; Всесоюзная конференция «Проблемы создания сетей вычислительных центров коллективного пользования и распределенных банков данных в городском хозяйстве», Москва, 1984; V Всесоюзная научно-техническая конференция «Надежность и качество функционирования информационных сетей и их элементов», Новосибирск, 1985; XLIII Всесоюзная научная сессия, посвященная Дню радио, Москва, 1988; XLV Всесоюзная научная сессия, посвященная Дню радио, Москва, 1990; II Всесоюзная научно-техническая конференция «Практическое применение современных технологий программирования, пакетов прикладных программ в вычислительных системах и сетях ЭВМ», Днепропетровск 1990; XLVI Всесоюзная научая сессия, посвященная Дню радио, Москва, 1991; Региональная конференция «Актуальные проблемы моделирования на ЭВМ систем передачи информации», Омск, 1990; Всесоюзная научно-практическая конференция «Вопросы экономики и организации информационных технологий», Гомель, 1991; Международная конференция «Технологии и системы сбора, обработки и представления информации», Рязань, 1993; Научно-техническая конференция «Микросистема-93», Москва, 1993; XLIX Научная сессия, посвященная Дню радио, Москва, 1994; I Всероссийская научная конференция «Непрерывная логика и ее применение в технике, экономике, социологии», Пенза, 1994; Международная конференция «Технологии и системы сбора, обработки и представления информации», Москва, 1995; Международная научно-техническая конференция «Непрерывно-логические методы и модели в науке, технике и экономике», Пенза, 1995; Всероссийская научно-техническая конференция «Электроника и информатика - 95», Москва, 1995; 2-я научно-практическая конференция «Человек, экология, здоровье», Рязань, 1997 (2 доклада); Международный научно-технический семинар «Проблемы передачи и обработки информации в информационно-вычислительных сетях», Москва, 1997; Межрегиональная научно-практическая конференция «Социально-гигиенические аспекты охраны здоровья населения», Рязань, 1997; 2-я Всероссийская научно-практическая конференция «Современные информационные технологии в образовании», Рязань, 1998 (2 доклада); 2-я Международная научно-техническая конференция «Космонавтика. Радиоэлектроника. Геоинформатика», Рязань, 1998; Всероссийский электротехнический конгресс с международным участием «На рубеже веков: итоги и перспективы», Москва, 1999; 8-й Международный научно-технический семинар «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций», Рязань, 1999 (4 доклада); Ш научно-практическая конференция «Человек, экология, здоровье», Рязань, 1999 (4 доклада).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 75 печатных работ, из которых 14 в центральных изданиях [монография, авторское свидетельство на изобретение, 5 статей в научно-технических журналах, 7 свидетельств о государственной регистрации программ в Российском агентстве по правовой охране программ для ЭВМ, баз данных и топологии интегральных микросхем (РосАПО)]; 17 статей в сборниках научных трудов, рекомендо-
ванных для публикаций материалов докторских диссертаций, 9 депонированных рукописей, 37 публикаций в сборниках докладов и тезисов Международных, Всесоюзных (СССР), Всероссийских и региональных научно-технических конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения, библиографического списка. В конце работы помещены акты об использовании результатов работы и справки о регистрации программ. Общий объем работы 364 страницы машинописного текста, из них 340 страниц - основное содержание (42 рисунка, 37 таблиц), 24 страницы - библиографический список (293 наименования).
