Введение к работе
Актуальность проблема, несмотря на богзтейший природный потенциал, Россия испытывает серьезные проблемы с рациональным использованием природных рєсурсов. по данным государственного советника России академика А. Явлокова официально зонами экологического бедствия России сейчас названы районы, особо загрязненные в результате чернобыльской катастрофы, а такжЕ отдельные районы Южного крала. К ним должны еыть отнесены такжє некоторые территории Поволжья, Кузбасса, Центральной Якутии, Приамурья, Красноярского края, Кольского полуострова. До сих пор мало внимания уделялось такому аспекту экологической безопэсности, как возрастание риска техногенных и природных катастроф, хотя ежегодно в стране происходит до 700 крупных разрывов нефге- и газопроводов, по разным оценкам, при этом теряется от 7 до 20
ПРОЦЕНТОВ ВСЕЙ ДОБЫЕШЕМОЙ НЕфТИ, Т.Е. ДЕСЯТКИ млн. тонн. ВЕСЬМЭ
серьезное положение сложилось с уровнем загрязнения атмосферного воздуха в крупных промышленных городах, к сегодняшнему дню более юо российских городов имеют практически круглогодично уровень концентраций поллютантов значительно превышающий установленные нормы.
конечно, столь тяжЕлая ситуация является рЕзультатом целого ряда политических, социзльно-экономических и других причин, однако, СЕГОДНЯ ОЧЕВИДНО, что для ИЗМЕНЕНИЯ существующего тяжелого положения, наряду со всем остальным, нужны и серьезные научкыЕ исслЕдования по оценке динамики изменения физических объектов и процессов в экологии и геофизике (ФОПЭГ), результаты которых могли
бы лечь в основу необходимых технико-экономических овоснований и
Не отвергая важности проведения таких исследований по территории России в целом, видимо, наиволЕЕ продуктивной реальной отдачи следует ожидать от изучения фопэг с пространствЕнно-
ВРЕМЕННЫМ раЗрЕШЕНИЕМ ПОрЯДКЗ СТЗ КИЛОМЕТРОВ - ДЕСЯТКИ ЧЗСОВ.
Именно в этом МЕЗоуровнЕвом пространственно - временном мзсштзбе
ДЕЖаТ КРУПНЫЕ ПРОМЫШЛЕННЫЕ ГОрОДа И ЛРОМЫИЛЕННО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ
комплексы, вносящие основной вклад в загрязнение природной средь, здесь же располагаются и газо-, нефтеносные пласты, используемые как источник промышленной добычи углеводородного природного топлива.
ускоренное развигиЕ исслЕдований в различных областях фопэг, появление на доступных рынках большого числа средств вычислительной техники, в том числе персональных эвп, различных измерительно-вычислительных комплексов вызывэет Бурный рост количЕСтва специализированных автоматизированных систем научных исслЕдований <дсни) фопэг. при этом неизбежно в процесс создания АСНИ ФОПЭГ вовлекается все большее число специалистов конкретных предметных облэстей, обычно не знакомых на профессиональном уровне с мЕтодами создания систем. однако методики создания автоматизированных систем дзже в близких областях не могут выть
автоматизации научных исследований фопэг.
Практически во всех работах по методам оценки Эффективности и исследованию различных автоматизированных систем на основе их имитационного моделирования подразумевается, что еще
до создания соответствующих имитационных моделей их разравотчикам известны основные объемно-временные характеристики информационных потоков и другие даиные о среде (объекте или процессе), в котором равотаЕТ или Будет работать исслЕдуємая вычислительная система, другими словами, в этих работах отсутствует свалансированноЕ (одинаково глубокое) рассмотрєниЕ реального овъекта или процесса, для которого создастся вычислительная систЕма в сочетании с, имитационной моделью собственно системы.
В связи с этим, особую актуальность приоврєтаєт провлєна создания методологии, позволяющей для заданной предметной области формализовать, а затем и автоматизировать процессы анализа и создания асни фопэг во взаимоувяэкЕ трЕвований модели конкретного фопэг с характеристиками конкретной асНИ и нахождения рационального взаимоотношения между ними.
Цель и задачи работы, целью диссертационной работы является проведение комплекса исследований, приводящего к созданию методики построения асни - фопэг, ЬвЕспечиваюсієй выбор на уровне эскизного проектирования рациональной архитектуры систем автоматизации в соответствии с установленными критериями эффективности и анализ на ее основе альтернативных вариантов архитектур реальных систем автоматизации физических экспериментов для отдельных объектов и процессов МЕзоуровнЕвого пространствЕнно-врЕМЕнного масштаба в экологии и геофизике.
К основным задачам исследования относятся!
- формализованная постановка задачи создания АСНИ ФОПЭГ, обеспечивающая сведение процессов построения систем на уровне эскизного проЕкта к ряду формализованных процедур, инвариантных к
имевшимся у автоматизированных систем заданной предметной области
ОТЛИЧИЯМ;
создзние иерархии взаимоувязанных моделей асни- и ФОПЭГ-объектов разного уровня абстрагирования с их объединением на верхнем уровне иерархии в специализированную дискретную имитационную модель;
создание формализованных методов переходз от свойств исследуемого «топэг-оБЪЕКта и задач по автоматизации физических экспериментов с ним к объемно-временным характеристикам информационных потоков АСНИ;
- разработка методики построения асни-фопэг, основанной как
на опыте создания таких систем и моделей, описывающих отношения
между элементами систем для заданной предметной области, так и на
некотором наворЕ правил сстратегий применения моделей), приводящих
к выбору рациональной архитектуры конкретной системы, отвечающей
требованиям физика-эксперимЕнтатора;
- апровация разработанной методики для отдельных систем
автоматизации в заданной предметной области с выбором на уровне
эскизного проектирования для конкретных АСНИ ФОПЭГ рациональной
архитектуры создаваемых систем.
Научная новизна, к новым научным результатам, полученным автором в диссертационной работе относятся:
- разработка комплекса взаимоувязанных иерархических моделей
ФОПЭГ- и АСНИ-овъектов, определяющих отношения между
абстрагированными элементами этих объектов с их сведением на
верхнем уровне иєрархии в Единую ФОПЭГ-АСНИ-структурированную
модель, и декомпозиция процесса создания АСНИ ФОПЭГ на уровне
эскизного проектирования на несколько взаимосвязанных этапов, описывэемых соответствующими целевыми функциями;
- разработка МЕтода определения количественных объемно-
временных характЕристик информационных потоков, обрабатываемых в
ходе автоматизированных исследовзний и экспериментов с ФОПЭГ в
рамках создания асни-, фопэг-моделей данных и ФОПЭГ-порождающих
моделей;
разработка АСНИ-порождающих моделей на основе формального описания процессов обработки информации, выполненного с использованием иатЕматичЕского аппарата алгЕвры прєдикатов и учитывающЕго как архитектуру АСНИ, так и объемно-временные характЕристики информационных потоков и надежности;
разработка методики создания автоматизированных комплексов асни ФОПЭГ с рациональной архитектурой, обеспечивзющей на основе методов дискретного имитационного модЕлирования ПОЛУЧЕНИЕ
эскизного проЕктирования АСНИ вьшрать структуру технических средств (ТС) и программного обеспечения (ПО), отвечэющих
УСТЗИОВЛЕННЫМ КРИТЕРИЯМ ЭФФЕКТИВНОСТИ;
- проведенный в рамках созданной методики построения АСНИ
ФОПЭГ анализ альтернативных вариантов архитЕктуры различных
рЕальных асни (для фопэг: изучения динамики пограничного слоя
атмосфЕры с использованием высотных вашЕН и мачт; глубинного
зондирования Земли с помощью МГД-гєнЕраторов; экологического
мониторинга крупных промышленных городов и регионов) и выбор для
них рациональной архитЕктуры, осуществленный по типовому сцЕнар;.ю,
входящему в методику.
Основные занижаемые положения. 1. комплекс взаимоувязанных иерархических моделей, позволяет абстрагировать процессы переработки информации в
ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЦЕПОЧКЕ ФОПЭГ АСИИ И ОБЕСЛЕЧИВаЕТ ВОЗМОЖНОСТЬ
проведения исследований по оценке эффективности архитектуры СИСТЕМ автоматизации.
2. фопэг- и АСНИ-модели данных, ФОПЭГ-порождаоциЕ МОДЕЛИ,
описываоциЕ взаимодействие фопэг и пени на разных уровнях
МОДЕЛЬНОЙ ИЕрарХИИ ОБЕСПЕЧИВаВТ ВОЗМОЖНОСТЬ ПОЛУЧЕНИЯ ЧИСЛЕННЫХ
эначЕний объемно-временных характЕристик пЕрЕраватываЕмых информационных потоков.
3. ФормальноЕ описаниЕ процессов пЕрЕравотки информации в
рамках АСНИ-порождавших моделей позволяет увязать с использованием
матЕиатичЕского аппарата алгебры предикатов объемно-временные
характеристики информационных потоков и надежности с архитектурой
создаваемых систем автоматизации асни фопэг.
4. методика создания асни фопэг основана на комплексе
взаимоувязанных иерархических моделей, сведенных на верхнем уровне
иерархии в специализированную дискрєтнуп имитационную модель,
оБЕспЕчиваЕТ в рамках типового сценария получение численных
Решений заданных целевых функций, определяющих выбор на уровне
эскизного проекта архитектуры асни конкретной системы
автоматизации реального фопэг.
5. Рациональная архитектура реальных АСНИ для фопэг (изучения
динамики пограничного слоя атмосфЕры с использованием высотных
важен и мачт; глубинного зондирования земли с помощью
нгд-генераторов; экологического нониторинга крупных промышленных
городов и регионов) выбрана для соответствующих автоматизированных систем на эскизном уровне с применением разработанной методики.
Достоверность приводимых в диссертации результатов и выводов овЕспЕчиваЕТСя: сбэлансированностью формализации физических ОБЪЕКТОВ И ПРОЦЕССОВ в экологии и геофизике на МЕЗОурОВНЕ с формальным описаниєм систем автоматизации исследований; корректным применением аппарата теории систем массового обслуживания и алгЕБры предикатов для Формализации взаимодействия ФОПЭГ- и АСНИ-
ОБЪЕКТОВ; ПРОВЕДЕНИЕМ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ H3
разработанных дискретных имитационных моделях и получением оценок численных характеристик архитектур асни с заданными точностями; Успешным опытом создания и применения ряда АСНИ ФОПЭГ . с архитектурными характеристиками предложенными в диссертации в реальных экологических и геофизических исследованиях.
Практическая значимость работы состоит том, что разработанная в рамках диссертации методика создания АСНИ ФОПЭГ позволяет унифицировать (а значит ускорить и удешевить) процессы внедрения асни, выбирать на уровне эскизного проЕкта рациональную архитЕКтуру систем автоматизации в экологии и геофизике на МЕзоуровнЕ имеющих минимальную стоимость и наилучшим овразом отвечающих требованиям исслЕдоватЕля-зкспЕримєнтатора и других пользователей.
методика анализа и создания асни фопэг выла применена при создании или анализе ряда реальных систем автоматизации
ЭКОЛОГИЧЕСКИХ И ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ И ПРОЦЕССОВ НЭ МЕЗОурОВНЕ,
наиболЕЕ существенными из них является:
- автоматизированная система свора, овравотки и выдачи
метеорологической информации с Останкинской ТЕЛЕБашни о состоянии приземного слоя атмосфЕры и некоторых других объектов;
- автоматизированные комплексы для управления геофизическими
зкспєрииЕнтами по глувинному зондированию Земли с использованием
МГД-гЕНЕраторов в Восточной Сиеири и в Прикаспии;
- автоматизированная систЕма мониторинга загрязнения
атмосфЕрного воздуха Московского рєгиона.
Результаты диссертационной использовались при проведении НИР различных министерств и ведомств с конца 70-х начала 90-х годов в
ТЕМЗХ: , 03.30.О1В, 05.34.305, 05.33.05 ' (ГОСКОМГИДРОМЕТ . СССР); "ХИБИНЫ-СЕГМЕНТ-В" (НПО "НЕфТЕГЕОфИЗИКа", ИРЭ РАН); "СирЕНа-ФаКЕЛ-В" (ЦНПО "КОМЕТа" ,В/Ч 52609, ИРЭ РАН) "ХИБИНЫ-
Сегмент-йН", "сараванда-АН", "Сирєна-кз" (президиум АН СССР, ИРЭ РАН); 1.8, 1.12 (Государственная научно-ТЕХиичЕСкая программа "Безопасность насЕЛЕНия и народнохозяйственных ОБЪЕКТОВ с учетом риска возникновения природных и техногенных катастроф", НПО "Спектр", ипм ран); "Мониторинг" (ГосударствЕнная научно-ТЕХничЕская программа "Перспективные информационные технологии", ИРЭ РАН); "Экорос" (Государственная научно-ТЕХничЕская программа "Экология России", ИРЭ РАН).
Апробация результатов работы, основные результаты работы докладывались и овсуждадись на первом всесоюзном СЕМинарє по организации МЕТЕонавдюдЕний на высотных Башнях и мачтах (Москва, 1973 Г.); ВСЕСОЮЗНОЙ конференции "СозданиЕ ОТрЗСЛЕВОЙ автоматизированной системы Главгидрометслужвы" (Обнинск, 1974 г.); Международном симпозиуме автоматические станции погоды (Гомель, 1975 г.); Всесоюзном совЕцании-сЕминарЕ " технические средства
ТЕЛЕоеравотки информации в АС9 в рєальном масштавЕ времени" (Москва, 1976 г.); отраслЕвой научно-техничєской конференции "МЕТодика и аппаратура для свора, овравотки и отовражЕНИя гидрометеорологической информации" (Лєнинград, 1977 г.); международном симпозиуме "Эффективность использования метеорологической информации" (Потсдам, ГДР, 1978 г.); Всесоюзном научно-ТЕХНИЧЕСком сЕминарЕ "Проблемы экологии" (Москва, 197В г.); первом всесоюзном сЕминарЕ "Технические срєдства для государственной системы контроля природной среды", (Обнинск, 19В1 г.); Второй научно-практичЕской конференции по охранЕ природной среды, (Москва, 1982 г.); Первой всесоюзной конференции "Методы и средства контроля промышленных выбросов и загрязнения атмосферы", (ЛЕНинград, 1984 г.); Третьей международной школе по автоматизации научных исследований (Пукяно, 19ва г.); международных семинарах кп нтп сэв (Москва, София, ЕухарЕст, ГаллЕ, Катовице, 19В8-1990 г.г.); международном семинаре "Программное обеспечение АСНИ", (Гливице, ПНР, 1939 г.); XLV Всесоюзной научной СЕССИИ, посвященной дню радио (Москва, 1990 г.); МЕЖотраслЕвом научно-ТЕХничЕском симпозиуме "Муниципальные информационные системы и программныЕ срЕдства" (Москва, 1990 г.); Международном симпозиуме ."ИнженЕрная экология - 91", (Звенигород, 1991 г).
Публикации, По теме диссертации опубликованы 73 научньш равоты, из которых 34 содЕржат основные рЕзультаты приведенные в диссЕртации.
Структура и объем работы. диссЕртация состоит из введения, семи глав, заключЕния, списка литературы и приложений. Основная часть равоты содержит 242 страницы машинописного текстэ, 41
рисунок и 18 тавлиц. список литературы включзет 174 наименования. Дополнительные материалы даны в приложениях на 87 листах, включая листинги программ-и матЕриалы по внедрению.
