Отказоустойчивые распределенные системы переработки информации
Покупка
Тематика:
Общенаучное знание и теории
Издательство:
Горячая линия-Телеком
Автор:
Бурый Алексей Сергеевич
Год издания: 2016
Кол-во страниц: 128
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-9912-0608-2
Артикул: 796151.01.99
Систематизирована обширная информация и дано общее представление о направлениях синтеза устойчивых распределенных систем переработки информации, обеспечивающих выполнение задач оценивания вектора состояния сложных динамических объектов (СДО). Рассмотрены вопросы обоснованности выбора технических и модельно-алгоритмических структур сложных систем. Рассмотрены методологические положения синтеза отказоустойчивых распределенных систем переработки информации при управлении сложными динамическими объектами, теоретические положения синтеза и оптимизации распределенных систем переработки измерительной информации (РСПИ). Обоснована методика трансформации (декомпозиции и интеграции) РСПИ при управлении СДО с учетом основных эксплуатационно-технических характеристик систем.
Для научных работников и специалистов в области информационных технологий и надежности информационных систем, будет полезно аспирантам и студентам вузов инфокоммуникационных и радиотехнических специальностей.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Магистратура
- 10.04.01: Информационная безопасность
- 11.04.01: Радиотехника
- 11.04.02: Инфокоммуникационные технологии и системы связи
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Москва Горячая линия – Телеком 2016
УДК 004.046(3):629.7.018 ББК 32.988-5+30.14 Б91 Р е ц е н з е н т ы : зав. лабораторией Института проблем управления им. В. А. Трапезникова РАН, Заслуженный деятель науки РФ, доктор техн. наук, профессор В. В. Кульба; начальник центра корпоративного обучения АО «Российские космические системы», чл.-корр. РАРАН, доктор техн. наук, профессор В. В. Бетанов Бурый А. С. Б91 Отказоустойчивые распределенные системы переработки информации. – М.: Горячая линия – Телеком, 2016. – 128 с.: ил. ISBN 978-5-9912-0608-2. Систематизирована обширная информация и дано общее представление о направлениях синтеза устойчивых распределенных систем переработки информации, обеспечивающих выполнение задач оценивания вектора состояния сложных динамических объектов (СДО). Рассмотрены вопросы обоснованности выбора технических и модельно-алгоритмических структур сложных систем. Рассмотрены методологические положения синтеза отказоустойчивых распределенных систем переработки информации при управлении сложными динамическими объектами, теоретические положения синтеза и оптимизации распределенных систем переработки измерительной информации (РСПИ). Обоснована методика трансформации (декомпозиции и интеграции) РСПИ при управлении СДО с учетом основных эксплуатационно-технических характери- стик систем. Для научных работников и специалистов в области информационных тех- нологий и надежности информационных систем, будет полезно аспирантам и студентам вузов инфокоммуникационных и радиотехнических специальностей. ББК 32.988-5+30.14 Научное издание Бурый Алексей Сергеевич ОТКАЗОУСТОЙЧИВЫЕ РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ Монография Тиражирование книги начато в 2016 г. Все права защищены. Любая часть этого издания не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения правообладателя © ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком» www.techbook.ru © А. С. Бурый
Предисловие ...нечего и рассчитывать на что-то большее, — но лишь попытайтесь найти начало и направление бесконечно долгой дороги Георг Зиммель Современный этап разработки сложных технических систем ха- рактеризуется активным внедрением новых информационных науко- емких технологий (НИТ) на этапах их жизненного цикла. В практике испытаний сложных образцов техники остается ак- туальным повышение качества и эффективности процесса испыта- ний за счет сокращения сроков, повышения точности и надежнос- ти обработки измерительных данных, сокращения энергоресурсов и материальных затрат. Существующий подход к методам проведения летных испыта- ний при разработке сложных динамических объектов (СДО), фор- мированию состава и структуры информационно-измерительных комплексов (ИИК) практически не учитывает возможные случайные изменения структур систем переработки (сбора, передачи, обработ- ки) измерительной информации (ИИ). Кроме того, процедуры пере- работки ИИ в условиях аномальных данных используются недоста- точно широко, а их разработка строится без учета функционального состояния аппаратных и программных средств (АПС) ИИК. В этой связи зачастую число планируемых систем для управления назнача- ется из соображений «все, что есть», а не из рационально необходи- мого их количества, что ведет к значительным затратам ресурсов, появлению узкоспециализированных измерителей, предназначенных под конкретный объект управления (ОУ). Методологическую основу применения методов анализа и синтеза сложных технических систем составляют работы ряда отечественных и зарубежных ученых В.В. Дружинина, Д.С. Конторова, В.В. Кульбы, В.И. Николаева, А.В Петрова, Б.А. Резникова, А.Д. Цвиркуна, В.И. Цуркова, А.А. Яковлева, М. Месаровича, Я. Та- кахары, Дж. Касти, Дж. Клир. В многочисленных трудах названных специалистов заложена общетеоретическая основа исследования сложных систем, раскрывается многообразие подходов и многоаспектность практического использования.
Предисловие Немалый вклад в развитие идей методологии системных исследований в прикладных задачах внесли такие ученые, как И.В. Аде- рихин, О.А. Алексеев, В.В. Бетанов, В.Н. Брандин, В.В. Васильев, Б.И. Глазов, Ю.А. Ерохин, Б.Ф. Жданюк, А.В. Лобан, Д.А. Ловцов, А.В. Мячин, В.В. Омельченко, А.И. Полоус, А.И. Поцелуев, Г.Н. Ро- заренов, С.Д. Сильвестров, Б.В. Соколов. Однако в работах по синтезу систем подсистем оценивания и измерения, в рамках ряда комплексных задач в автоматизированных системах управления (АСУ) СДО не достаточно исследованы ситуации структурных нарушений, информационной неустойчивости, а также сочетания влияния дестабилизирующих факторов на технические и программные средства информационных систем при управлении СДО. Стремление к наиболее эффективному использованию современной техники привели к широкому применению методов оптимизации [1, 2, 11, 46, 120] и планирования их функционирования [49, 104]. Однако процесс оценивания состояния СДО оптимизируется без учета многоэтапности и распределенности (территориальной и временной) обработки данных [ 49] и для абсолютно надежных систем [109], когда применяемые системные и технические показатели [5, 83, 87] (сложности, точности, наблюдаемости) не зависят от эксплуатационных свойств систем. Вследствие высокой стоимости СДО и необходимости обеспечения повышенной надежности их работы, методы оптимизации структур построения ИИК и соответствующего программно-математического обеспечения (ПМО) приобретают большое значение. Эффективность решения задачи при определении параметров движения СДО зависит от выбора типа измерителей, топологической структуры измерительного комплекса, алгоритмов обработки, особенностей привлекаемых технических средств [5, 15, 109]. Ана- лиз ряда работ по исследованию топологических структур сложных систем [84, 120], по проблемам их декомпозиции [104, 108, 109] по- казывает, что для характеристики и формирования окончательного варианта структуры системы выбираются показатели, учитывающие связи между элементами. Однако рассматриваемые проблемы тре- буют комплексного подхода к технико-топологическим структурам и программным (сетевые) методам. Один из комплексных подходов реализуется на примере распределенных баз данных [68, 69]. Таким образом, целью представленных в монографии исследо- ваний является повышение точности оценивания состояния для объ- ектов испытаний и обоснованности выбора технических и модельно- алгоритмических структур распределенных систем переработки из- мерительной информации с учетом состояний и динамики функци-
Предисловие 5 онирования аппаратно-программных средств при управлении объ- ектами, путем разработки методологии синтеза отказоустойчивых методов, моделей и алгоритмов. В первой главе проведен анализ проблем синтеза структур рас- пределенных систем переработки измерительной информации. Про- анализированы задачи декомпозиции и интеграции подсистем при управлении СДО, в ходе получения измерительной информации, ее оценивания и выработки управляющих воздействий. В рамках струк- турно-информационного подхода исследованы понятия структурной устойчивости, реконфигурации распределенных систем, математи- ческие модели представления процесса переработки информации в распределенных многозвенных динамических системах. Во второй главе разработаны методологические положения син- теза распределенных систем переработки информации, в результате чего предложен [4, 17–19, 25, 26] и обоснован ряд системологических показателей: условия наблюдаемости, декомпозируемости; сформу- лированы утверждения по оценке их сложности, точности, опера- тивности. В третьей главе разработаны и исследуются теоретические во- просы синтеза распределенных систем оценивания измерительных данных на этапах переработки информации, в результате чего осу- ществлен синтез комплексных навигационных систем и систем мно- гоэтапного оценивания в условиях отказов аппаратных и программных средств [6, 28, 91]. Представлена задача планирования процесса оценивания для систем со случайным изменением топологии, а также модель принятия решений в эргатических системах в условиях технической нестабильности, вызванных нештатными ситуациями [ 22, 27, 29, 32]. В четвертой главе обосновано применение распределенных систем переработки информации в условиях отказов аппаратно-программных средств, в результате чего вводится [20, 21, 23, 24, 30, 31] понятие «техническое состояние», а возможные его случайные изменения предлагается рассматривать как динамическую систему. Сопоставляются понятия живучести, отказоустойчивости и особенности их обеспечения для структур сложных технических систем, программно-математического обеспечения подсистем распределенных информационно-управляющих систем. Рассматривается задача резервирования в условиях структурных нарушений в системе при их декомпозиции и агрегировании, а также алгоритм максимизации надежности с учетом индивидуальных признаков элементов, приводится подход к оценке надежности распределенных систем на ос-
Предисловие нове аппарата полумарковских процессов методов фазового укрупнения. Разделы 3.3 и 3.4 подготовлены совместно с аспирантом М.А. Шевкуновым. Автор выражает искреннюю благодарность рецензентам профессору Владимиру Васильевичу Кульбе и профессору Владимиру Вадимовичу Бетанову за внимательное отношение к работе, высказанные замечания которых были учтены и способствовали улучшению книги. Выражаю глубокую признательность моему учителю и наставнику — профессору Владимиру Владимировичу Васильеву, за постоянное внимание и поддержку, а также коллективу кафедры радиотехнических систем академии РВСН за плодотворное обсуждение представленных результатов. Отдельное почтение коллективу кафедры МЭУ РГГУ, коллегам и сотрудникам ФГУП «Стандартин- форм», где была написана данная работа, за теплоту и поддержку, ценные и конструктивные замечания, способствующие улучшению содержания представленной монографии. Автор будет благодарен читателям, нашедшим время для ознакомления с книгой и приславшим свои отзывы, замечания и пожелания.
Анализ распределенных систем переработки информации при управлении сложными динамическими объектами Почему бы тебе не собрать словарь слов, кото- рые составили бы одну книгу, и не дать возмож- ность читателю самому построить из этих слов свое целое? Милорад Павич Во многом эффективность разрабатываемых сложных динами- ческих объектов определяется в ходе летных и летно-конструктор- ских испытаний (ЛИ) процедуры, доведенные как до машинных про- грамм, так и представленные в виде устройств, реализующих методы переработки данных процессов и систем [6, 91, 92], защищенных ав- торскими свидетельствами и патентами на изобретения. Практичес- кое их использование позволило получить обоснованные результаты. Оперативное, непрерывное и гибкое управление процессом пе- реработки измерительной информации осуществляется посредством информационных контуров в наземных автоматизированных ком- плексах управления СДО [11, 73, 86]. Для задач испытаний и управ- ления СДО в рамках АСУ выделим задачи переработки информации (передачи, обработки, отображения и т. д.), решаемые распределен- ными информационно-управляющими комплексами. В главе рассматриваются задачи, решаемые распределенными системами обработки информации, приводится анализ таких систем- ных свойств, как декомпозируемость, агрегируемость и сложность. На основе анализа структур исследуемых комплексов (информаци- онно-измерительных, вычислительных), решаемых ими задач фор- мируется задача синтеза в зависимости от уровня представления комплексов и систем.
Г л а в а 1 1.1. Место распределенных систем переработки информации при управлении СДО Распределенная система переработки информации (РСПИ) представляет собой совокупность пунктов наблюдения со средства- ми измерения параметров состояния, пунктов сбора и переработ- ки информации различного уровня со специальным программно- математическим обеспечением. Другими словами, это информаци- онные системы в виде взаимосвязанной совокупности программных, аппаратных и информационных средств и персонала [52]. В качестве пунктов наблюдения могут выступать радиотехнические и оптичес- кие системы измерений. Динамическими объектами (объектами испытаний) в книге рас- сматриваются сложные объекты, например летательные аппараты (космические аппараты, пилотируемые и беспилотные самолеты). Пункты сбора измерительной информации, обработки, управления и передачи данных в пункты потребления информации (региональные центры управления (РЦУ), центры управления полетом и т. д.) [79, 95]. На рис. 1.1 представлена структура РСПИ, включающая измерительные комплексы космодромов (ИКК), где информация от пунктов управления (ПУ) анализируется в информационно-вычислительном центре (ИВЦ). Распределенная переработка (сбор, обработка, регистрация, отображение, хранение, поиск и воспроизведение, распределение информации по потребителям, интерпретация, интегрированное представление и целевое использование информации) осуществляется в ПУ, РЦУ, а также в Главном испытательном центре (ГИЦ). Передача данных осуществляется как по наземным, так и по космическим каналам связи. Постоянное усложнение целевых задач РСПИ, повышение требований к значениям показателей качества функционирования (точности, информативности, надежности, оперативности и т. д.), появление новых типов объектов информационного взаимодействия привели к существенному усложнению их структуры и процессов функционирования. Современные сетецентрические информационно- управляющие системы (ИУС) представляются в виде множества процессорных устройств, разбитых на кластеры (по региональному или по технологическому принципу), объединенные друг с другом [78]. Выделим следующие особенности РСПИ, позволяющие рассматривать их как сложные системы: • с т р у к т у р н ы е — иерархичность построения этапов переработки информации; многообразие структур и многосвязность
Анализ распределенных систем переработки информации 9 Рис. 1.1. Структура РСПИ при управлении СДО элементов в зависимости от типа объекта испытания, привлекаемых технических средств, числа этапов переработки данных; • ф у н к ц и о н а л ь н ы е — априорная неопределенность состояний аппаратно — программных средств (АПС), снижающая качество переработки данных; изменение состава вектора измерений в зависимости от этапа испытаний и привлекаемых АПС; • ц е л е в ы е — своевременный сбор измерительных данных и их переработка в реальных условиях (помеховая обстановка, состояние технических средств). Так как РСПИ является, по сути, сегментом наземного автоматизированного комплекса управления, то для нее характерны те же виды обеспечения, что и для АСУ [54, 110]. Непосредственно для задач разработки систем переработки данных, методов построения распределенных структур в АСУ сложными динамическими объектами рассмотрим математическое, программное и информационное обеспечение (рис. 1.2). Роль технического обеспечения АСУ будем учитывать при рассмотрении надежности функционирования РСПИ в ходе анализа вероятностно-временных характеристик процесса переработки информации на распределенном комплексе технических средств. При выполнении ряда практических операций по управлению СДО актуальным остается организация устойчивого функционирования аппаратных и программных средств. Последнее относится как к созданию специального, так и общего программного обеспечения (ОПО), систем управления базами данных (БД). Совершенствование математического и программного обеспече-
Г л а в а 1 Рис. 1.2. Обеспечение устойчивости видов обеспечения РСПИ ния автоматизированных комплексов вызвано следующими требованиями к распределенным системам переработки информации: • обеспечение в реальном масштабе времени (РМВ) обработки и представления данных, многозадачный, многооконный режим при работе со всеми ресурсами автоматизированных комплек- сов; • модульный принцип построения и наращивания аппаратных и программных средств, обеспечивающих работу в РМВ, и орга- низация, при необходимости, взаимодействия с существующими сетями, системами, комплексами средств автоматизации; • общие с АСУ СДО аппаратные и программные средства, при- кладная специфика которых должна иметь общие принципы функционирования, состоять из единого ряда программных мо- дулей задач, моделей и экспертных систем; • обеспечение контроля и отображения состояния РСПИ и воз- можности управления с выделенных средств АСУ всеми про- цессами, циркулирующими в РСПИ; • унификация ведения баз данных, единая система доступа, теле- коммуникационная среда, протоколы и процедуры, АПС, позво- ляющие развивать систему, создавая новые расчетные модули в составе модельно-алгоритмического обеспечения РСПИ; • интегрированное использование существующих и новых кана- лов связи и передачи данных, многоуровневая реконфигурация, регенерация и восстановление структуры РСПИ.