Математическое и программное обеспечение диспетчеризации беспроводных распределенных компьютерных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.11, кандидат технических наук Морозов, Игорь Андреевич

• Морозов, Игорь Андреевич
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Морозов, Игорь Андреевич

Введение.

Глава 1. Организация сети распределенного сбора данных систем экологического контроля.

1.1. Система производственного экологического мониторинга.

1.2.0боснование размеров (площади) зоны защитных мероприятий.

1.3. Определение перечня общепромышленных загрязнителей.

1.4. Технические средства контроля общепромышленных загрязнителей для использования в системе производственного экологического мониторинга.

1.5. Базовые элементы системы производственного экологического мониторинга в зоне защитных мероприятий.

1.5.1. Автоматический стационарный пост.

1.5.2. Передвижная лаборатория контроля качества атмосферного воздуха.

1.5.3. Передвижная лаборатория контроля качества воды и почвы.

1.5.4. Информационно-аналитический центр системы производственного экологического мониторинга.

1.6. Выводы.

Глава 2. Анализ и выбор методов беспроводной передачи данных.

2.1. Современное состояние беспроводной передачи данных в компьютерных сетях.

2.1.1. Беспроводные ЛВС.

2.1.2. Технология Bluetooth.

2.1.3. Сверхширокополосные системы.

2.1.3.1. Преимущества UWB.

2.1.4. Новые системы широкополосного доступа.

2.2. Выбор типа беспроводной сети при построении системы экологического 30 мониторинга

2.2.1. Основные исходные данные для проектирования.

2.2.2. Классификация основных беспроводных вычислительных сетей.

2.3. Выводы.

Глава 3. Принципы построения беспроводной компьютерной сети системы экологического мониторинга.

3.1. Оценка возможностей Radio Ethernet.

3.1.1. Стандарт IEEE 802.11 и его расширение 802.1 lb.

3.1.2. Физический уровень 802.

3.1.3. Методы передачи FHSS и DSSS.

3.1.4. Скорости передачи протокола IEEE 802.

3.1.5. Канальный (Data Link) уровень 802.

3.1.6. Подключение к сети.

3.1.7. Безопасность сети.

3.1.8. Безопасность для здоровья.

3.1.9. Перспективы увеличения скорости стандарта IEEE 802.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое и программное обеспечение диспетчеризации беспроводных распределенных компьютерных систем»

Настоящая диссертационная работа посвящена задачам создания и диспетчеризации распределенных беспроводных компьютерных систем специального назначения, исследованию и построению соответствующего математического и программного обеспечения.

Изучение литературных источников, посвященных этим вопросам , анализ решаемых задач и программного обеспечения показывает, что существующие подобные системы, в основном, обслуживают островные поселения или удаленные анклавы.

Обычно такие компьютерные системы оснащены стандартным программным обеспечением и не предъявляют серьезных требований к параметрам информационного обмена.

Актуальность работы состоит в том, что рассматриваются проблемы построения беспроводных распределенных компьютерных систем специального назначения, с повышенными требованиями к быстродействию и надежности управления информационными потоками. К объектам такого типа относятся, например, промышленные сооружения и поселки по добыче нефти, газа и других полезных ископаемых, специальные системы экологического мониторинга и т.д., которые все чаще создаются в удаленных местах РФ.

При проектировании систем этого класса возникает ряд специфических вопросов, связанных с назначением данного промышленного объекта, особенностями местности, климатом, требованиями по объемам информации, быстродействию, надежности.

В то же время математические методы и модели исследования структур программного обеспечения (ПО), способы их построения в значительной мере являются общими для распределенных ЛВС различного назначения.

В данной работе эти вопросы исследуются на примере построения ПО для беспроводной распределенной компьютерной сети реальной системы производственного экологического мониторинга (СПЭМ).

Целью мониторинга на объектах по уничтожению химического оружия является постоянное получение оперативной информации о содержании отравляющих веществ, продуктов их детоксикации и общепромышленных загрязнителей в контролируемых зонах, о возможном их поступлении в окружающую среду, а также о динамике изменения уровня их концентраций. Эта информация необходима для контроля безопасности функционирования объекта по уничтожению химического оружия, для оперативного принятия решения по предотвращению поступления отравляющих веществ, продуктов их детоксикации и общепромышленных загрязнителей в окружающую природную среду при нарушениях технологического процесса, а также для оповещения работающего персонала объекта и населения в случае возникновения аварийных ситуаций.

Сбор, обработка и накопление информации внутри системы организуется в виде локальной информационной сети. Сеть имеет возможность информационного взаимодействия с автоматизированной системой управления технологическим процессом.

Одной из основных составляющих локальной информационной сети является территориально распределенная беспроводная компьютерная сеть (БКС) системы экологического мониторинга. Именно на этот элемент системы ложится решение наиболее сложных задач, связанных с большой территориальной распределенностью, огромным количеством измерений, сложностью и спецификой технических требований и решений.

Целью данной работы является исследование математических моделей и структур программного обеспечения для территориально распределенных беспроводных компьютерных систем, анализ, разработка и верификация алгоритмов и программ диспетчеризации.

В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи исследования:

1. Постановка и анализ задач, которые должны решаться в распределенной (БКС) и определение требований к системе диспетчеризации.

2. Построение математических моделей структур программного обеспечения системы и исследование их методами имитационного моделирования.

3. Исследование алгоритмов диспетчеризации информационных потоков в соответствии с требованиями к разрабатываемой системе.

4. Разработка и верификация программного обеспечения диспетчеризации и рассмотрение вопросов практической реализации территориально распределенной беспроводной компьютерной системы.

Исследования выполнены с использованием методов сравнительного анализа, метода алгоритмирования, имитационного моделирования, теории оптимизации и теории массового обслуживания.

Научная новизна диссертации состоит в том, что автором:

- предложена новая структура программного обеспечения для построения беспроводной распределенной компьютерной сети на основе использования двух различных видов сетей с целью повышения быстродействия и надежности.

- разработаны модели, алгоритмы и программы диспетчеризации информационных потоков в беспроводных распределенных системах, обеспечивающие требуемые технические характеристики.

Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов определяется корректным использованием различных математических методов и моделей, согласованностью результатов функциональных и имитационных моделей процессов работы системы. Достоверность положений и выводов диссертации подтверждена положительными результатами внедрения работы.

Научные результаты, полученные в диссертации, доведены до практического использования на объекте по уничтожению химического оружия. Предложенная территориально распределенная беспроводная компьютерная сеть может быть использована для построения локальных вычислительных систем промышленного мониторинга.

Результаты диссертационной работы использованы при построении территориально распределенной БКС, которая обеспечивает функционирование системы производственного экологического мониторинга (СПЭМ) объекта по уничтожению химического оружия, расположенного в п. Горный Саратовской области. Разработанный программный комплекс, обеспечивающий функционирование БКС внедрен на данном объекте.

Содержание разделов и всей диссертации обсуждалось и получило одобрение:

- на семинарах лаборатории №29 Института проблем управления РАН им. В.А.Трапезникова;

- на заседаниях кафедры АСОИУ в Московском государственном университете приборостроения и информатики.

Совокупность научных положений, идей и практических результатов исследований, изложенная в диссертации, представляет новое решение проблем в области практической реализации локальных вычислительных систем промышленного мониторинга.

По результатам диссертационной работы опубликовано 6 статей. На разработанное программное обеспечение «Диспетчер беспроводной вычислительной сети» получено свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ) № 2007610432.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав основного материала, заключения, списка литературы, включающего в себя 53 наименования и приложения. Она содержит 150 страниц текста, в том числе 34 рисунка и таблицы.

Заключение диссертации по теме «Математическое и программное обеспечение вычислительных машин, комплексов и компьютерных сетей», Морозов, Игорь Андреевич

4.4. Выводы

1. На основе проведенных исследований предложена техническая реализация территориально распределенной компьютерной сети системы экологического мониторинга, состоящей из 14-ти стационарных и 2-х передвижных пунктов контроля и информационно-аналитического центра.

2. Беспроводная сеть предложенной системы построена на основе взаимодействия Radio-Ethernet (основная сеть) и узкополосной радиосети (вспомогательная), что обеспечивает необходимое быстродействие и надежность.

3. Рассмотрены вопросы организации беспроводной компьютерной сети, принята за основу структура «точка - много точек».

4. Разработан алгоритм покадрового приема кадра данных в основной сети с контролем ошибок.

5. Создан алгоритм управления информационным обменом для вспомогательной сети с обеспечением экстренной связи в случае возникновения критических ситуаций.

6. На основе разработанных алгоритмов функционирования создана программа «Диспетчер беспроводной вычислительной сети».

7. Определены характеристики и предложены варианты выбора технических средств для территориально распределенной БКС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена актуальной проблеме построения и практической реализации программного диспетчера беспроводной распределенной компьютерной системы. Обобщая результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований, можно сформулировать основные выводы и результаты работы:

1. Выполнена постановка задач исследования и разработки программного обеспечения диспетчера беспроводной распределенной компьютерной сети.

2. Сформулированы принципы построения и требования к характеристикам ПО беспроводной компьютерной сети: структуре, объемам информационного обмена, быстродействию, надежности.

3. Проведен сравнительный анализ различных протоколов беспроводных компьютерных сетей и обоснован выбор типа сети в данной системе.

4. Разработаны детерминированная и стохастическая модели диспетчеризации с использованием различных математических методов.

5. Проведено имитационное моделирование функционирования диспетчера беспроводной компьютерной сети с целью оценки основных параметров системы, обеспечивающих выполнение требований по быстродействию и надежности.

6. Разработаны алгоритмы функционирования и организации взаимодействия информационных потоков в соответствии с требованиями к разрабатываемой системе.

7. Разработана и внедрена программа «Диспетчер беспроводной вычислительной сети», обеспечивающая оптимальное функционирование БКС. На программу получено свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (РОСПАТЕНТ) № 2007610432.

8. Предложенные принципы построения, данные исследований и разработанное программное обеспечение внедрены при создании территориально распределенной беспроводной компьютерной сети системы экологического мониторинга объекта по уничтожению химического оружия в п. Горный, Саратовской области.

9. Получены два акта о внедрении результатов выполненных исследований от НИИАА им. академика B.C. Семенихина и от ИПУ РАН им. В.А. Трапезникова.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Морозов, Игорь Андреевич, 2007 год

1. Алгоритм и протокол информационного обмена информационно-аналитического центра с пунктами контроля атмосферного воздуха ПЛ-А1282 и АСПК-1282 в районе опытно-промышленного объекта уничтожения химического оружия, 2002 г.

2. Александриди Т.М., Морозов И.А., «Выбор типа беспроводной сети при построении системы экологического мониторинга». Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2006.№12. Научно-технический журнал. Москва: Научтехлитиздат, 2006.

3. Александриди Т.М., Морозов И.А., «Выбор беспроводной сети при построении распределенной ЛВС». Новые технологии в автоматизации управления. Сборник научных трудов. Москва: МАДИ (ГТУ), 2006.

4. Арбайтис В.-Б.Б., Аверьянов Н.Н., Белоус А.И. «Микропроцессоры и микропроцессорные комплекты интегральных микросхем: Справочник». М.: Радио и связь, 1988.- 368 с.

5. Гук М. «Аппаратные средства локальных сетей. Энциклопедия». -СПб.:2000.

6. Гук М. «Аппаратные средства IBM PC. Энциклопедия, 2-е изд.».- СПб.: Питер, 2002.- 928 с.

7. Капашин В.П. "Уничтожение химического оружия: система промышленного экологического мониторинга." Саратов, Изд-во Саратовского ун-та, 200.-300с.

8. Клейнрок Л. «Теория массового обслуживания». М.: Машиностроение, 1979.- 432 с.

9. Клейнрок Jl. «Вычислительные системы с очередями» Издательство «Мир», Москва 1979.11. "Конвенция о запрещении разработки, производства, накопления и применения химического оружия и его уничтожении". Организация Объединенных Наций, 1993.- 168с.

10. Корнеев В.В., Киселев А.В. «Современные микропроцессоры». М.: Нолидж, 1998.- 240 с.

11. Кузьминов А.Ю. «Интерфейс RS232: Связь между компьютером и микроконтроллером: От DOS к WINDOWS 98/ХР».- М.: Издательский дом «ДМК пресс», 2006.- 320 с.

12. Морозов И.А., «Организация информационного обмена и формирование запросов в многоточечной цифровой радиосети». Информационные технологии в задачах управления и обучения. Часть 2. Сборник научных трудов. Москва: МАДИ (ГТУ), 2003.

13. Морозов И.А., «Производственно-экологический мониторинг в районе объектов уничтожения химического оружия». Информационные технологии в задачах управления и обучения. Часть 2. Сборник научных трудов. Москва: МАДИ (ГТУ), 2003.

14. Морозов И. А., «Принципы организации радиосети системы экологического мониторинга (РСЭМ)». Сборник трудов молодых ученых и специалистов МГАПИ. Москва: МГАПИ, 2003.

15. Морозов И. А., «Технологии передачи цифровой информации в радиосети экологического мониторинга (РСЭМ)». Сборник трудов молодых ученых и специалистов МГАГТИ. Москва: МГАГТИ, 2003.

16. НСП Ol-99/MO РФ "Нормы специального проектирования объектов 1281, 1282, 1596, 1597, 1726, 1728, 1729 по уничтожению химического оружия", 1999 г.

17. Постановление Правительства Российской Федерации от 30 декабря 1994 г. № 1470 "Об организации работ по созданию объекта по уничтожению запасов отравляющих веществ, хранящихся на территории Саратовской области".

18. Постановление Правительства Российской Федерации от 24 02 99г. № 208 "Об утверждении Положение о зоне защитных мероприятий, устанавливаемой вокруг объектов по хранению химического оружия и объектов по уничтожению химического оружия"

19. Постановление заместителя Главного государственного санитарного врача Российской Федерации от 09.07.98г. № 2.

20. Постановление Правительства Российской Федерации от 21 января 2000 года № 52

21. Разработка рабочей документации для Информационно-аналитического центра системы производственно-экологического мониторинга объекта уничтожения химического оружия в п. Горный Саратовской области. Техническое задание.

22. Розенберг В.Я., Прохоров А.И. «Что такое теория массового обслуживания». М.: Советское радио, 1965.

23. Таненбаум Э. «Компьютерные сети. 4-е изд.». СПб.: Питер, 2005.

24. Техническое задание системы производственно-экологического мониторинга объекта уничтожения химического оружия в п. Горный Саратовской области, 2002 г.

25. Федеральная целевая программа "Уничтожение запасов химического оружия в Российской Федерации", М.,1996. 28с.

26. Федеральная целевая программа "Уничтожение запасов химического оружия в Российской Федерации", в редакции постановления Правительства Российской Федерации от 5 июля 2001 г. № 510, М.,2001. -41с.

27. Федеральный закон от 02.05.97г. № 76-ФЗ: "Об уничтожении химического оружия"41. 2004 Global Broadband Subscriber Report: Executive Summary. The Yankee Group, 2004.

28. Fellah A. WiMAX, NLOS and Broadband Wireless Access (Sub-11 Ghz): Worldwide Market Analysis 2004-2008. Maravedis Inc., 2004.

29. International Sales Review.Alvarion News Letter, March 2004.Alvarion Ltd., 2004.