Математическое обеспечение распределенных систем управления техническими средствами защиты окружающей среды тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.06, кандидат технических наук Гарнец, Валерий Николаевич

• Гарнец, Валерий Николаевич
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гарнец, Валерий Николаевич

Введение. ф

Глава 1. Информационные характеристики окружающей среды и способы их получения.

1.1. Окружающая среда Санкт-Петербурга и Ленинградской области и их информационные характеристики.

1.2. Понятие о жизненном цикле программного обеспечения.

1.3. Модели жизненного цикла ПО.

1.4. Методологии и технологии проектирования ИС.

1.5. Структурный подход к проектированию ИС.

1.5.1. Функциональное моделирование SADT.

1.5.2. Типы связей между функциями.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое обеспечение распределенных систем управления техническими средствами защиты окружающей среды»

Большой интерес в последние годы к повышению качества управления процессами защиты окружающей природной среды связан с пониманием серьезных последствий нарушения ее качества. Это, прежде всего, загрязнение воздуха, воды, почвы, истощение природных ресурсов, влияние катастроф на среду.

Вопросы управления охраной окружающей среды решаются пока неэффективно и здесь можно выделить следующие основные причины: отсутствие необходимой информации для лиц, принимающих решения, неадекватность используемых данных, неопределенность и трудности установления причинно-следственных связей между критериями оценки окружающей среды, наличие ошибочных мнений о невозможности применения аналитических методов в исследованиях, субъективные факторы.

Катастрофы природного характера в 2004 г., которые предотвратить было невозможно, но иметь упреждающую информацию об их неизбежности и тем самым значительно сократить ущерб и сохранить жизни многих десятков тысяч людей, говорят в пользу сказанного выше.

Одним из основных вопросов, который решается при управлении - это получение достоверной информации и в необходимом объеме. Этому посвящены исследования многих ученых и, прежде всего, следующих: Гаскарова Д.В., Гавича И.К., Вавилина В.А., Варжапетяна А.Г., Доданова А.Г., Иванище-ва В.В., Киселева В.Б., Новоселова О.Н., Солдатенко С.А., Строганова В.И., Фомина А.Ф, Юсупова P.M.

Однако применение локальных и глобальных вычислительных сетей для сбора, обработки и передачи информации о состоянии экосистем исследованы еще недостаточно, что сдерживает их практическое использование.

Данные вычислительные сети принадлежат к так называемым распределенным системам, основной задачей которых является облегчение пользователям доступа к удаленным ресурсам и обеспечение их совместного использования. Ресурсы могут быть виртуальными, однако традиционно они включают в себя принтеры, компьютеры, устройства хранения данных, файлы и данные. WEB - страницы и сети также входят в этот список [95].

Распределенные системы обладают рядом специфических свойств, к которым относятся прозрачность (определяется степенью прозрачности), открытость (наличие стандартного синтаксиса и семантики), масштабируемость (масштабируемость по размеру, географически, в административном смысле).

Значительно меньше исследований по вопросам управления охраной окружающей среды. Публикации по итогам этих исследований носят частный характер и поэтому весьма проблематично их использование.в более общих случаях, например, в масштабах региона. Здесь необходимо отметить, прежде всего, труды следующих ученых: Горстко А.Б., Гурмана В.И., Каплина Б.Г., Копсова М.М., Моисеева Н.Н., Тарко A.M., Поспелова Д.А., Сомова А.И.

В диссертации решаются задачи математического обеспечения распределенных систем для эффективного решения задач управления защитой окружающей среды.

Получение информации о состоянии внешней среды связано с некоторыми особенностями, которые состоят в следующем: наличие большого количества точек съема информации; рассосредоточенность точек контроля; неоднозначность информации, снимаемой даже в близлежащих точках; ограниченность возможностей контроля; необходимость первичной обработки объема информации непосредственно на месте ее получения; передача информации на значительные расстояния; преобразование информации для последующего принятия решения об управляющих воздействиях; защита информации от несанкционированного доступа, связанного с незаконным ее использованием и изменением.

Перечисленные особенности получения и преобразования информации налагают определенные трудности на выработку управленческих решений. Поэтому в диссертации основное место уделено вопросам получения, обработке, передаче, хранению и использованию информации для выработки управлений охраной окружающей среды.

В связи с этим целью исследований является разработка математического обеспечения распределенных систем, выявления закономерностей, лежащих в основе функционирования экообъектов, получение характеристик и структуры информационного обеспечения автоматизированной системы управления охраной окружающей среды.

Для решения поставленной цели в диссертации решаются следующие основные задачи: производится качественное исследование окружающей среды и даются количественные оценки на примере Санкт-Петербурга и Ленинградской области; предлагается методика применения объектно-ориентированного подхода для создания структурных и функциональных схем распределенных систем; разрабатываются математические модели переноса примесей в атмосфере и океане, математические модели управления динамикой атмосферных загрязнений для размещения производственных предприятий, гидрохимических воздействий на водоемы, на основе которых анализируются вопросы информационного обеспечения процесса управления; создается программное обеспечение и производится математическое моделирование процесса загрязнения водоемов и атмосферы; производится исследование информационной вычислительной сети как системы массового обслуживания с бесприоритетным и с приоритетным обслуживанием; разрабатываются рекомендации по использованию результатов исследований в системе управления охраной окружающей среды.

Предметом исследований является математическое обеспечение распределенных систем предназначенных для управления охраной окружающей среды. Исследования проводятся на основе анализа информационных характеристик математических моделей переноса примесей в атмосфере и океане, миграции загрязнителей, динамики атмосферных загрязнений, гидрохимических воздействий на водоемы с производством численного моделирования и получения количественных характеристик.

Решение поставленных задач производится на основе системотехнических позиций с применением методов объектно-ориентированного программирования, что позволяет с большей объективностью учесть влияние окружающей среды, взаимозависимость критериальных оценок, получаемую информацию для принятия эффективных решений. Научная новизна исследований состоит: в комплексном подходе, связанным с учетом основополагающих факторов, таких как вредные выбросы в атмосферу и в водную среду промышленными предприятиями, средствами транспорта, электрическими станциями, уничтожение лесов в результате строительства, которые влияют на экологическую устойчивость, на объективность получаемой информации для управления техническими средствами защиты; в математических моделях динамики загрязнений вредными веществами и их распада в водной среде и атмосфере, миграции, происходящих в окружающей среде и результатах их количественного исследования; в получении теоретических результатов по исследованию динамики миграции загрязнителей атмосферы и водных ресурсов, по величинам критических значений вредных примесей, влияющих на устойчивость экосистемы к внешним воздействиям и отличающихся адекватностью данных исследований реальным процессам; в разработанных методиках оценки качественных показателей информационных систем, таких как возможность многоканального обслуживания, обеспечение приоритетности предоставления услуг, степень защищенности от внешних вторжений, которые позволяют создавать структуры распределенных систем управления.

Разработанные методические положения, математические модели, способы выбора рациональной структуры вычислительных информационных сетей внедрены в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций при проведении учебного процесса, в ОАО «Канонерский судоремонтный завод».

На защиту выносятся:

1. Математические модели и результаты аналитических и численных исследований характеристик окружающей среды как объекта для получения информации в распределенной системе.

2. Методика выбора рациональной структуры компьютерной информационной сети, основанная на объектно-ориентированном подходе.

3. Закономерности, лежащие в основе функционирования систем управления охраной окружающей среды.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

Региональная информатика-2002 (международная конференция); На кафедральных семинарах в СПГУВК «Математическое моделирование сложных систем».

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 109 наименования. Работа содержит 160 страницу печатного текста, 31 рисунок, 10 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)», Гарнец, Валерий Николаевич

Основные результаты работы внедрены в ОАО «Канонерский судоремонтный завод» г. Санкт-Петербург.

Заключение

В процессе выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты.

1. С системных позиций произведено исследование окружающей среды как объекта управления, что позволило:

- найти наиболее удобные формы представления информации для принятия решения об управлении охраной окружающей среды;

- определить причинно-следственные связи между критериями параметров окружающей среды;

- предложить методики применения аналитических методов в исследовательских данных объектов;

2. Введено понятие экологической устойчивости, на основании чего выполнено следующее:

- разработана математическая модель оценки экологической устойчивости;

- выполнено исследование устойчивости в зависимости от изменения количества вредных примесей и массы нейтрализации данных выбросов

3. Исследованы математические модели процессов, происходящих в окружающей среде и влияющих непосредственно на ее качественные показатели:

- модель переноса примесей в атмосфере и океане;

- модель качества воды;

- модель управления динамикой атмосферных загрязнений для рационального размещения производственных предприятий;

- модель гидрохимических воздействий на водоемы;

- получены характеристики необходимого объема информации для использования в системе управления.

4. Созданы методики разработки рациональной структуры распределенной информационной системы, позволяющие оценивать качественные показателей, такие как возможность многоканального обслуживания, обеспечение приоритетности предоставления услуг, степень защищенности от внешних вторжений.

5. Разработаны рекомендации по использованию результатов исследований в системах управления охраной окружающей среды.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гарнец, Валерий Николаевич, 2005 год

1. Акулич Н. J1. Математическое программирование в примерах и задачах. М.: Высшая школа, 1993. 336 с.

2. Альянах И. Н. Моделирование вычислительных систем. Л.: Машиностроение, 1988. 221 с.

3. Арнольд В. И. Теория катастроф. М.: Наука, 1990. 128 е.

4. Бакаев А. А., Костина Н. И., Яровицкий Н. В. Имитационные модели в экономике. Киев: Техника, 1982.176 с.

5. Баранов С.Н., Домороцкий А.Н., Ласточкин Н.К., Морозов В.П. Процесс разработки программных изделий М.: Наука Физматлит, 2000. 176 с.

6. Беленький А. С. Исследование операций в транспортных системах. М.: Мир, 1992. 584 с.

7. Бреховских С. М. Основы функциональной системологии материальных объектов. М.: Наука, 1986. 250 с.

8. Бусленко В. Н. Автоматизация имитационного моделирования сложных систем. М.: Наука, 1977. 239 с.

9. Бусленко Н. П., Калашников В. В., Коваленко И. Н. Лекции по теории сложных систем. М.: Сов. радио, 1973. 440 с.

10. Бэрри Нанс. Компьютерные сети. М.: Бином, 1996. 400 с.

11. Вавилин В. А., Циткин М. Ю. Математическое моделирование и управление качеством водной среды/Водные ресурсы. 1977. №5 с.34-40.

12. Варжапетян А.Г., Глушенко В.В. Системы управления М.: Вузовская книга. 2000. 326 с.

13. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. М.: Физматгиз, 1962. 564 с.

14. Вентцель Е. С., Овчаров Л. А. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения. М.: Наука, 1991. 384 с.

15. Винтер Р., Винтер П. Microsoft Office для Windows' 95 в подлиннике. СПб.: BHV, 1998. 1000 с.

16. Вихров Н. М., Гаскаров Д. В., Грищенков А. А., Шнуренко А. А. Управление и оптимизация производственно-технологических процессов. СПб.: Энергоатомиздат, 1995. 303 с.

17. Власов Л. В., Колесников Д. Н., Сорокин И. А. Имитационное моделирование систем массового обслуживания с использованием GPSS. Л.: ЛПИ, 1989. 87 с.

18. Воеводин В. В. Математические модели и методы в параллельных процессах. М.: Наука, 1986. 296 с.

19. Волкова В.Н., Денисов А.А. Основы теории систем и системного анализа СПб.: СПбГТУ, 1999. 512 с.

20. Воропаев Г. В. и др. Моделирование водохозяйственных систем аридной зоны СССР. М.: Наука, 1984. 312 с.

21. Вунш Г. Теория систем. М.: Сов. радио, 1978. 288 с.

22. Гавич И. К. Методы охраны подземных вод от загрязнения и истощения, М.: Недра, 1985. 320 с.

23. Гарнец В.Н. Определение основных параметров вычислительной сети. Сб. научных трудов «Прикладная математика», «Судостроение», 2004. ст.23-27.

24. Гарнец В.Н. Оценки характеристик вычислительных сетей. Сб. научных трудов «Прикладная математика», «Судостроение», 2004. с. 28-32.

25. Гаскаров Д.В., Киселев В.Б., Солдатенко С.А., Строганов В.И., Юсупов P.M. Введение в геофизическую кибернетику и экологический мониторинг. СПб.: СПГУВК, 1998. 165 с.

26. Глущенко В. В. Информационные и структурные модели организационно-административных систем. СПб.: СПГУВК, 1997. 232 с.

27. Гольдин В. Я., Налипкин Н. Н., Шишова Т. В. Нелинейные разностные схемы для гиперболических уравнений/ Выт. мат. и мат. физ., 1965, т.5, №5.

28. Горстко А. Б., Домбровский Ю. А., Сурков Ф. А. Модели управления эколого-экономическими системами. М.: Наука, 1984,117 с.

29. Грейди Буч, Джеймс Рамбо UML Руководство пользователя. ДМК, М., 2000, 350 с.

30. Демиденко Е. 3. Линейная и нелинейная регрессия. М.: Статистика, 1981,300 е.

31. Додонов А. Г., Клещев Н. Т., Клименко В. Г. Анализ отраслевых вычислительных сетей. Л.: Судостроение, 1990. 255 с.

32. Драмонд М. Методы оценки и измерений дискретных вычислительных систем. М.: Мир, 1977. 381 с.

33. Дрейнер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. М.: Статистика, 1973. 391 с.

34. Дроган С. В., Копанев А. А., Францев Р. Э. Основы информационных систем. СПб.: СПГУВК, 1998. 88 с.

35. Дружинин В.В., Конторов Д. С. Проблемы системологии. М.: Сов. радио, 1976. 200 с.

36. Дурандин К. П., Ефремов В. Д., Колесников Д. Н. Методы анализа эффективности функционирования сложных систем. Л.: ЛПИ, 1978. 77 с.

37. Железнов И. Г. Сложные технические системы (оценка характеристик). М.: Высшая школа, 1984.119 с.

38. Иванищев В. В., Михайлов В. В., Тубольцева В. В. Инженерная экология. Л.: Наука, 1989. 145 с.

39. Иванищев В.В., Марлей В.Е. ведение в теорию алгоритмических сетей СПб.: СПбГУ 2000. 180 с.

40. Иванищев В.В., Михайлов В.В. Автоматизация моделирования экологических систем СПб.: СПбГТУ, 2000. 171 с.

41. Имитационное моделирование природной системы «Озеро-водосбор». Л.: ЛИИАН, 1987.231 с.

42. Имитационное моделирование производственных систем / Под ред. А. А. Вавилова. М.: Машиностроение, 1983. 234 с.

43. Киселев В. Г., Матросов А. В. Численное моделирование в инженерных исследованиях. СПб.: СПГУВК, 1998.160 с.

44. Клейнрок Л. Вычислительные системы с очередями. М.: Мир, 1979. 600 с.

45. Клейнрок Л. Теория массового обслуживания. М.: Машиностроение, 1979.432 с.

46. Комягин В. Б., Коцюбинский А. О. Excel 7.0 for Windows '95 в примерах. М.: Нолидж, 1995. 430 с.

47. Копанев А. А. Информационное и техническое обеспечение тренажерных комплексов. СПб.: СПГУВК, 1998. 139 с.

48. Кротов В. Ф. и др. Основы теории оптимального управления. М.: Высшая школа, 1990. 429 с.

49. Крэг Ларман Применение UML и шаблонов проектирования. СПб.: «Вильяме», 2001.490 с.

50. Кулибанов Ю. М., Истомин Е. П., Саханов 3. И. Основы создания сложных информационных систем. СПб.: СПГУВК, 1998. 71 с.

51. Кулибанов Ю. М., Кулибанов М. Ю., Амами Хатем. Экосистема как объект автоматизированного управления / Сб. научных трудов "Методы прикладной математики в транспортных системах" СПб.: СПГУВК, 1998. с.137-141.

52. Кудрявцев Е.М. Mathcad 2000. Символьное и численное решение разнообразных задач. ДМК, М., 2001. 570 с.

53. Ладенко И. С. Имитационные системы (методология исследований и проектирования). Новосибирск: Наука, 1981. 300 с.

54. Ларичев О. И., Мошкович Е. М. Качественные методы принятия решений. М.: Наука, 1996. 210 с.

55. Лешек А. Мацяшек Анализ требований и проектирование систем. Разработка информационных систем с использованием UML, М.: «Вильяме», 2002. 430 с.

56. Лифшиц А. Л., Мальц Э. А. Статистическое моделирование систем массового обслуживания. М.: Сов. радио, 1978. 248 с.

57. Марчук Г. И. и др. Математические модели в геофизической гидродинамике и численные методы их реализации. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 295 с.

58. Марасанов А.К., Быков А.А. Организационные системы на транспорте Сб. научных трудов «Методы прикладной математики в транспортных системах.» СПб.: СПГУВК, 2000, с. 35^-40

59. Марлей В. Е. Моделирование сложных систем на основераспределенных алгоритмических сетей / автореферат диссер. на соискание ученой степени доктора технических наук. СПб.: Институт информатики и автоматизации РАН, 1998. 31 с.

60. Математические модели рационального природопользования / Под ред. В. В. Пененко. Новосибирск: Наука, 1989. 136 с.

61. Математическое моделирование водных экосистем / Труды советско-американского симпозиума. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 310 с.

62. Мейстер Д. Эргономические основы разработки сложных систем. М.: Мир, 1979. 456.с.

63. Менджел М., Кларк К. Динамические модели в экологии поведения. М.: МирД992. 300 с.

64. Месарович М., Мако Д., Токахара Я. Теория иерархических многоуровневых систем. М.: Мир, 1973. 310 с.

65. Методы охраны подземных вод от загрязнения и истощения / Под ред. И. К. Гавича. М.: Недра, 1985. 320 с.

66. Миколаш Я., Питтерман JI. Управление охраной окружающей среды. М.: Прогресс, 1983. 237 с.

67. Модели управления природными ресурсами / Под ред. В. И. Гурмана. М.: Наука, 1981.264 с.

68. Моделирование процессов экологического развития / Сб. трудов, выпуск 2, ВНИИ системных исследований. 1985. №2. 92 с.

69. Моисеев Н. Н. Элементы теории оптимальных систем. М.: Наука, 1975. 528 с.

70. Моисеев Н. Н., Александров В. В., Тарко А. М. Человек и биосфера. М.: Наука, 1985. 271 с.

71. Морозов В. П., Дымарский Я. С. Элементы теории управления ГАП. JL: Машиностроение, 1984. 333 с.

72. Мушик Э., Мюллер П. Методы принятия технических решений. М.: Мир, 1990. 208 с.

73. Нике Дж. Решение производственных задач. М.: Машиностроение, 1987. 248 с.

74. Новоселов О. Н., Фомин А. Ф. Основы теории расчета информационно-измерительных систем. М.: Машиностроение, 1980. 280 с.

75. Персон P. Microsoft Excel' 97 в подлиннике. СПб.: BHV, т.1, 2, 1998. 1275 с.

76. Петровский И. Г. Лекции по теории обыкновенных дифференциальных уравнений. М.: Наука, 1964. 272 с.

77. Петросян Л. А., Захаров В. В. Введение в математическую экологию. Л.: ЛГУ, 1986.222 с.

78. Питерсон Д. Теория сетей Петри и моделирование систем. М.: Мир, 1984. 264 с.

79. Понтрягин Л. С. и др. Математическая теория оптимальных процессов. М.: Наука, 1969. 384 с.

80. Поспелов Д. А. Логико-лингвистические модели в системе управления. М.: Энергоиздат, 1981. 232 с.

81. Построение экспертных систем / Под ред. Ф. Хейста-Роты. М.: Мир, 1987. 441 с.

82. Пэнтл Р., Методы системного анализа. М.: Мир,1979. 213 с.

83. Риклефс Р. Основы общей экологии. М.: Наука, 1979. 250 с.

84. Рубак В. Я., Киримок Н. И., Дедиков Э. А. Системное проектирование АСУ. Кмев: Техника, 1983. 136 с.

85. Саати Т. Элементы теории массового обслуживания и ее приложения. М.: Сов. радио, 1965. 510 с.

86. Санна П. Visual Basic для приложений. СПб.: BHV, 1998. 700 с.

87. Саттц Т., Керне К. Аналитическое планирование. Организация систем. М.: Радиосвязь, 1991. 224 с.

88. Сергиенко И. В. Математические модели и методы решения задач дискретной оптимизации. Киев: Наук, думка, 1985. 382 с.

89. Сижер Р. Архитектура связи в распределенных сетях. М.: Мир, 1981. т. 1,2. с.744.

90. Советов Б. Я., Яковлев С. А. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 1985. 270 с.

91. Сомов А. И. Математические модели и алгоритмическое обеспечение автоматизированных систем управления экологической ситуацией / Автореферат диссертации. СПб.: СПГУВК, 1998. 27 с.

92. Сомов А. И. Статистическая классификация в системах управления экологической ситуацией / Сб. научных трудов "Автоматизация решения транспортных задач". СПб.: СПГУВК, 1998. с.62-69.

93. Тихонов А. Н., Арсенин В. Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1979.288 с.

94. Турчак Л. И. Основы численных методов. М.: Наука, 1987. 318 с.

95. Э. Таненбаум Распределенные системы, принципы и парадигмы. «Питер», Спб., 2003. 870 с.

96. Феррари Д. Оценка производительности вычислительных систем. М.: Мир, 1981.576 с.

97. Форрестер Дж. Динамика развития города. М.: Прогресс, 1974. 287 с.

98. Фрэнк Г., Чжоу В. Топологическая оптимизация сетей ЭВМ / Системы передачи данных и сети ЭВМ. М.: Мир, 1974. с.147-162.

99. Халиуллин Ю. М., Голосов А. И. Методологические основы управления экологической безопасностью производственно-хозяйственных систем / Сб. научных трудов "Управление в транспортных системах" СПб.: СПГУВК, 1995. с.133-137.

100. Храмшин С. К., Ченцов В. М. Живучесть сетей передачи информации / Изв. АН СССР. Техн. кибернетика. 1976. №4. с.91-92.

101. Чепурных Н. В., Новоселов A. JI. Планирование и прогнозирование природопользования. М.: Интерпракс, 1995. 288 с.

102. Шеридан Т. Б., Феррелл У. Р. Системы человек-машина. М.: Машиностроение, 1980. 390 с.

103. Юдин Д. Б., Голынтейн Е. Г. Линейное программирование. М.: Наука, 1969. 775 с.

104. Harten A., Hyman J. М., Lax P. D., On finite-difference approximations and enstrophy conditions for shocks-Comm. Pure and Appl. Math., 1976, r.29, №3, p. 297-322.

105. Jaiswal N. К. Priority queues. New York and London: Academic Press, 1968.280 pp.

106. Stephan F. F. Two queues under preemptive priority with Poisson arrival and service rates, Operations Res., 6 (1958), 399-418.

107. Takaes L., Priority queues, Operations Res., 12 (1964), 63-74.

108. White H., Christie L. S., Queuing with preemptive priorities or with breakdown, Operations Res., 6 (1958), 79-85.

109. Государственный доклад о состоянии окружающей природной среды С. Петербурга и Ленинградской области в 2001 году. СПб, 2002.