close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000101201

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ВОЛКОВ ВЛАДИСЛАВ ЮРЬЕВИЧ
Разработка автоматизированной системы экологического
мониторинга на базе информационных технологий
удаленного доступа
0^ 13 01 Системный анапиз, управчение и обработка гтформации
03.00 16 Экочогия (технические науки)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации
на соискание ученой степени кандидата технических наук
МОСКВА, 2()()5г.
Работа выполнена на кафедре Автоматизации Произволе[венмьгх Процессов
Новомосковского Института Р Х Т У им Д.И Менделеева
Научный руководитель кандидат гсхнических наук, профессор
Эдельилейн Юрий Давидович
Научный консулыанг. доктор технических наук, профессор
Вент Дмитрий Павлович
Официальные огнюненты:
доктор технических наук, профессор
Палюх Борис Васильевич
доктор технических наук, црофессор
Смирнов Владимир Николаевич
Ведущая организация:
О А О «Новомосковский Институт Азотной Промьинленпости» г Новомосковск
Защита диссертации состоится 15 декабря 2005 года в 11 часов на {аседании
диссертационно! о совета Д 212.204.03 в Р Х Т У им. Д.И. Менделеева в конфсрснц.
зале по адресу: 125190, Москва А-47, Миусская пл., д.9.
С диссертацией можно ознакомиться в научно-информационном центре Р Х Т У им.
Д.И. Менделеева
Автореферат разослан « 8 » ноября 2005г.
Ученый ccKpeiapb Диссертационного Совета
Женса А . В .
Общая характеристика работы
Актуальность темы
Атмосферный воздух является жизненно важным компонентом окружаюшей
природной среды, неотъемлемой частью среды обитания человека, растений и ж и ­
вотных. Качество атмосферного воздуха - важнейший фактор, влияющий на здоро­
вье, на санитарную и эпидемиологическую ситуацию. Примерно две трети населе­
ния Российской Федерации проживает на территориях, где уровень загрязнения ат­
мосферного воздуха не соответствует гигиеническим нормам.
По мере промышленного роста возобновляются и приобретают новое значе­
ние вопросы охраны окружающей среды, а также рационального природопользова­
ния. Для эффективного решения этих задач необходимо создавать современные
системы экологического мониторинга. Существующие системы экологического мо­
ниторинга зачастую малоэффективны и не обладают необходимой надежностью.
Многие из них морально и физически устарели. Как показало практическое исполь­
зование таких систем, основными их недостатками являются малоэффективная сре­
да передачи информации, слабая возможность расширения, автономность, привязка
к определенному виду программного и аппаратного обеспечения и т.п.
Современный уровень состояния общества и экономики характеризуется
динамичным развитием и внедрением новых информационных технологий во
все сферы деятельности. Информатизация как процесс внедрения новых инфор­
мационных технологий, средств сбора, передачи, хранения и обработки инфор­
мации является необходимым условием и одним из основных направлений ре­
формирования системы государственной власти и управления Российской Ф е ­
дерации, в том числе и системы управления природными ресурсами.
Формирование единого информационного пространства, обеспечение ор­
ганов государственной власти достоверной и оперативной информацией требу­
ют перехода на новый уровень организации работы в этом направлении. В этой
связи Министерство Природных Ресурсов осуществляет реорганизацию дейст­
вующей системы информационно-аналитического обеспечения природопользо­
вания и охраны окружающей среды.
При разработке современных автоматизированных систем мониторинга
( А С М ) возникают следующие научные проблемы: выбор оптимальной структу­
ры А С М , оптимальный выбор современных технических и программных
средств контроля и обработки информации, выбор и реализация высокоэффек­
тивных способов повышения надежности и достоверности информации об эко­
логической ситуации, особенно в критических случаях и т.п. В настоящей рабо­
те решение вышеперечисленных проблем показано на примере преобразования
автоматизированной системы контроля атмосферного воздуха г. Новомосковска
А С К « А Т М О С Ф Е Р А » в автоматизированную систему экологического монито­
ринга ( А С Э М ) состояния атмосферного воздуха « А Т М О С Ф Е Р А - Т О » , являю­
щейся частью территориальной системы экологического мониторинга ( Т С Э М )
Тульской области.
Работа выполнена в рамках <t^prippQrTi,u>ja .у>п^длй пр^^рр^^ммм ^/'^ьттпп-.ч и при­
родные ресурсы России (2002 - 2010 годы)» и «(З^йсйЛЯКйНйввбйяайрамме оздоров1
БИБЛИОТЕКА
I
СПстс^
2
ления экологической обстановки и охраны здоровья населения Тульской области».
Целью диссертационной работы является создание современных эф­
фективных методов разработки новых А С Э М и преобразования уже сущест­
вующих АСК в А С Э М .
Для осуществления поставленной цели в рабогс сформулированы и рсщены следующие задачи:
1. Проведен системный анализ характеристик существующих АСК.
2. Определены и исследованы информационные потоки, возникающие в АСЭМ.
3. Разработган меюд синтеза системы удаленного доступа к АСЭМ через Интернет.
4. Разработана методика построения информационной модели А С Э М на ос­
нове диафамм унифицированного языка моделирования UML.
5. Разработаны информационные модели, диаграммы, алгоритмы и автор­
ский пакет программ, реализующие предложенный метод.
6. Выявлены и рещены проблемы, возникающие при интеграции А С Э М в
областную систему мониторинга.
7. Проведена оптимизация структуры аппаратных средств системы передачи и
обработки информации в А С Э М на базе новых информационных технологий.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
1. Разработана специальная методика создания структуры А С Э М , которая
может быть рекомендована в качестве типовой структуры А С Э М атмосферног о
воздуха в любом регионе Р Ф с удаленным доступом через Интернет к ее ин­
формационным
ресурсам
(на
примере
АСЭМ
«АТМОСФЕРА-ТО»
г.Новомосковска Тульской области, позволяющая достаточно гибко и легко
расширять систему).
2. Обоснована необходимость применения удаленного доступа через Интер­
нет к информационным ресурсам А С Э М и осуществлена разработка системы
удаленного доступа соответствующих «Лиц Принимающих Решения», для по­
лучения актуальной информации о состоянии окружающей среды для экстрен­
ного оповещения, если необходимо, и т.п.
3.Исследованы информационные потоки и пропускная способность теле­
коммуникационной подсистемы А С К в различных режимах функционирования.
4.Использованы новые информационные технологии для решения постав­
ленных задач на уже существующих профаммно-аппаратных средствах, кото­
рые очень быстро морально устаревают.
5. Разработана методика создания паттернов на основе языка U M L для мо­
дели А С Э М .
6. Разработан авторский пакет программ, позволяющий создавать систему
удаленного доступа через Интернет вне зависимости от «программной плат­
формы» (операционных систем) компьютерного оборудования.
Практическая ценность результатов работы
Материалы диссертационной работы переданы фирме «Эком», городско­
му природоохранному комитету и могут быть использованы для разработки гюдобных систем мониторинга на стадии проектирования или модернизации уже
существующих систем А С К в Российской Федерации.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладыва­
лись и обсуждались на 22 Научной конференции «Автоматизация, информати­
зация, моделирование процессов и систем» г.Новомосковск, Р Х Т У
им.Д.И.Менделеева, Новомосковскии институт (филиал), 2001г., 23 Научной
конференции «Автоматизация, информатизация, моделирование процессов и
систем» г.Новомосковск, Р Х Т У им.Д.И.Менделеева, Новомосковский институт
(филиал), 2002г, 24 Научной конференции «Автоматизация, информатизация,
моделирование
процессов
и
систем»
г.Новомосковск,
РХТУ
им.Д.И.Менделеева, Новомосковский институт (филиал), 2004г., V Научнотехнической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. Новомос­
ковск, 2002г., V I Научно-технической конференции молодых ученых, аспиран­
тов и студентов. Новомосковск, 2004г., V I I Научно-технической конференции
молодых ученых, аспирантов и студентов. Новомосковск, 2005г.
Публикации
По теме диссертационной работы опубликованы более 30 печатных работ, в
том числе в вестнике Академии МАСИ «Информатика, экология, экономика», том.5,
часть I, г.Москва, 2001г., Трудах НИ РХТУ серия кибернетика, автоматика, математи­
ка, информатизация. Выпуск №2(8), Новомосковск 2002., Вестнике МАСИ. Инфор­
матика, экология, экономика, том 6, часть 1, Москва 2002г., Вестнике МАСИ. Том 7,
часть П, Москва, 2004г. Публикации отражают основное содержание работы.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиогра­
фического списка, содержащего 118 наименований. Работа содержит 166 листов
машинописного текста, 43 рисунка, 22 таблицы и приложение.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформу­
лирована цель работы и указаны проблемы, которые необходимо решить для дос­
тижения поставленной цели, а также обоснован выбор методов и средств для
решения указанных проблем.
В первой главе проведено исследование проблем построения систем экологи­
ческого мониторинга, рассмотрены вопросы организации мониторинга атмосферного
воздуха, проведен анализ функциональных возможностей и современных техниче­
ских средств мониторинга, проанализировано состояние проблем создания и
использования информационных и программных комплексов контроля и
управления качеством атмосферного воздуха, а также, практических разработок в об­
ласти контроля и управления качеством атмосферного воздуха. Рассмотрены
зарубежные и отечес!венные автоматизированные системы контроля и анализа ка­
чества атмосферного воздуха, автоматизированные системы экологического мони­
торинга, их организационное, информационное, программное и техническое
обеспечение, приведен их анализ. Проведен подробньш обзор и анализ существую­
щих способов удаленного доступа к информации через Интернет и сделаны выводы о
целесообразности применения их в системах экологииеского мониторинга.
По результатам литературного обзора сделаны следующие выводы.
1. Анализ состояния проблем в области экологического мониторинга ат­
мосферного воздуха, методов контроля загрязнения воздуха и технических
средств показал, что большинство существующих АСК выполняют лишь контро­
лирующие функции, поэтому необходима разработка и реализация автоматизи­
рованных систем мониторинга атмосферного воздуха, включающие в себя новые
функции, например, такие как прогнозирование состояния атмосферного воздуха
и определение источников его зафязнения в реальном режиме времени.
2. Отсутствует общий подход к объединению таких информационных
систем, программных комплексов и технических средств мониторинга
атмосферного воздуха на разных территориальных уровнях. Существующие
разработки в области создания автоматизированных систем конфоля и монито­
ринга качества окружающей среды не предназначены в большинстве случаев
для оперативного прогнозирования и принятия решений по управлению ка­
чеством атмосферного воздуха в режиме реального времени.
В целом, в результате проведенного литературного обзора, намечены ос­
новные задачи, связанные с разработкой оптимальной структуры и программ­
но-алгоритмического обеспечения подсистемы взаимодействия с удаленными
постами контроля качества атмосферного воздуха. Поставлены задачи, которые
необходимо решить при переходе к иерархическим системам мониторинга, рабо­
тающим в режиме реального времени.
Во второй главе приведено описание существующей АСК «АТМОСФЕ­
РА», которая представляет собой распределенную систему сбора и обработки ин­
формации о состоянии атмосферного воздуха в г.Новомосковске.
В настоящее время
ЦОИ АКСМ -АТМОСФЕРА ТО"
АСК «Атмосфера»
представляет
собой
муниципальную
сеть
наблюдений, организо­
ванную в целях реше­
ЦОИ -ЯСНАЯ ПОЛЯНА- ЦОИ АСК-АТМОСФЕРА"
ния локальных задач и
г Новомосковск
Пункт сбора данных (ПОД)
изучения режима и со­
■ss jpa
:^::5
-IfS
стояния окружающей
среды в интересах ме­
стных
потребителей
информации, которая
I г^«.«.
входит в состав обла­
стной системы. Техни­
ческое обеспечение об­
ластной системы при­ Рис 1 Техническое обеспечение системы областной автоматизиро­
ванной системы экологического мониторинга.
ведено на рис.1.
М*гаопанвс1о
г—'
Сеть передачи данных обеспечивает сбор и распространение информации о зафязнении атмосферного воздуха по линиям связи, в качестве которых используются
телефонные каналы связи.
Основные харакгерисгики АСК приведены в Таблице 1.
Таблица 1
Основные характер)истики А С К
Наименование
Характеристика
Компьютер поста наблюдения
I B M PC Pentium М М Х 200 МГц
ОЗУ
32 Мб
Жесткий диск
1Гб
Модем внутренний
33,6 Кбит/с, протокол V.32
Компьютер центра сбора информации
ГОМ PC Pentium П 333 МГц
ОЗУ
64 Мб
Жесткий диск
8Гб
Модем внутренний
33,6 Кбит/с, протокол V.32
Среда передачи данных
Телефонная линия (витая пара 1 катего­
рии), внутренняя мини-АТС.
Максимальная скорость передачи информации 31,2Кбиг/с
между стационарным постом и центром сбора
информации
Реальная скорость передачи информации меид^' ста­ 24,0-28,0 Кбит/с
ционарным постом и центром сбора информации
Тип информационного потока
Симметричный
Операционная система компьютеров стацио­ MS Windows 95
нарных постов
Операционная система компьютера ЦОИ
MS Windows 98
Структурированные текстовые файлы
Тип файлов хранения информации
(плоские файлы).
Резервирование канала связи
Отсутствует
Неунифицированное, разработано на язы­
Прикладное программное обеспечение
ке С-нСтепень привязки к операционной системе и Высокая
оборудованию
Переносимость на другую платформу (ОС и Низкая
аппаратное обеспечение)
Тип АСК
Сложная, иерархическая, содержащая
одинаковые структурные части
Информационная модель
Отсутствует
Реализация функций Е Г С Э М
На муниципальном уровне
АСК в г.Новомосковске предназначена для автоматизированного сбора, обра­
ботки и представления информащш об уровне загрязнения атмосферного воздуха
г.Новомосковска. Состав АСК приведен на рис. 2.
АСК «Атмосфера» состоит из сети постов контроля атмосферы, организо­
ванных на базе пунктов наблюдения за загрязнением окружающей среды службы
ЛМЗА (Лаборатория мониторинга загрязнения атмосферы), и Центра обработки
информации (ЦОИ), расположенного в Городском комитете по охране окружающей
среды. Связь с постами осуществляется по каналам телефонной связи. Количество
постов - 3.1Саждый стационарный пост в составе А С К «Атмосфера» способен в ав­
томатическом режиме измерять в атмосферном воздухе содержание 5 загрязняю­
щих веществ: диоксид серы, диоксид азота, оксид азота, оксид углерода, аммиак и 4
значений метеопарамегров: температура, влажность, скорость и направление ветра.
Режим работы комплекса - круглосуточный.
РОСГИДРОМЕТ,
ТЦМС (гКурск), ТЦГМ (гТула)
Информационноаналитический центр
Администрации
<Cj
Тульской области
I
ЦОИАКСМ
"АТМОСФЕРА-ТО"
I
Территориальные орган1
федеральных служб
МПР Г О и Ч С ,
J>
Госкомсанэпиднадзор
У
ЦОИ АСК "АТМОСФЕРА"
г Новомосковска
ЦОИ АСК "АТМОСФЕРА"
м/у "Ясная Поляна"
-Туп-Г^
г—т--/
^
^В"'В
BB'iH
^S
ПНЗАА-1 А-4гТулэ
ПНЗАА-5 А-7
г Новомосковск
ПИЗА А в
, ^ ^ ^
в wm
ПНЗА А S
м/у"Ясиая Поляна' гЩекино
ПИЗА А 10
1 Первомайский
ч
ПНЗА А 11
гАлексик
ПНЗАА 12
г Суворов
ПИЗ/
гЕф,
Рис. 2. Состав А С К «АТМОСФЕРА_ТО».
Приведен ее анализ, выявлены недостатки и новые проблемы, возникш )щие
при переходе к иерархической А С Э М «АТМОСФЕРА-ТО» Тульской области Про­
анализировано использующееся в настоящее время для работы АСК аппарат ог и
профаммное обеспечение. Описаны информащюнные потоки в системе монит (рин­
га. Приведена научно обоснованная оптимальная информационная структура АС ^М.
В третьей главе приведено описание разработанной методики построен! л ин­
формационных моделей АСЭМ и моделей данных, используемой для создания АС )\ I.
Цель разработки новых моделей данных состоит в том, чтобы приблизить и (|j. )рмационную систему, имеющую дело с некоторой предметной областью к предсгавл килм
пользователей об этой предметной области. Построение информационной систем 1 , JUI
экологического мониторинга осложняется, если требуется фиксировать результа; .1 иаблюдений над большим количеством объектов разного типа, которые проводятся \1I10жеством независимых пользователей, и сохранятг> данные для последующего anajiI i.i з а
большой период. Кроме того, посты сбора первичной информации могу располш 1Т'>ся
на большом расстоянии друг от друга и от центральных пунктов обработки, что, в сьою
очередь, выдвигает дополнительные требования к среде передачи информации.
Объектно-ориентированный анализ и проекшрование принципиально }гличаются от традиционных подходов структурного проектирования: здесь нуж1ю подругому представлять себе процесс декомпозиции, а архитектура получающегося
программного продукта в значительной степени вькодит за рамки предсгавл^1ый,
традиционных для структурного программирования.
В диссертации разработана методика применения виртуального проецирова­
ния общей сложной модели на «функциональные плоскости», позволяющие рас­
смотреть виртуальные структуры общей модели на таких уровнях как: инфор- шиионный, ахшаратно-технический, программно-алгоритмический и т.п. (см. рьсТ.).
Это позволит значительно повысить наглядность моделей и упростить п (сле­
дующую разработку типовых шаблонов проектирования, а также oбл^г^ ит
взаимодействие узкоспециализированных разработчиков АСЭМ.
7
Объектом мониторинга является атмосферный воздух. Он обладает набо­
ром параметров, описывающих его состояние: температура, влажность, давле­
ние, концентрация загрязняющих веществ и т.п. В процессе наблюдения опре­
деляются значения параметров объекта. Значения параметров через среду передачи
данных попадают в хранилище, где гроисходит накопление информации для ее по­
следующей обработки. Обработчик обрабатъшает полученную информацию и фор­
мирует прогноз поведения объекта, а также, варианты способов воздействия на объ­
ект, с целыо повьппения его качества, т. е. - снижения его загрязнения. Результаты
своей работы обработчик передает через среду передачи данных пользователю, кото­
рый в свою очередь, формирует управляющие решения и воздействует на загрязните­
лей объекта мониторинга. Результаты своей работы обработчик передает через сре­
ду передачи данных пользователю, который в свою очередь, формирует управляюпще решения и воздействует на загрязнителей объекта мониторинга.
Z
^
Программно- у
алгоритмический /
уровень
/
нформационный
уровень
/
ynpaer^^^iT /
уровень
у'
Загрязнители (промышленные гфедгфиятия,
автотранспортные потоки и т.п.) должны строить свою деятельность так, чтобы снизить
вредное воздействие на атмосферный воздух ,
^
^ i
^
объект наблюдения, и на окружающую среду
точно
сложной
то,модель
для того,
чтобы упростить
ее
вообще.
Так как
представляется
достасистемный анализ, предлагается использовать
понятие виртуальной структуры модели.
Общая структура модели может быть не определена, подобно «черному ящику».
Такая структура виртуально состоит из подРисЗ. Уровни виртуальной
пространств-уровней: информационного, ащиегрукгурыАСЭМ с удаленным
ратно - технического, уровня процессов. прОдоступом.
фаммно - алгоритмического и т.п.
Отдельные уровни отличаются друг от друга не по степени «более высокий>>
- «более низкий», а представляют собой виртуальные «плоскости», на которые, в
целях анализа, проецируется глобальная врфтуальная модель. Особенность такого
представления позволяет строить новые проекции, как только возникает необходи­
мость в новом уровне анализа.
Виртуальная структура информационной модели системы мониторинга
атмосферного воздуха
Виртуальную структуру модели автоматизированной системы мониторинга
атмосферного воздуха удобно представлять в виде проекций общей структуры мо­
дели на определенные вьнне уровни: информационный, уровень процессов, утфавляющий, аппаратно-технический, профаммно-алгоригмический. В дальнейшем, ес­
ли возникнет необходимость дополнительного анализа, необходимо будет сформи­
ровать дополнительные аналитические уровни.
На рис.4 - 6 представлены проекции виртуальной структуры модели А С Э М с
удаленным доступом на основные уровни (см.рис. 3).
ЗНАЧЕНИЯ ИЗМЕРЯЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ
АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ
АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ
^ ^
-^^^^
■
'
\^-
ПРОЦЕСС НАБЛЮДЕНИЯ
ХРАНИЛИЩЕ ИНФОРМАЦИИ
\ции
ОБРАБОТЧИК ИНФОРМ/
ПРОЦЕСС ОБРАБОТКИ И ХРАНЕНИЯ
г
ПОЛЬЗОВАТЕЛЬ
ПРОЦЕСС ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЯ
СРЕДА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
1
СИСТЕМА МОНИТОРИНГА
Рис 4. проекция виртуальной сфуктуры модели на информационный уровень и уровень процессов
АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ
АТМОСФЕРНЫЙ ВОЗДУХ
-^5.,
^ /
\ /
-./
1 ~X . 1
ИП№1
ИП№п
• ••
ЦОИ №1
V
_
/
X
• ••
ОС ППП управпения
сбором и обработкой
информации от ИП,
СУБД хранения
информации
Ц0И№1
« • • ЦОИ №т
„
УДАЛЕННОЕ УСТРОЙСТВО ВЗАИМОДЕИСТЕ
ЛПР С СИСТЕМОЙ МОНИТОРИНГА
^-
о с и ППП сбора
и первичной
обработки
информации
ИП N91
\Z^
ОС И ППП сбора
и первичной
обработки
информации
ИП №п
ОС ППП управления
сбором и обработкой
информации от ИП
СУБД хранения
информации
ЦОИ Nam
ия
ОС, ППП УПРАВЛЕНИЯ УДАЛЕННЫМ
ДОСТУПОМ ЛПР к СИСТЕМЕ МОНИТОРИНГА
^___А.>"^
КОММУНИКАТИВНЫЕ УСТРОЙСТВА
З А Г Р Я З Н И Т Е Л Е Й А Т М О С Ф Е Р Н О Г О ВОЗДУХА
О С ППП взаимодействия З А Г Р Я З Н И Т Е Л Е Й
АТМОСФЕРНОГО ВОЗДУХА о системой MOnHTopHMrj
С Р Е Д А П Е Р Е Д А Ч И ИНФОРМАЦИИ
СРЕДА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ
Рис 5 Проекция виртуальной структуры модели
на аппаратно-технический уровень
Рис.6. Проекция виртуальной струк­
туры
модели
на
программноалгоритмический уровень.
Стрелки представляют собой информационные потоки объекта мониторинга.
На основе этих проекций строятся информационные модели подсистем
А С Э М , а затем создаются программы, реализующие их работу.
Виртуальную модель взаимодействия отдельных элементов системы монито­
ринга через Интернет можно представить следующим образом. Проекция взаимодей­
ствия на программно-алгоритмическом уровне выглядит, как представлено на рис. 7.
Web
Браузер
HTTP
Web
Сервер
CGI
CGI
скрипт
SQL
Сервер Базы
Данных
Рис.7. Модель взаимодействия через Интернет на программно-алгоритмическом уровне
Компьютер пользователя представляет собой стационарный или мобильный
компьютер, оборудованный средствами работы в Интернет. В качестве такого «ком­
пьютера» может выступать мобильный телефон. WEB-сервер и сервер Б Д - пред­
ставляют собой компьютеры, подключенные к сети Интернет. На этих компьютерах
установлено соответствующее ПО. WEB-сервер и сервер Б Д могут располагаться на
одном компьютере. Если для взаимодействия с системой мониторинга используют­
ся сотовые телефоны, то информация в Интернет попадает через специальные уст­
ройства - шлюзы, которыми обладают провайдеры сотовой связи.
Построение визуальных моделей позволяет решить сразу несколько типичных
проблем разработки информационных систем. Во-первых, технология визуального мо­
делирования, позволяет работать со сложными и очень сложными системами и проек­
тами. Во-вторых, визуальные модели позволяют содержательно организовать общение
между заказчиками и разработчиками системы. Визуальное моделирование существен­
но облегчает достижения таких целей как: повышение качества программного продук­
та, сокращение стоимости проекта, поставка системы в запланированные сроки.
Унифицированный Язык Моделирования ( U M L ) является открытым языком и
обладает средствами расширения базового ядра. На U M L можно содержательно опи­
сывать классы, объекты и компоненты в различных предметных областях, часто силь­
но отличающихся друг от друга. С точки зрения визуального моделирования U M L
предоставляет выразительные средства для создания визуальных моделей, которые:
единообразно понимаются всеми разработчиками, вовлеченными в проект и явля­
ются средством коммуникации в рамках проекта.
Методику использования U M L диафамм кратко можно представить следующим
образом. Вначале для И С определяется ее внешняя функциональность, вьщеляются все
действующие лиид и все прецеденты. Отношения между ними изображаются на серии
Диаграмм Использования Для каждого прецедергга строится описание его динамики в ви­
де серии Диаграмм Взаимодействия и Диафамм Активностей. Из этого описания опреде­
ляются те объекты, которые задействованы в реализации данного прецедента. Далее Диафаммы Классов определяют статическую структуру, описывающую взаимоотношения
соответствующих объектов друг с другом. Поведение классов, со сложной динамикой
реагирования на события, определяется на Диафамме Состояний. Размещение объектов
по профаммным модулям описьшается в Компонентных Диафаммах, а программных
модулей по сети и компьютерам - в Диаграммах Распределения.
На основе проведенного анализа, средствами языка U M L для А С Э М были
разработаны соответствующие паттерны (шаблоны). В качестве примера в диссер­
тации рассмотрено создание универсального патгерна модуля доступа к удаленно­
му стационарному автоматизированному посту наблюдения зафязнения атмосферы
( П Н З А ) через Интернет. Подобная система WEB-интерфейса обычно называется
«Thin Web Client» (на основе «тонкого» Web-клиента). В распоряжении пользовате­
ля должен быть только стандартный браузер, поддерживающий формы, например,
Internet Explorer ( I E ) . Все операции, связанные с обработкой запросов, выполняются
на сервере, а результаты передаются на компьютер пользователя в виде сгенериро­
ванных HTML-страниц. Основные компоненты архитектуры на основе «тонкого»
Web-клиента размещаются на сервере. В большинстве случаев — это минимальная
архитектура Web-приложения. На рис. 8 приведено логическое представление сис­
темы на основе «тонкого» Web-клиента.
10
Рис.8. Логическое предсгавление системы на основе
(СТОЙКОГО» Web-клиенга.
Применение О О П накладыва­
ет своеобразные ограничения на
описание алгоритмов работы
системы. Стандартные
блоксхемы алгоритмов не всегда мо­
гут наглядно и полно описать
необходимую
последователь­
ность действий, т.к. служат в
первую очередь для описания
«линейных» структур и после­
довательных событий. Описание
параллельных
одновременных
действий с их помощью затруд­
нительно.
Для описания универсального модуля доступа к удаленному И Г ОА в диссер­
тации использован U M L . Вместо традиционньк блок-схем алгоритмов в нем ис­
пользуются специальные диафаммы.
А С Э М с удаленным доступом состоит из: Подсистемы Управления Пользо­
вателями; Подсистемы Администрирования; Подсистемы Управления Работе li По­
ста; Подсистемы приема информации от поста; Подсистемы корректировки пара­
метров, которые изображены на рис.9. Для каждой подсистемы была разработана
Диаграмма Вариантов Использования.
К действующим лицам
подсистемы
передачи
«subsystem»
«subsystem»
«subsystem»
3 Управление
1 Управление
2. Администрирование
данных А С Э М отно­
работой поста
Польэоеагелями
системы
сятся люди, ко1орые
(from Use Cases)
(from U»e Cases)
(from Use Cases!
будут работать с П Н З А
через Интернет, С У Б Д
Система сбора данных
1
об атмосферном возду­
«subsystem»
«subsystem»
5 Корректровка параметров
4 Прием информации
хе и Система преобра­
системы сбора информации
от поста
зования существующих
(from Use Cases)
(from Use Cases)
данных наблюдений.
Рис. 9. Подсистемы А С Э М
Рис.10, щзедставляет собой упрощенную Use Case диаграмму, с помощью
которой планируется web-сайт удаленного доступа к А С Э М . На данной диафамме
не показаны все действия, предусмотренные в системе - обычно для описания всей
функциональности создается несколько диаграмм. Даже с помощью такой простой
диаграммы как эта, можно описать огромный обьем информации. Отношение
включения ( « i n c l u d e » ) , показывает, что определенное действие включают ь себя
функцию - аутентификации пользователя. Отношение типа расширения
( « e x t e n d » ) указывает, что W E B страница может генерироваться в различной
форме. Отношение обобщения («generalization») показывает, что для вьщачи
кошдзетных страниц будет использоваться более общая процедура, под называнием
II
«генерация HTML-страницы» с целью обеспечить единство внешнего вида и пове­
дения всех страниц на Web-сайте.
Пользователь
Рис 10. Use Ca.se диафамма подключения Пользователя к АСЭМ с удаленным доступом.
Основные функции системы формализованы в виде шаблонов-паттернов. В
Таблице 2 приведено описание основного шаблона-прецедента «Вьшолнить коман­
ду обмена данными с ПНЗА».
Таблица 2
Прецедент «Выполнить команду обмена данными с ПНЗА»
Имя прецедента
Сводка
Действующее лицо
Предусловие
Описание
Альтернативы
1 Постусловие
Выгюлнить команду обмена данными с ПНЗА
Пользователь ПК с помощью ПК ЦОИ или удаленного ПК, связанно­
го с этим через Интернет, выполняет обмен данными с ПНЗА
Пользователь ПК
ПНЗА, устройство связи (модем) и ПК готовы к работе
1. Пользователь запускает интерактивную профамму-браузер, кото­
рая связывается с сервером устройств связи и выбирает операцию пе­
редачи данных на конкретный ПНЗА.
2 Пользователь назначает необходимые параметры запроса
3. Система, в соответствии с выбранным устройством запускает опе­
рацию передачи данных, в случае занятости соединения задача ста­
вится в очередь и после освобождения ресурса начинает обмен.
4 Пользователь информируется о начале и завершении операции.
1 Если ПНЗА не доступны, то не давать пользователю выполнить
передачу.
2. Если произошла ошибка ввода/вывода, то повторить попытку пе­
редачи 3 раза, после чего прекратить обмен и выдать сообщение об
ошибке
Команда обмена с ПНЗА выполнена
Пользователь подключается к Интернет через свой компьютер, вводит свое
учетное имя и пароль, набирает адрес страницы доступа в Интернет-браузере, вы­
бирает необходимые данные для формирования запроса и инициирует запрос.
WEB-сервер отправляет запрос к Серверу базы данных, откуда поступает запрос на
компьютер Автоматизированного поста. Происходит инициализация процесса сбо­
ра данных метеоприборов и последующая отправка их в базу данных на сервере.
Далее WEB-сервер автоматически генерирует страницу, содержащую данные, ко-
12
торая поступает в конечном итоге на компьютер пользователя.
Диаграмма Последовательности показывает взаимодействие между объектами и
Действующими Лицами во времени, но не показываетструктурнуюсвязь мезеду объек­
тами итопологиювсей системы. Для этого необходимо построить Диаграмму Сотруд­
ничества (или Кооперации). Такая диаграмма позволит сделать вывод об ошимальности
структуры всей системы в целом, и при необходимости, произвести декомпозицию. Ес­
ли, натфимер, какая-либо Кооперативная диаграмма напоминает звезду, где несколько
объектов связаны с одним центральным обьектом, архитектор системы может сделать
вывод, что система слишком сильно зависит от центрального объекта, и перепроекти­
ровать ее для более равномерного распределения процессов. На диаграмме Последо­
вательности такой тип взаимодействия было бы трудно увидеть.
На рис. 11. изображена диаграмма развертывания АСЭМ.
Диаграмма
Кооперации для
процесса
под­
ключения к уда­
ленному
узлу
ПНЗА позволяет
сделать вывод о
целесообразно­
сти размещения
WEB-сервера и
Сервера
Базы
данньк на одном
компьютере,
с
целью миними­
зации времени
Рис. 11. Диаграмма развертывания АСЭМ
взаимодействия.
Как показали проведенные исследования [3], информатщонные потоки в сис­
теме, которые проходят через Интернет, носят асимметричный характер, что хорошо
видно на графике, (см.рис.12.), т.к. в основном информация поступает от автоматизи­
рованных постов сбора в ЦОИ, а в противоположном наттравлении передаются лишь
запросы и управляющие команды. Это позволило сделать вывод о возможности ис­
пользования коммутируемого доступа по протоколу V.90 или V.92 через Интернет
для реализации удаленного достутта к информации в АСЭМ. Пользователь, работаю­
щий за своим удаленным компьютером, подключенным к сети Интернет, фактически
не может управлять информационным потоком, исходящим из его компьютера в сеть.
Для того чтобы тфсдоставить ему эту возможность, в диссертации предлага­
ется создать «виртуальную обратную связь». Пользователь будет передавать наряду
с полезной информацией некоторую избыточную информацию, которая позволит
«захватить» канал передачи и удерживать его на необходимое для обмена информа1;ией время, при этом будет происходить определетшое воздействие на процесс пере­
дачи, в целях повышения пропускной способности канала передачи и надежности пе­
редачи информации.
13
1480 О к
gUlO.O к
^ 740 О к
' " ' ■ ' ' ' ' ' " irlfwViJtn
•> 370 О к
10 12 14 16
Суточный трафик (среднее за 5 минут)
Макс Вх: 1442.9 kb/s (14.4%)
В среднем Вх 277.3 kb/s (2.8%)
Макс Исх. 1347.9 kb/s (13.5%)
В среднем Исх 662 8 kb/s (6 6%)
Недельный трафик (среднее за 30 минут)
Макс Вх- 1255.2 kb/s (12 6%)
В среднем Вх: 264.3 kb/s (2 6%)
Макс Исх. 1377.3 kh/s( 13.8%)
В среднем Исх. 582.6 kb/s (5.8%)
Месячный трафик (среднее за 2 часа)
Макс Вх 645.7 kb/s (6.5%)
В среднем Вх: 209 9 kb/s (2.1%)
Макс Исх- II85 9 kb/s (11 9%)
В среднем Исх. 495.6 kb/s (5.0%)
1 -
Ис\о цпцпй 1 рафик В он i/c
С-
Входящий трафик в бит/с
Рис. 12. Асимметричность информационного трафика в Интернет.
Эта «виртуальная обратная связь» будет создаваться самими маршрутизаторами
на пути следования информащюнного потока, т.к. они, в соответствии с протоколом пе­
редачи данных, должны передавать подтверждения о приеме пакетов данных. Для при­
нятия решения о повторной передаче по протоколу TCP используется таймер, рабо­
тающий с каждым посланньм сегментом. Если время таймера истекает до получения
«контрольный флаг» для данного сегмента, отправитель должен вьтолнить повторную
передачу. Если значение регулируемого времени таймера будет слишком мало, то за­
метно участятся ненужные повторные передачи, уменьшающие полезную полосу про­
пускания сети, что вызовет дополнительные повторные передачи и, в целом, дополни­
тельную нагрузку на сеть и т. д. При очень большом значении реакция протокола на по­
терю сегмента станет слишком медленной, что, в свою очередь, негативно скажется на
пропускной способности. Таймер должен быть установлен так, чтобы его значение не­
значительно превышало время обращения сегмента. Естественно, эта задержка зависит
от множесгеа факторов, влияние которых ощутимо даже при постоянной загрузке сети,
поэтому возникает необходимосппь оптимального выбора величины времени таймера.
Общий метод предсказания очередного усредненного значения времени об­
ращения на основе предьщущей серии измерений приведен в документе R F C 793:
SRTT{K + !) = «• SRTT{K) + (!-«)• RTT{K +1)
0)
где S R T T ( K ) — так называемое сглаженное оцененное время обращения.
Используя константу а (О < а < 1), не зависящую от числа последних наблюдений,
можно сформулировать условия, при которых учитываются все последние значения
наблюдений, но более ранние наблюдения имеют меньший вес. Эту константу а на­
зывают фактором CI лаживания.
Для вычисления превьш1ения над временем обращения сегмента можно ис­
пользовать формулу:
RTO{K +1) = SRTT{K +1) + А
(2)
где R T O — контрольное время повторной передачи (его иногда называют тайм-
14
аутом повторной передачи), а А — некоторая константа. Недостаток этого способа со­
стоит втом,что значение А не пропорционально значению SRTT. Для больших значе­
ний SRTT величина константы А огаосительно невелика. В этом случае флуюуации
фактического значения RTT будут приводить к ненужным повторным передачам. При
малых значениях SRTT величина А, напротив, начинает доминировать и может вьввать
ненужные задержки при повторных передачах потерянньк сегментов.
В этой связи документ RFC 793 определяет значение таймера, пропорцио­
нальное SRTT, со следующими ограничениями:
RTO{K+\) = mm{UBOUND, max(LBOUND, /? + SRTT (К +1)))
(3)
где UBOUND и LBOUND — фиксированные верхняя и нижняя границы
значения таймера, ар — константа, называемая фактором изменения задержки. До­
кумент RFC 793 не рекомендует применять фиксированные значения, в нем приво­
дятся следующие диапазоны изменений параметров: а — между 0,8 и 0,9; р — меж­
ду 1,3 и 2,0. Крометого,вдоль пути следования потока, но в обратном направлении
сформируется «виртуальная обратная связь», которая даст возможность поддержи­
вать этот канал на время передачи данных. На основе эмпирических данных были
получены значения коэффициентов а = 0,871; Р = 1,515.
Методика разработки паттерна сводится к следующему:
1. Выбор архитектуры на основе «тонкого» Web-клиента см.рис.7,8.
2. С помощью средств языка U M L строятся структурные модели и модели пове­
дения (т.е. соответствующие им диаграммы).
3. В соответствии с диаграммами размещения, компонентов и развертывания вы­
бирается необходимые программные и технические средства. В качестве языка профаммирования используется PERL, в качестве сервера базы данных MySQL. Конфи­
гурация компьютера является многоплатформенной, т.к. версии ПО платформонезависимы. Главное требование - доступ в Интернет и наличие Интернет-браузера на
клиентской машине. В качестве WEB-сервера используется Apache.
4. Способ доступа в Интернет выбирается в зависимости oi конкре1Ных условий
размещения ЦОИ и ПНЗА. Т.к. объемы передаваемой информации и CKopocib пе­
редачи данных в такой системе невысока (передается, в основном, символьная ин­
формация), можно выбрать коммутируемый тип доступа.
5. Вся система создается на локальном компьютере, моделируются все типы
взаимодействия клиент-сервер. Интернет в данном случае эмулируется с помощью
установки на этот компьютер всего вышеуказанного ПО. Т.к. перечисленное ПО
является свободнораспространяемым и бесплатным, то зафа1ы на разрабо1ку шкои
системы существенно уменьшаются.
6 После отладки работы всей системы, серверная часть размещается в Ишерне-ю
на сервере провайдера или собственном.
В четвертой главе приведен практический пример преобразования АСК в
АСЭМ с использованием удаленного доступа к информации, представлены ее струк­
турная схема и алгоритмы функционирования, произведен обоснованный подбор аппа­
ратного и программного обеспечения. Произведено преобразование «плоских файлов»
15
в базу данных MySQL и проведена ее нормализация. Описан авторский программный
продукт на языке PERL, позволяющий обеспечивать э4)фективное функционирование
системы мониторинга вне зависимостиотпрограммно-аппаратной платформы.
Основные характеристики АСЭМ, отличающие ее от АСК (см.Таблицу 1)
сведены в Таблицу 3.
Таблица 3
Основные характеристики разработанной АСЭМ
Наименование
Компьютер поста наблюдения
Модем внутренний
Компьютер центра сбора информации
Модем внутренний
Среда передачи данных
Максимальная скорость передачи информа­
ции между стационарным постом и центром
сбора информации
Реальная скорость пдэедачи информации меж;ду
стационарным постом и иртром сбора информации
Тип информационного потока
Операционная система компьютеров стацио­
нарных постов
Операционная система компьютера ЦОИ
Тип файлов хранения информации
Резервирование канала связи
Прикладное программное обеспечение
Степень привязки к операционной системе и
оборудованию
Переносимость на другую платформу (ОС и
аппаратное обеспечение)
Тип АСЭМ
Наглядность информационных моделей
Реализация функций Е Г С Э М
Характеристика
IBM PC Pentium М М Х 200 МГц
56 Кбит/с, протокол V.90 или V.92
IBM PC Pentium II 333 MHz
56 Кбит/с, протокол V.90 или V.92
Интернет
56 Кбиг/с
50 Кбит/с/31 Кбит/с
Асимметричный
Любая с поддержкой протокола TCP/IP
Любая с поддержкой протокола ТСРЛР
Нормализованные файлы базы данных
MySQL,
связанные
отношениями
таблицы базы данных
Присутствует
Унифицированное, разработано на языке
Perl
Низкая
Высокая
Сложная, иерархическая, содержащая
подобные структурные части
Высокая
На областном (региональном) уровне
В заключении приведены основные результаты работы.
1. Проведен анализ и разработана методика преобразования АСК в иерархиче­
ские системы экологического мониторинга, работающие в реальном масштабе вре­
мени, с удаленным доступом через Интерне!.
2. Произведен подробный обзор способов удаленного доступа к информацион­
ным ресурсам через Интернет и даны методические рекомендащги дня выбора раз­
личных способов доступа в зависимости от решаемых задач, пропускной способно­
сти каналов передачи информации, характера передаваемой информации.
3. Подробно описан и проанализирован объект исследования - АСК «АТМО­
СФЕРА-ТО» Тульской области.
4. Дано научное обоснование построения АСЭМ, произведены исследования и
поставлены соответствующие эксперименты, подтверждающие правильность выбранньг< методов построения системы экологического мопиторин1а, которые по­
зволяют ей эффективно функционировать.
5. Разработаны информационные модели А С Э М с удаленным доступом в виде
диаграмм языка U M L
6 Описан пример практической реализации разработанной А С Э М и даны реко­
мендации по построению подобных систем
7 Созданы авторские профаммы, позюляющие обеспечить эффективный удаленный
доступ через Интернет, с испош^зованием современных пакетов программ, таких как Ra­
tional Rose, СУБД MySQL, Web-сервера Apache, языка профаммирования Perl последних
версий. Приведен аналго и обоснован выбор данных пакетов профамм, описанный автор­
ский профаммный продукт, позюляет обеспечивать эффективное функции шрование
системы мониторинга вне зависимости от профаммно-алпаратной платформы.
8. Сделаны выводы о применимости разработанных подходов к решению анатогичных задач по созданию (юдобных систем мониторинга.
По теме диссертации опубликованы 34 научные публикации, основные
из которых следующие:
1. Волков В.Ю., Вент Д.П. Применение удаленного доступа к информацион­
ным ресурсам при экологическом мониторинге. Вестник Международной Академии
Системных Исследований. Информатика, Экология, Экономика. Том.5, часть I,
Р Х Т У им. Д.И.Менделеева, М., 2001г., с. 149-180.
2. Волков В . Ю . Исследование времени отклика системы удаленного дос­
тупа к базе данных, расположенных на разных сайтах. Труды Н И Р Х Т У серия
кибернетика, автоматика, математика, информатизация. В ы п у с к №2(8), Новомо­
сковск 2002., с. 146-147.
3. Волков В Ю., Эдельштейн Ю.Д. Применение новых информационных
технологий в автоматизированных системах сбора и обработки информации с
удаленным доступом. Вестник М А С И . Информатика, экология, экономика, том
6, часть 1, Москва 2002г., с.82-86.
4. Волков В.Ю., Эдельштейн Ю.Д. Проблемы использования W E B технологий при создании автоматизированных систем сбора и обработки информа­
ции с удаленным доступом через Интернет. Вестник М А С И . Информатика, эколо­
гия, экономика, том 6, часть 1, Москва 2002г., с.87-90.
5. Волков В.Ю., Эдельштейн Ю.Д. О новом подходе к моделированию ав­
томатизированных систем мониторинга. Вестник М А С И . Том 7, часть I I , Моск­
ва, 2004г., с. 22-28.
6. Волков В Ю., Эдельштейн Ю.Д., Пашинцева Ю . А . Применение U M L
для проектирования А С Э М . Труды Н И Р Х Т У серия «Кибернетика, автоматика,
математика, информатизация». Новомосковск 2004., с. 125-130.
7. Волков В.Ю., Эдельштейн Ю.Д. Применение объектно-ориентированного
подхода при разработке автоматизированных систем экологического мониторинга.
Тульский экологический бюллегень (ТЭБ). № 2. 2004г., с. 100-104.
Заказ № 2 1 3
Объем 1,0 пл
Издательский центр НИ РХТУ им Д И Менделеева
Тираж ЮОэкз
»^21 3 9В
РНБ Русский фонд
2006-4
20141
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
1 006 Кб
Теги
bd000101201
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа