Пиманов Илья Юрьевич. Алгоритмическое и программное обеспечение автоматизации функционирования распределенных систем комплексного моделирования природных и природно-технических объектов

Краткое описание

Пиманов Илья Юрьевич. Алгоритмическое и программное обеспечение автоматизации функционирования распределенных систем комплексного моделирования природных и природно-технических объектов;[Место защиты: ФГБУН «Санкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр Российской академии наук»], 2021

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
«Санкт-Петербургский Федеральный исследовательский центр
Российской академии наук»
(СПб ФИЦ РАН)
Пиманов Илья Юрьевич

АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ И ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
АВТОМАТИЗАЦИИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ
СИСТЕМ КОМПЛЕКСНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ И
ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Специальность 2.3.5 - Математическое и программное обеспечение
вычислительных систем, комплексов и компьютерных сетей
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Зеленцов Вячеслав Алексеевич
Санкт-Петербург - 2022

2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
1 АНАЛИЗ ЗАДАЧ СОЗДАНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЗАЦИИ
КОМПЛЕКСНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ И ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ 21
1.1 Концепция комплексного моделирования природных и природно -
технических объектов и особенности ее реализации при создании программных систем 21
1.2 Краткий анализ существующих систем и сервисов мониторинга и
моделирования ППТО 30
1.3 Методы и технологии организации взаимодействия компонентов
распределенных программных систем 37
1.3.1 Архитектура ПК распределенных систем комплексного
моделирования 38
1.3.2 Т ехнологии сервис-ориентированного взаимодействия в ПК РСКМ .... 40
1.3.3 Методы и модели интеграции разнородных информационных
ресурсов 49
1.4 Постановка задачи исследований 56
1.5 Выводы по разделу 1 64
2 АЛГОРИТМИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОМАТИЗАЦИИ
ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ СИСТЕМ КОМПЛЕКСНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ 66
2.1 Формализация описания функциональной структуры РСКМ на базе
нотации BPMN 66
2.2 Алгоритм выбора функциональной структуры программного комплекса
РСКМ 73
2.3 Способ интеграции разнородных данных в системах комплексного
моделирования 81
2.4 Алгоритм совместного использования оптических и радарных данных
ДЗЗ при определении границ зон затоплений 89
2.5 Методика валидации программного комплекса РСКМ на основе данных
ДЗЗ 94
2.6 Выводы по разделу 2 102
3 ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ АВТОМАТИЗАЦИИ КОМПЛЕКСНОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ В СОСТАВЕ РСКМ РЕЧНЫХ НАВОДНЕНИЙ 104

3
3.1 Состав и архитектура программного комплекса РСКМ на примере речных
наводнений 104
3.1.1 Общий состав программного комплекса 104
3.1.2 Обобщённая архитектура программного комплекса 109
3.2 Особенности программной реализации компонентов РСКМ речных
наводнений 112
3.2.1 Модуль многокритериального выбора модели и её параметрической
адаптации 113
3.2.2 Сервис обнаружения заторных явлений 114
3.2.3 Сервис использования разнородных данных ДЗЗ 115
3.2.4 Сервис анализа рисков затопления объектов инфраструктуры 119
3.2.5 Сервис интерпретации результатов прогноза и формирования контуров затопления 120
3.2.6 Хранилище результатов моделирования 122
3.2.7 Сервис публикации результатов моделирования 124
3.2.8 Вспомогательные сервисы 125
3.3 Выводы по разделу 3 126
4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО СОЗДАНИЮ И АПРОБАЦИИ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА РСКМ НА ПРИМЕРЕ РЕЧНЫХ НАВОДНЕНИЙ 128
4.1 Общая характеристика экспериментальных исследований 128
4.2 Основные результаты апробации программного комплекса РСКМН 132
4.3 Выводы по разделу 4 155
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 157
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 161
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 162
ПРИЛОЖЕНИЕ А 183
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
194

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе решена научная задача разработки алгоритмического и программного обеспечения автоматизации
функционирования распределенных систем комплексного моделирования природных и природно-технических объектов. Полученные научные результаты имеют важное значение для совершенствования методов и технологий создания распределенных программных комплексов
моделирования ППТО и их функционирования в гетерогенной информационной среде. Результаты апробации и внедрения разработанного алгоритмического и программного обеспечения подтверждают достижение цели диссертационной работы - повышение оперативности и точности решения тематических задач распределенными системами комплексного моделирования ППТО за счёт автоматизация их функционирования.
Основные научные результаты, составляющие итоги исследования:
1. На основе сравнительного анализа существующих подходов, потенциально пригодных для формализации описания процессов взаимодействия компонентов РСКМ на базе СОА, предложен способ алгоритмизации информационных процессов функционирования РСКМ на базе нотации описания бизнес-процессов BPMN. Данный способ обеспечивает учет основных особенностей построения ПК моделирования, распределенность его компонентов и динамический характер их взаимодействия, а также определяет возможность перехода к автоматизации этого взаимодействия под управлением сервисной шины на базе языка BPEL и технологий визуального программирования.
2. Разработан алгоритм формирования и технология реализации функциональной структуры ПО распределенной системы комплексного моделирования при решении тематических задач, позволяющий осуществлять обоснованное определение и применение моделирующих сервисов в процессе функционирования системы на базе модели многокритериального выбора.

158
3. Разработан способ интеграции разнородных данных, необходимых для реализации технологий комплексного моделирования, отличающийся формированием дополнительного слоя абстракции данных и позволяющий автоматизировать взаимодействие между сервисами моделирования и разнородными информационными ресурсами поставщиков данных.
4. Разработана методика валидации программных средств распределенной системы комплексного моделирования речных наводнений, отличающаяся применением алгоритма совместного использования программных средств обработки оптических и радарных данных ДЗЗ и метода контрольных точек, и обеспечивающая непрерывное оценивание качества функционирования системы в автоматическом режиме.
5. Разработан полнофункциональный программный прототип ПК распределенной системы комплексного моделирования на основе сервис-ориентированной архитектуры применительно к задаче оперативного прогнозирования речных наводнений, включая совокупность компонентов (программных модулей), реализующий предложенные технологии интеграции разнородных данных, алгоритмы обработки спутниковых данных, формирования функциональной структуры РСКМ, интерпретации и предоставления результатов пользователям, и др., совокупность которых обеспечивает автоматизацию решения тематических задач РСКМ при использовании полимодельного подхода к описанию ППТО. Разработанный прототип ПК включает программные средства, которые обеспечивают организацию взаимодействия программных компонентов при комплексном моделировании широкого класса ППТО, в том числе при оперативном прогнозировании речных наводнений. Принципиальная отличительная особенность разработанного ПК заключается в обеспечении полной автоматизации всех этапов работы распределенных компонентов системы комплексного моделирования и их совместного функционирования.
6. Разработанное алгоритмическое и методическое обеспечение, а также ПК РСКМ, прошли экспериментальную проверку при мониторинге и

159
прогнозировании речных наводнений на р. Северная Двина на исторических исходных данных 1998-2019 гг. и в режиме реальных наводнений в 2018 г. Результаты экспериментальных исследований подтвердили повышение оперативности и точности результатов моделирования ППТО, достигаемые при использовании разработанного научно-методического и программного обеспечения: время предоставления результатов моделирования
пользователям уменьшается с нескольких суток (при существующем способе обработки данных на средствах моделирования) до нескольких минут, точность результатов моделирования за счет непрерывной валидации ПК и оперативной подстройки параметров моделирующих сервисов достигает 92%, а также существенно снижаются требования к специальной квалификации пользователей РСКМ за счет автоматического режима работы системы и удобства интерфейса.
Перспективные направления продолжения исследований по рассмотренной в диссертации тематике определяются необходимостью увеличения количества разнородных моделей и привлечения все большего объема исходных данных, поступающих в реальном масштабе времени от различных источников, для повышения достоверности анализа развивающихся ситуаций, связанных с функционированием ППТО. Данные обстоятельства приводят к повышению сложности организации вычислительных процессов и снижению оперативности получения прогнозов в случае сохранения традиционного подхода к вычислениям. Для решения рассмотренных проблем необходимо проведение исследований по дальнейшему развитию методологии комплексного моделирования с использованием концепции и технологий промышленного интернета вещей (Industrial Internet of Things, IIoT), базирующихся на описании и организации проактивного управления распределенными вычислениями большой сложности. При этом задача синтеза моделирующего комплекса для прогнозирования состояния ППТО должна ставиться и решаться одновременно с задачей управления информационными процессами в системе

160
комплексного автоматизированного моделирования и динамического распределения вычислительных ресурсов при моделировании.
Полученные результаты соответствуют специальности 2.3.5 - «Математическое и программное обеспечение вычислительных систем, комплексов и компьютерных сетей».