Модели и методики построения распределенных информационных хранилищ автоматизированных систем МЧС России

Последние десятилетия показывают, что существенную угрозу безопасности населения, экономической инфраструктуры и страны в целом представляют природные и техногенные катастрофы и аварии [1]. Эти негативные явления являются источниками чрезвычайных ситуаций (ЧС). В соответствии с [2,3] под ЧС понимают обстановку на определенной территории, сложившуюся в результате аварии, опасного явления, катастрофы, стихийного или иного бедствия, которые могут повлечь или повлекли за собой человеческие жертвы, ущерб здоровью людей или окружающей природной среде, значительные материальные потери и нарушение условий жизнедеятельности людей.

Предупреждение и ликвидация ЧС требуют не только создания группировок сил и средств, но и квалифицированного управления их действиями. Для этого образуются и функционируют специально создаваемые комиссии в органах федеральной и местной власти, а непосредственно в МЧС России — Центры управления в кризисных ситуациях и оперативно-дежурные службы [4,5].

Скоротечность развития ЧС и их возможные катастрофические последствия обусловливают предъявление жестких требований к управленческим решениям по оперативности и обоснованности. Строго ограниченное время на принятие решений, с одной стороны, и мощные потоки информации, необходимой для обработки должностными лицами органов управления, с другой стороны, определяют необходимость решения особого. рода задач — информационно-аналитических — в рамках автоматизированных систем (АС) МЧС России. Названные задачи характеризуются наличием процедур комплексного анализа разнообразных данных, их динамики, тенденций изменение, поиска скрытых закономерностей и т. п. Помимо специализированного математического и программного обеспечения, названный класс задач требует соответствующей информационной поддержки [6−12].

Классические базы данных (БД) не предполагают учета динамики изменения состояния объектов учета и по этой причине не могут быть использованы в качестве информационного базиса функциональных задач, связанных с анализом и прогнозированием развития ЧС и действий сил и средств в таких ситуа-циях[13−16].

Для информационной поддержки задач оперативной аналитической обработки данных была предложена и в настоящее время активно развивается концепция информационного хранилища (ИХ) (англ. — Data Warehouse), дополняющая и модифицирующая общую концепцию БД [17−24].

Существенный вклад в становление и развитие концепции информационного хранилища внесли видные ученые Э. Кодд (CoddЕ.), У. Инмон (Inmon W.), К. Дейт (.Date С.). Необходимо отметить отечественных специалистов в этой области, таких как: Артамонов B.C., Куватов В. И., Кузнецов С. Д., Львов В. В., Поляков A.C., Сахаров С. С., Саенко И. Б., Таранцев A.A., Щербаков О. В. и другие.

В то же время, несмотря на внушительный научный задел и опыт построения и применения ИХ, названная концепция в существующем виде не может быть рекомендована к реализации в автоматизированных системах МЧС России. Основная причина состоит в том, что концепция предполагает централизованный характер информационного хранилища, а АС МЧС являются террито-риально-распределенными системами. Подобное несоответствие не позволяет ожидать высоких значений показателей оперативности и надежности информационно-аналитического сервиса.

Поэтому весьма важной и требующей решения является проблема совершенствования информационного обеспечения автоматизированных систем МЧС России путем организации распределенных информационных хранилищ (РИХ). Приходится констатировать факт, что на данный момент отсутствуют научные подходы к решению названной проблемы. Сказанное определяет актуальность темы диссертационного исследования.

Цель работы состоит в повышении эффективности функционирования АС МЧС России за счет построения и внедрения распределенных информационных хранилищ, обеспечивающих своевременный и непрерывный доступ должностных лиц к актуальной и непротиворечивой аналитической информации, необходимой для принятия решений по управлению силами и средствами в операциях по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций:

Для достижения названной цели в диссертации поставлена и решена научная задача, заключающаяся в разработке моделей и методик структурной организации и оценки распределенных информационных хранилищ автоматизированных систем МЧС России.

Решение сформулированной научной задачи излагается в трех главах и трех приложениях диссертационной работы.

В первой главе проведено исследование наиболее важных и масштабных автоматизированных систем МЧС, изучено состояние их информационного обеспечения, дана характеристика предметной области, связанной с ЧС, и решаемых в автоматизированном режиме функциональных задач по управлению силами и средствами, а также выявлена и сформулирована проблема диссертационной работы и обозначено генеральное направление ее решения.

В рамках второй главы изложены концептуальные положения по организации распределенных информационных хранилищ, в частности принципы их построения и архитектурный облик, разработана многоуровневая модель представления данных в распределенных информационных хранилищах, как развитие многомерно-реляционной модели, а также сформирована методика проектирования распределенных информационных хранилищ.

Третья глава связана с решениями по оценке эффективности распределенных информационных хранилищ на основе математических моделей, отражающих процесс решения функциональных задач по управлению силами и средствами МЧС, а также охватывает материал, касающийся выработки рекомендаций по практическому использованию этого класса информационного обеспечения автоматизированных систем.

В приложениях приведены вспомогательные материалы, иллюстрирующие результаты проведенного исследования.

На защиту выносятся следующие научные результаты.

1. Концептуальная модель распределенного информационного хранилища.

2. Модель представления данных в распределенных информационных хранилищах.

3. Методика проектирования распределенных информационных хранилищ.

4. Методика оценки эффективности распределенных информационных хранилищ.

Заявленные результаты докладывались и обсуждались в период с 2009 г. по 2010 г. на заседаниях межкафедрального постоянно действующего научно-тематического семинара Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России, на VI Международной научно-практической конференции «Технические средства противодействия террористическим и криминальным взрывам» (Санкт-Петербург, 2010), на Международном семинаре «Предупреждение пожаров и организация надзорной деятельности» (Санкт-Петербург, 2010).

Результаты опубликованы в четырех научных работах (статьях), из которых одна публикация в научном журнале по перечню изданий, рекомендованных ВАК, и внедрены в деятельность Департамента пожарно-спасательных сил, специальной пожарной охраны и сил гражданской обороны МЧС России (г. Москва) и в учебный процесс Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России.

ГЛАВА X. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ПОСТРОЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕННЫХ.

ИНФОРМАЦИОННЫХ ХРАНИЛИЩ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ МЧС РОССИИ.

ВЫВОДЫ.

1. При оценке структурного построения распределенных информационных хранилищ в качестве критерия эффективности целесообразно выбирать максимум вероятности своевременного решения функциональных задач в автоматизированной системе. Такой подход следует считать обоснованным по следующим причинам. Во-первых, структура распределенного информационного хранилища определяет временные характеристики процесса обработки запросов и, следовательно, непосредственно влияет на время решения функциональных задач. Во-вторых, с позиций системного подхода и теории эффективности подобная оценка по своей сущности объективна, поскольку отражает результативность автоматизированной системы в целом.

2. Для получения значений вероятности своевременного решения задач предложена двухуровневая математическая модель. Нижний уровень представлен имитационной моделью сети массового обслуживания, структура которой настраивается на заданный вариант построения? распределенного информационного хранилища, и позволяющей получать временные параметры процесса обработки запросов к хранилищу. Модель верхнего уровня относится к классу аналитических, отражает специфику алгоритмов функциональных задач и обеспечивает нахождение вероятности своевременного решения задач в автоматизированных системах на основе метода моментов и аппроксимации функции распределения.

3. Пример разработки макета распределенного информационного хранилища как базиса для решения функциональных задач в автоматизированной системе ШДУКС демонстрирует возможность реализации методики проектирования’применительно к конкретным условиям. В ходе разработки сформирована концептуальная модель предметной области, построена и фрагментирована применительно к иерархии центров управления логическая структура распределенного информационного хранилища, а также проведено распределение фрагментов по узлам сети. В результате определен структурный состав локальных баз данных реляционного типа, предполагаемых к использованию на ЦУКС различных уровней.

4. В результате модельных испытаний выявлены основные зависимости, позволяющие оценить влияние внешних факторов на процесс обработки запросов для централизованных и распределенных информационных хранилищ. Установлено, что распределенные хранилища имеют существенные преимущества перед централизованными. Анализ результатов моделирования позволил выработать обоснованные рекомендации по применению распределенных информационных хранилищ.? У.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертационном исследовании решена актуальная научная задача, связанная с разработкой моделей и методик построения и применения распределенных информационных хранилищ автоматизированных систем МЧС России:

При проведении изысканий, направленных на решение научной, задачи, получены следующие результаты:

1. Проведен анализ наиболее масштабных автоматизированных систем МЧС России — АИУС РСЧС и АС НЦУКС, который показал, что в структурном отношении названные АС относятся к классу распределенных систем, а в функциональном аспекте — в основном предназначены для решения задач поддержки принятия решений по управлению силами и средствами в ЧС.

2. Установлено, что используемое в настоящее время информационное обеспечение АС МЧС не в состоянии обеспечить решение названных задач, поскольку оно ориентировано на технологию оперативной обработки транзакций, л основанную на использовании операционных баз данных, являющихся одномерным моментальным отображением предметной области.

3. Выявлена проблема диссертационного исследования, состоящая в невозможности обеспечения решения информационно-аналитических задач должностными лицами органов управления МЧС при использовании концепции баз данных или централизованных информационных хранилищ. Сделан вывод о необходимости перехода к распределенным информационным хранилищам, как к наиболее перспективному направлению развития информационного базиса систем поддержки принятия решений.

4. Сформирована концептуальная модель распределенного информационного хранилища — логически интегрированного и физически распределенного информационного образования, обеспечивающего независимость различных способов представления сведений о предметной области при решении задач аналитической обработки данных.

5. Разработана модель представления данных в распределенных информационных' хранилищах, сочетающая в. себе многомерно-реляционный? подход, с архитектурными-особенностямщраспределенных информационных систем. Показана специфика представления данных на различныхуровнях модели.

6. Предс тавлена методика проектирования, распределенных', информационных хранилищ как последовательность, относительно самостоятельных и завершенных этапов «работ по преобразованиюмногомерной? концептуальной' модели предметнойобласти в логическшинтегрированную сово^пность территориально распределенных локальных реляционныхбаз данных.,.

7. Сформирована: методика оценки эффективности распределенных: информационных хранилищ, в основу которой: положены внешний подход к оценке эффективности сложных систем и математические модели? для-расчета показателей своевременности решения комплексов. функциональных задач в автоматизированных системах МЧС России.

8. Приведен пример разработкимакета распределенного ¦ информационного? хранилища, ориентированного, — на обеспечение данными, процесса решения* функциональных задач автоматизированнойсистемы, НЦ-УКС. Показана возможность реализации таких информационных хранилищша основе' разработанных моделей и методик.

9: Проведена оценка эффективности макета разработанного распределенного информационного хранилища и на основании результатов оценкивыработаны: научно-обоснованные практические рекомендации по применению распределенных информационных хранилищ в автоматизированных системах МЧС России.

Полученные в, диссертационной работе результаты предлагается? использо-вать в интересах органов научного сопровождения при проведении? научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ в части разработки основных проектных решений по построению информационного обеспечения автоматизированных, систем МЧС России.

Кроме того, результаты могут быть использованы в процессе функционирования указанных автоматизированных систем с целью выяснения необходимости модернизации их информационного базиса.

Основное содержание работы отражено в публикациях [66−71]. Результаты апробированы на научных конференциях и внедрены в практику органов управления МЧС России и образовательную деятельность.

В работах, опубликованных в соавторстве, автору принадлежат предложения по обоснованию структуры и содержания моделей и методик формирования и оценки распределенных информационных хранилищ.

Направления дальнейших исследований могут быть связаны с совершенствованием предложенных моделей и методик, изучением и реализацией новых подходов по построению информационных хранилищ и аналогичных образований, а также с уточнением возможностей применения разработанного аппарата в смежных областях.